水 晶 明

(中鐵二十五局集團有限公司，廣東 廣州 510600)

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深水圍堰混凝土封底方案選擇與優(yōu)化探討

水 晶 明

(中鐵二十五局集團有限公司，廣東 廣州 510600)

介紹了深水基礎鋼圍堰混凝土封底方案選擇思路，探討了充分利用水文地質條件、基礎設計及圍堰結構設計資料對封底方案進行優(yōu)化設計的方法，并結合實例作了說明，實現(xiàn)了減少封底混凝土厚度、加快施工進度、節(jié)約施工成本的目標。

圍堰封底，深水基礎，混凝土，水頭壓力

1 概述

混凝土封底施工是深水橋梁基礎施工過程的關建環(huán)節(jié)之一，混凝土封底成功與否直接關系到橋梁基礎承臺施工的質量、工期和安全。目前國內對深水圍堰封底方案尚未有明確的規(guī)范條文規(guī)定，在設計及施工方案制定過程中基本按照最不利工況進行封底厚度檢算，封底混凝土方量大，施工時間長，甚至需要分塊、分層多次澆筑，封底質量難以控制，經常出現(xiàn)封底不良、漏水嚴重等不利情況。

柳江雙線特大橋主墩基礎地質為白云巖，強度為500 kPa～700 kPa，河床覆蓋層為1 m～2 m厚的河卵石，設計水深為6.5 m，采用雙壁鋼圍堰，設計承臺底緊貼河床面，設計封底混凝土厚度為2 m。按照設計要求，需對1.5 m左右的白云巖河床進行爆破清底，工程量大，工期長，難度高，為了趕在汛期來臨前完成承臺和墩身施工，必須對封底方案進行優(yōu)化。本文通過柳江雙線特大橋封底施工的總結分析，對混凝土封底方案如何選擇和優(yōu)化進行探討，為類似工程項目提供有益參考。

2 深水基礎封底混凝土檢算方法

2.1 封底混凝土主要受力工況

圍堰封底的主要目的是為承臺及墩身施工提供無水施工環(huán)境。透水性河床，在承臺施工時，內外水頭差會對封底混凝土產生巨大的向上的浮力；不透水性河床，封底混凝土基礎承受浮力很小，可不封底或抽水后簡單硬化，只對圍堰四周用混凝土封堵，但要充分考慮圍堰整體在水流沖擊下的抗傾覆和抗滑移能力。

工況一：透水性河床圍堰內抽水工況，主要受浮力(主)+水流沖擊力。

工況二：不透水性床圍堰內抽水工況，主要受水流沖擊力(主)+水頭壓力。

2.2 封底混凝土檢算方法

1)工況一簡單受力檢算：完全由封底混凝土及圍堰結構自重抵抗浮力，不利用封底的抗彎能力，計算簡單。該方法設計的封底方案最安全，混凝土方量最大。

2)工況一充分受力檢算：充分考慮混凝土自重、鋼圍堰自重、樁基礎抗拔能力及封底混凝土的抗剪、抗彎能力。計算步驟為：抽水工況下圍堰的整體最大浮力計算→圍堰自重及樁基礎鋼護筒的抗拔力計算→確定最小封底厚度→檢算封底抗彎、抗剪能力→檢算圍堰整體的抗傾覆能力→調整并確定封底混凝土厚度?？刹捎迷摲椒ㄟM行方案的優(yōu)化設計。

3)工況二檢算：浮力與鋼圍堰沉到位后的浮力大小相同，由圍堰本身的自重和雙壁鋼圍堰倉內水的自重即可滿足抗浮力要求。需要驗算的主要是圍堰總體的抗傾覆、抗滑移和抗?jié)B能力。計算步驟為：承臺施工時流水沖擊力計算→圍堰自身抗傾覆、抗滑移力計算→確定圍堰四周埋深和封堵混凝土寬度、厚度→檢算封堵混凝土的抗?jié)B性能→調整并確定圍堰埋深和封堵混凝土尺寸?？山Y合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對封底方案進行深度優(yōu)化。

3 封底方案優(yōu)化

3.1 封底混凝土方案優(yōu)化思路

在確保封底混凝土封底效果和受力安全的條件下，充分利用現(xiàn)場水文地質條件及各抗力條件可最大程度的減少封底混凝土的厚度，主要從以下幾個方面進行優(yōu)化：

1)充分利用雙壁鋼圍堰結構自重，提高整體抗浮能力。

2)充分利用樁基礎的抗拔能力，與樁基形成整體。

3)充分利用基巖完整性好，透水性差的特點，與基礎密貼成整體。

3.2 封底方案選擇與優(yōu)化

封底方案的選擇主要是根據(jù)水文和地質條件確定，如表1所示。

表1 圍堰封底方案選擇與優(yōu)化對比表

3.3 封底優(yōu)化方案技術保障措施

1)加強水頭壓力監(jiān)測，為方案優(yōu)化提供可靠依據(jù)。對于不透水的完整硬質巖河床和致密粘土層河床，可利用不透性特點進一步降低封底混凝土厚度，但為了保障封底的安全、可靠，必須對所采用的封底工藝可靠性進行監(jiān)測、分析，具體步驟如下：

a.做好首件工程，選取具有代表性的墩臺，采用保守方案先行施工，施工過程中監(jiān)測圍堰四周及中心在抽水后封底混凝土底部的水頭壓力。

b.根據(jù)監(jiān)測的水頭壓力數(shù)據(jù)，作為后續(xù)圍堰封底混凝土優(yōu)化的依據(jù)，進行深度優(yōu)化。

c.加強對后續(xù)圍堰封底混凝土底部水頭壓力的監(jiān)測，作為持續(xù)優(yōu)化和封底可靠性評價的依據(jù)。

2)合理安排工期，盡量安排在枯水季節(jié)進行承臺施工，提高封底安全系數(shù)。

a.首先采用保守封底方案，盡快完成水中墩首件工程，收集相關參數(shù)。

b.根據(jù)工期計劃，嚴密組織，合理調整各個墩位的施工水位，逐個設計圍堰及封底方案。

c.承臺施工過程中提高水位觀測頻率，應對突發(fā)狀況。水位快速提升時可暫停施工，向圍堰內回水，確保結構安全。

4 柳江雙線特大橋封底方案優(yōu)化措施

根據(jù)柳江橋實際情況，圍堰采用雙壁鋼圍堰，先進行圍堰、鋼護筒定位和封底，后施工樁基承臺。封底優(yōu)化過程如下。4.1 選擇合適的墩位進行首件工程施工，采集相關數(shù)據(jù)

1)首件選擇與探測管布置。岸邊31號墩覆蓋層達到2 m，采用采砂船清理河床卵石后，即可按原設計方案提前在雨期安排鋼圍堰定位和封底施工，并采集相關數(shù)據(jù)。水頭差探測管布置如圖1所示。

2)水頭差數(shù)據(jù)采集。封底28 d后，進行抽水試驗，測量并記錄連續(xù)7 d的水頭數(shù)據(jù)，水頭穩(wěn)定后的測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 水頭差測試數(shù)據(jù)表 m

3)數(shù)據(jù)分析。水頭差對封底混凝土浮力為：F=ρ水gh水A混凝土；封底混凝土自重：G=ρ混凝土V=ρ混凝土HA=2.4gH混凝土A混凝土；封底混凝土自重浮力平衡時：F=G即H混凝土=h水/2.4=0.42h水，圍堰內水頭每降低1 m，可減少0.42 m的封底混凝土。

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，為保證安全，取探測管內最高水頭75.4 m為設計水頭，封底厚度可減少0.882 m。

4.2 后續(xù)墩圍堰封底方案

1)封底優(yōu)化設計。

考慮圍堰和封底混凝土自重、樁基礎抗拔及封底后圍堰內的水頭下降等因素，最大程度減小封底厚度。

a.基本參數(shù)見表3。

表3 封底施工基本參數(shù)表

b.封底厚度計算。按封底后圍堰內水頭75.52進行封底厚度計算，由于封底混凝土需水下灌注，不宜小于1 m，取1.2 m厚進行檢算，則：

總浮力為F=3.14×(9.32-10)×(75.4-71.304+1.2)×104=12 719.8 kN。

封底混凝土重力:3.14×(9.32-10)×1.2×2.4×104=6 917.1 kN。

圍堰及倉內水重:161.364+3.14×(9.32-8.52)×8.25×104=2 075.2 kN。

樁基礎的抗拔力(為安全考慮，樁基礎抗拔力只考慮樁基礎自重部分，不考慮樁周摩擦力):3.14×10×12×2.4×104=8 827 kN。

總抗浮力大小P=6 917.1+2 075.2+8 827=17 819.3 kN>F=12 719.8 kN,鋼圍堰結構總體滿足抗浮要求。

c.封底混凝土強度檢算。封底混凝土強度檢算采用Ansys有限元分析軟件進行建模計算，分析結果見圖2。

由Ansys結果云圖可知:

封底混凝土底部主要受壓，其中鋼護筒四周混凝土受拉，拉應力最大值為第一主應力最大值σt=309 679 Pa=0.31 MPa；封底混凝土頂部主要受拉，其中鋼護筒四周混凝土受壓，壓應力最大值為第一主應力最小值σc=47 219 Pa=0.04 MPa。

根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》，σt<[ft]，抗拉強度滿足混凝土抗裂要求；σc<[fc]，抗壓強度滿足要求。

2)施工方案與工藝優(yōu)化技術措施。

a.加大圍堰四周封底厚度，增強堵水性能。河床處理如圖3所示。

b.加強河床清理，清除河床表松散卵石，增強封底混凝土與河床間的粘結。

c.優(yōu)化封底混凝土性能，改善澆筑工藝，連續(xù)成型。封底混凝土可采用水下不分散的NDC混凝土，該封底具有不分散、自流平、自密實等特點，可減小澆筑過程中拔管次數(shù)，提高封底混凝土完整性。澆筑過程從下游向上游全斷面推進，一次澆筑成型。

d.對埋入封底混凝土中的鋼護筒進行處理，增焊鋼筋環(huán)箍，增強封底混凝土與鋼護筒間的摩阻力。

e.加強封底過程中測量控制。在圍堰的操作平臺上布置多個測量位置，標示其高程，安排專人每小時測量一次，以便掌握封底混凝土的流動情況，控制導管埋深并及時移管。

4.3 封底混凝土施工效果

31號墩封底施工28 d后，進行抽水，并測試鋼護筒內及監(jiān)測管的水頭升降情況表明，優(yōu)化后的封底方案及工藝措施能滿足要求。抽水結束后，圍堰底部無滲漏水現(xiàn)象，封底平面平整，封底后監(jiān)測管內的水頭低于設計水頭，進一步提高了封底的安全系數(shù)。

5 結語

通過充分利用設計水文地質條件、結構自重及樁基礎抗拔力等條件，優(yōu)化河床處理及封底混凝土澆筑工藝，可有效的降低封底混凝土厚度，減少河床清理工程量。通過柳江雙線特大橋水中墩封底施工的優(yōu)化實踐，證明對封底方案進行深度優(yōu)化可以在保證安全的前提下，加快施工進度，提高經濟效益。

[1] GB 50010—2010，混凝土結構設計規(guī)范[S].

[2] 徐 偉，呂鳳梧.深水區(qū)域特大型施工平臺與鋼吊箱結構分析方法[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

Discussion on the scheme selection and optimization of deep water cofferdam concrete bottom sealing

Shui Jingming

(ChinaRailway25thBureauGroupLimitedCompany,Guangzhou510600,China)

This paper introduced the scheme selection idea of deep water cofferdam concrete bottom sealing, discussed the method making full use of the hydrology geology conditions, basic design and cofferdam structure design data to bottom sealing optimization design, and combining with instance made explains, achieved the goal of reduce the thickness of the concrete bottom sealing, speed up the construction progress, saving construction cost.

cofferdam bottom sealing, deep water foundation, concrete, head pressure

1009-6825(2016)10-0164-03

2016-01-29

水晶明(1984- )，男，工程師

U445

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