郭佳嘉，余其鑫

（中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 工程背景

汕頭新津河大橋位于汕頭市東北部灘涂及淺海地帶，沿海東部城市經(jīng)濟(jì)帶，作為該經(jīng)濟(jì)帶濱海大道的關(guān)鍵性控制工程，大橋長584.6 m，主橋?yàn)椋?7+118+67）m三跨梁拱組合橋。

13號(hào)及14號(hào)主墩平面呈啞鈴形，平面尺寸為33.5 m×14.2 m，啞鈴形面中間部位寬為6 m；承臺(tái)底標(biāo)高為-2.7 m、整個(gè)啞鈴形承臺(tái)厚度均為+4.5 m。主橋立面圖見圖1。

1.1 工程水文、氣象及地質(zhì)條件

新津河大橋橋位區(qū)處于河段入海部位，具有河床寬淺、水流湍急、涌浪洶涌、河床變化劇烈的特點(diǎn)。

平均潮差1.3 m。設(shè)計(jì)高水位取20 a一遇的高水位+1.758 m；設(shè)計(jì)低水位取20 a一遇的低水位-0.272 m；設(shè)計(jì)流速為1.15 m/s；設(shè)計(jì)波高取實(shí)測最大波高2.0 m；對(duì)應(yīng)波浪周期為10.2 s。施工階段，鋼圍堰結(jié)構(gòu)需要抵御大流速和強(qiáng)涌浪的反復(fù)作用。

圖1 新津河大橋主橋立面圖Fig.1 Elevation of the main bridge of Xinjin River Bridge

大橋所在區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，受海洋性東南亞季風(fēng)影響大，而且該地區(qū)處于臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，實(shí)測最大風(fēng)速53 m/s（16級(jí)），通過合理安排工期，避開了臺(tái)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)造成的惡劣影響，將設(shè)計(jì)風(fēng)速定為22.4 m/s（9級(jí)風(fēng)）。

橋址區(qū)地層上部為較厚的淤泥，深度為7 m，沖刷前的泥面標(biāo)高為-7.2 m。上游來水豐、枯變化，河床變化劇烈。

1.2 結(jié)構(gòu)比選

由于新津河大橋承臺(tái)斷面復(fù)雜，綜合條件較惡劣，結(jié)構(gòu)形式的方案比選尤為重要，鋼圍堰方案比選如表1所示。

表1 鋼圍堰方案比選表Table 1 The scheme comparison table of the steel cofferdam

由于河床淤泥較厚，地質(zhì)情況較差，加之上游來水豐、枯變化，導(dǎo)致河床變化劇烈，再加上鋼圍堰下沉造成的局部流態(tài)的變化，無論是選用無底鋼套箱還是鋼板樁圍堰，泥面位置較厚的淤泥層會(huì)在澆筑封底混凝土?xí)r上浮，從而影響封底混凝土的強(qiáng)度和密閉性；此外還會(huì)給鋼套箱精確著床和下沉控制帶來很大風(fēng)險(xiǎn)，不考慮沖刷情況下高水位10 m的水頭差，在河床面不斷變化以及波浪荷載的作用下，采用鋼板樁圍堰時(shí)結(jié)構(gòu)安全存在較大風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)比選，承臺(tái)施工采用有底的雙壁鋼圍堰方案[2]。

2 工程難點(diǎn)及解決措施

本工程的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是在惡劣的水文條件下，鋼圍堰從結(jié)構(gòu)到施工工藝均需要克服強(qiáng)涌浪河段的諸多不利因素；二是由于水文條件限制，工程船舶難以在現(xiàn)場長時(shí)間駐位，在強(qiáng)涌浪環(huán)境下[3]采用整體吊裝方案風(fēng)險(xiǎn)大而且不經(jīng)濟(jì)[4]，因此采用后場加工場內(nèi)分節(jié)、分塊制作，利用水上施工平臺(tái)進(jìn)行水上拼裝，利用千斤頂分節(jié)下放的施工工藝，工藝流程多，施工工序較為復(fù)雜；三是由于承臺(tái)平面尺寸呈狹長的啞鈴形，承臺(tái)厚度包括系梁在內(nèi)均為4.5 m，承臺(tái)底均在低水位以下，導(dǎo)致只能考慮在承臺(tái)整體澆筑的工藝下設(shè)立圍堰結(jié)構(gòu)，而啞鈴形鋼圍堰對(duì)應(yīng)的系梁部位較為薄弱，因此需要對(duì)圍堰下放時(shí)千斤頂?shù)南路潘俣燃巴叫赃M(jìn)行嚴(yán)格控制，再加之承臺(tái)系梁部位無樁基之類的豎向傳力構(gòu)件，經(jīng)計(jì)算，該部位在抗浮及澆筑承臺(tái)時(shí)封底混凝土受力不滿足要求，這給圍堰的結(jié)構(gòu)安全帶來了一定的風(fēng)險(xiǎn)。

為確保結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)效益，針對(duì)上述技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)，一方面從深入研究橋位區(qū)水文地形資料入手[5]，分析施工工況條件，選擇合理的鋼圍堰設(shè)計(jì)荷載和控制標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保鋼圍堰結(jié)構(gòu)適應(yīng)現(xiàn)場條件，力求功能性和經(jīng)濟(jì)性相對(duì)合理；另一方面從研究施工工藝著手，特別是嚴(yán)格控制圍堰千斤頂下放的同步性，為此，對(duì)所有吊點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，在每個(gè)千斤頂位置安排1位作業(yè)人員，負(fù)責(zé)千斤頂下放行程的測量和螺母的松緊工作，下放過程中的每一步操作都由現(xiàn)場統(tǒng)一指揮。為了確保鋼圍堰在強(qiáng)涌浪海況下千斤頂下放及注水下沉過程中的下沉姿態(tài)和整體穩(wěn)定性，在所有吊點(diǎn)位置的千斤頂上布置JMZX-3006錨索測力計(jì)，以便在千斤頂下放過程中實(shí)時(shí)測定吊桿的軸力。針對(duì)系梁部位封底混凝土受力不滿足要求的情況，采用在承臺(tái)中間部位加設(shè)4根鋼管樁，既縮小了封底混凝土的跨度，同時(shí)也提升了封底混凝土的握裹力，使問題得到很好地解決。

3 鋼圍堰設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

考慮到特殊海況的水文地質(zhì)條件、抽水后水頭差等因素，圍堰設(shè)計(jì)成啞鈴形。

平面尺寸：考慮到鋼圍堰的定位精度控制在20 mm以內(nèi)是能夠?qū)崿F(xiàn)的，鋼圍堰的內(nèi)輪廓即采用承臺(tái)外輪廓。鋼圍堰壁厚為1.0 m，同時(shí)加工只允許正偏差。

標(biāo)高：結(jié)合計(jì)劃安排，圍堰在3～5月抽水施工承臺(tái)，頂標(biāo)高取+5.3 m；封底底標(biāo)高為-4.7 m、封底混凝土厚度為2.0 m，底標(biāo)高取承臺(tái)底標(biāo)高減封底厚度及底板厚度，底標(biāo)高為-5.106 m。鋼圍堰自重為357 t。

圍堰底板在承臺(tái)平面位置對(duì)應(yīng)的拼裝平臺(tái)上拼成整體，底板采用貫通的主梁和次梁加面板的方式，吊點(diǎn)則布置在鋼護(hù)筒附近的主梁上。

為保證在強(qiáng)涌浪海況下啞鈴形圍堰的注水下放姿態(tài)和穩(wěn)定性，通過千斤頂下放圍堰時(shí)，采用28個(gè)吊點(diǎn)，吊桿采用φ32的精軋螺紋鋼，吊點(diǎn)位置布置測力計(jì)，其吊點(diǎn)現(xiàn)場照片、平面布置及編號(hào)示意圖如圖2所示。

圖2 起吊下放時(shí)的吊點(diǎn)布置圖Fig.2 The lifting point layout in the process of lifting and lowering

澆筑封底混凝土?xí)r在28個(gè)精軋螺紋鋼吊點(diǎn)的基礎(chǔ)上，為防止涌浪產(chǎn)生的波托力及波吸力導(dǎo)致底板上下浮動(dòng)，中間鋼護(hù)筒采用24個(gè)雙拼[16a的拉壓桿吊桿，吊點(diǎn)的平面布置和新增吊點(diǎn)編號(hào)示意圖以及現(xiàn)場拉壓桿布置圖如圖3所示，其中29～52號(hào)點(diǎn)為拉壓桿對(duì)應(yīng)的吊點(diǎn)位置。

圖3 澆筑封底混凝土?xí)r的吊點(diǎn)布置圖Fig.3 The lifting point layout for pouring bottom sealing concrete

4 鋼圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本文結(jié)合施工中的實(shí)際問題和鋼圍堰在施工階段的力學(xué)性能，運(yùn)用空間有限元數(shù)值分析的方法對(duì)鋼圍堰結(jié)構(gòu)模型合理簡化，并對(duì)鋼圍堰在以下4個(gè)工況進(jìn)行整體受力分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，以加強(qiáng)鋼圍堰在施工過程中的技術(shù)保障，確保圍堰及承臺(tái)的施工安全。

4.1 工況分析

根據(jù)施工的基本過程，鋼圍堰的主要控制工況有以下4個(gè)：

工況1：鋼圍堰牛腿擱置以及下放工況，在不考慮吊點(diǎn)失效的情況下圍堰結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，起吊下放時(shí)僅考慮圍堰自重，此工況控制起吊精軋螺紋鋼及承重架強(qiáng)度；

工況2：鋼圍堰澆筑封底混凝土工況，荷載考慮最不利情況時(shí)混凝土重，此工況控制圍堰底板及吊桿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；

工況3：鋼圍堰抽水工況，此工況控制圍堰壁體的強(qiáng)度以及封底混凝土的強(qiáng)度、握裹力；

工況4：鋼圍堰澆筑首層承臺(tái)工況，此工況控制圍堰壁體的強(qiáng)度以及封底混凝土的強(qiáng)度、握裹力[6]。

4.2 有限元建模分析

按照鋼圍堰的施工流程，對(duì)各工況建立有限元模型并分別加以計(jì)算。本計(jì)算采用有限元軟件ANSYS計(jì)算程序?qū)Ω鞴r進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。由于各工況結(jié)構(gòu)情況不同，采用的單元分別有：板殼單元、梁單元、桿單元及實(shí)體單元。各單元及其模擬的構(gòu)件如表2所示。

表2 鋼圍堰對(duì)應(yīng)構(gòu)件的單元類型表Table 2 Element library of the cofferdam "s component

雙壁鋼圍堰各個(gè)構(gòu)件在對(duì)應(yīng)工況下的最大應(yīng)力如表3所示。

5 鋼圍堰施工控制

5.1 施工方案及施工工藝

鋼圍堰采用工廠制作，現(xiàn)場散拼的施工方案，具體施工工藝如下：

表3 計(jì)算結(jié)果匯總Table 3 The calculation results summary

1）在系梁位置打入4根φ800×10的鋼管樁，在施工水位以上0.5 m高度處的鋼護(hù)筒上焊接2HM588×300型鋼，形成拼裝平臺(tái)，安裝圍堰底板，并以底板為依托安裝第1節(jié)圍堰側(cè)壁。

2）安裝千斤頂下放系統(tǒng)，安裝好以后，提升千斤頂，拆除拼裝平臺(tái)，逐步往圍堰側(cè)壁內(nèi)注水，邊注水邊下放鋼圍堰，將第1節(jié)圍堰下放到位。

3）第1節(jié)側(cè)壁下放到指定標(biāo)高后，將壁板與護(hù)筒臨時(shí)側(cè)向連接，接高第2節(jié)圍堰側(cè)壁。

4）拆除壁板與護(hù)筒的臨時(shí)側(cè)向連接，將鋼圍堰下放到位。

5）將圍堰底板與鋼護(hù)筒用拉壓桿進(jìn)行連接，拆除千斤頂。

6）在每個(gè)鋼護(hù)筒外側(cè)套入2個(gè)半圓形堵漏圈，沿護(hù)筒下放到底板上堵住底板與護(hù)筒縫隙[7]，然后澆筑2 m厚的封底混凝土。

7）封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將圍堰內(nèi)的水抽干，割除多余的鋼護(hù)筒、吊桿及拉壓桿。

8）完成首層承臺(tái)澆筑。

9）首層承臺(tái)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，完成剩余承臺(tái)的澆筑。

5.2 鋼圍堰下放過程中的吊桿軸力

由于圍堰下放過程中需要往側(cè)壁隔艙內(nèi)注水，隔艙內(nèi)的水位均衡與否將直接影響到圍堰的下放姿態(tài)，同時(shí)強(qiáng)涌浪環(huán)境對(duì)于圍堰的姿態(tài)及穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生不利影響。為了確保鋼圍堰在強(qiáng)涌浪條件下圍堰下放的安全，采取了相應(yīng)的措施：在圍堰下放過程中通過控制千斤頂?shù)挠蛪?、行程和同步性，?shí)時(shí)監(jiān)測吊桿的軸力以及通過對(duì)側(cè)壁各個(gè)隔艙內(nèi)注水來調(diào)控圍堰的下放姿態(tài)。限于篇幅，綜合考慮圍堰受力對(duì)稱性以及實(shí)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集情況，本文取下放過程中3組具有代表性的下放行程實(shí)測吊點(diǎn)對(duì)應(yīng)吊桿的軸力數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)吊點(diǎn)的理論值如表4所示（其中施工荷載根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況按照2.5 kN/m2考慮）。

表4 下放過程中吊桿受力的理論值和實(shí)測值Table 4 Theoretical and measured values of hanger rod force in the process of lowering kN

表4中，理論值為有限元分析得到的吊桿軸力值；實(shí)測1為鋼圍堰調(diào)整好后，準(zhǔn)備下放前吊桿的初始受力情況的實(shí)測數(shù)據(jù)；實(shí)測2為在下放過程中，由于涌浪及千斤頂同步等因素，導(dǎo)致1號(hào)吊點(diǎn)及2號(hào)吊點(diǎn)受力驟降，通過吊點(diǎn)受力的復(fù)核和頂口高程的測量很快找到了原因，通過調(diào)節(jié)側(cè)壁的注水和千斤頂?shù)男谐?，很快將鋼圍堰調(diào)整為正常姿態(tài)，并將其順利下放到位；實(shí)測3為鋼圍堰下放到位后的吊點(diǎn)受力情況，由于圍堰受浮力的影響，實(shí)測數(shù)據(jù)比初始下放時(shí)偏小。

6 結(jié)語

新津河大橋主墩承臺(tái)均采用了雙壁鋼圍堰作圍水結(jié)構(gòu)。在圍堰結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)中充分考慮了各種最不利工況，采取了相應(yīng)的措施，在圍堰下放過程中通過實(shí)時(shí)監(jiān)測吊桿的軸力，控制千斤頂?shù)耐叫浴⒂蛪汉托谐?，進(jìn)而嚴(yán)格控制圍堰的下放姿態(tài)，控制了強(qiáng)涌浪海域的吊裝風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)有效地節(jié)省了大型起吊設(shè)備的費(fèi)用，圍堰均順利吊裝、精確定位，成功封底，較計(jì)劃工期提前1個(gè)半月以上轉(zhuǎn)入水上施工。圍堰定位精度（最大平面偏差僅25 mm）和封底質(zhì)量均達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。施工過程中該圍堰還經(jīng)歷了風(fēng)浪潮三碰頭的惡劣天氣，圍堰結(jié)構(gòu)經(jīng)受了充分考驗(yàn)。