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        涪江特大橋深水基礎(chǔ)鋼壁混凝土圍堰設(shè)計與施工

        2019-03-26 08:11:24任建偉
        鐵道建筑技術(shù) 2019年11期
        關(guān)鍵詞:涪江鋼套圍堰

        任建偉

        (中鐵十七局集團有限公司勘察設(shè)計院 山西太原 030032)

        1 概述

        涪江特大橋位于重慶市潼南區(qū)桂林鎮(zhèn)、雙江鎮(zhèn)境內(nèi),先后跨越漢江和涪江,起訖樁號為K73+449.5~K75+392.5,橋長1 943.0 m,孔跨布置為(62 m+110 m+62 m)連續(xù)梁+37×30 m T梁+(100 m+190 m+100 m)連續(xù)梁+5×27.5 m T梁+2×30 m T梁。擬建大橋所跨涪江在項目區(qū)內(nèi)蜿蜒曲折,河床寬240~350 m不等,橋位區(qū)屬亞熱帶氣候,溫暖濕潤,雨量充沛。多年平均氣溫17.9℃~18.5℃,多年平均降雨量986 mm。枯水期水位為+235.66 m,十年一遇洪水水位+248.51 m,三百年一遇洪水水位+255.14 m,洪水多發(fā)于6~10月,其中7~9月最集中,洪水歷時4~7 d。由于近年河床底部的砂石大量挖掘,導(dǎo)致河底地形起伏變化大,經(jīng)現(xiàn)場踏勘,枯水期橋位區(qū)內(nèi)水深一般3~5 m,局部可達10余米[1]。

        其中190 m主跨41#、42#主墩跨位于涪江中,上部為連續(xù)剛構(gòu)梁,下部為薄壁墩,低樁承臺+群樁基礎(chǔ)。主墩承臺尺寸均為28 m×14 m×5 m,每墩設(shè)計鉆孔灌注樁3排,每排6根,共計18根,樁徑2.2 m,樁長36 m,為嵌巖樁。

        2 工程條件

        橋位區(qū)主要屬河流侵蝕堆積地貌,場地地形平坦,橋位區(qū)內(nèi)及附近無斷層通過,地震活動微弱,地質(zhì)構(gòu)造簡單,河谷漫灘上多為旱地。地表為第四代河流沖積層,覆蓋層厚度變化較大,但下伏基巖完整,裂隙不發(fā)育,場內(nèi)無斜坡穩(wěn)定問題。

        所跨涪江河床寬約370 m,河床地層為上伏卵石土,下伏強風(fēng)化+中風(fēng)化泥巖,卵石層厚3.5~6 m,卵石為雜色,稍濕,稍密~密實,一般粒徑20~60 mm,最大粒徑120 mm,含量約60%,以砂土充填為主。強風(fēng)化泥巖為紫紅色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄~中厚層狀構(gòu)造,主要由黏土礦物組成,巖芯較破碎,呈塊狀、短柱狀,巖質(zhì)軟。中風(fēng)化泥巖為紫紅色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),局部含砂質(zhì)較重,薄~中厚層狀構(gòu)造,主要由黏土礦物組成,巖芯較完整,多呈柱狀,局部巖芯破碎呈塊狀,巖質(zhì)較軟。根據(jù)地質(zhì)勘察資料,41#、42#墩地質(zhì)情況見表1。

        表1 41#、42#墩地質(zhì)情況

        3 圍堰設(shè)計方案比選

        涪江特大橋41#墩、42#墩承臺位于主河槽中,水流速度2.74 m/s,承臺底標高229.0 m,五年設(shè)計洪水位246.41m(H5%)。根據(jù)河床地質(zhì)及水位變化等特點,設(shè)計初期從施工技術(shù)性、經(jīng)濟性和安全性等多角度對深水基礎(chǔ)施工設(shè)計方案進行了比較(見表2),最終確定采用鋼壁混凝土圍堰方案施工[2]。

        表2 圍堰設(shè)計方案對比

        4 鋼壁混凝土圍堰設(shè)計

        4.1 鋼壁混凝土圍堰的特點

        鋼壁混凝土圍堰在卵石層、巖石層等地質(zhì)狀況下的深水基礎(chǔ)承臺施工中相比其它圍堰有以下特點[3]:

        (1)鋼壁混凝土圍堰的鋼結(jié)構(gòu)部分由專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)加工廠加工制成,其質(zhì)量、精度均能滿足現(xiàn)場施工拼裝要求[4]。

        (2)鋼壁混凝土圍堰內(nèi)部填充了一定強度的混凝土,圍堰整體密封性能好,能保證承臺干施工環(huán)境的相關(guān)要求。

        (3)鋼壁混凝土圍堰是鋼材與混凝土的組合體,根據(jù)圍堰受力特點合理設(shè)計能充分發(fā)揮兩者的結(jié)構(gòu)特點與性能,不僅大幅減少了鋼材的利用率,降低工程整體造價,與傳統(tǒng)的鋼圍堰相比,還能減少施工周期,充分利用河流短暫枯水期施工節(jié)約工程投資[5]。

        (4)鋼壁混凝土圍堰鋼材部分采用分塊、分單元設(shè)計與施工,具有連接簡單、運輸便利、安裝迅速等優(yōu)點。

        4.2 鋼壁混凝土圍堰主要設(shè)計原則

        根據(jù)以下幾點要求確定鋼壁混凝土圍堰主要參數(shù)。

        (1)結(jié)合水文資料與工點近年氣象數(shù)據(jù)分析[6],合理確定施工期間最高水位,設(shè)計圍堰頂標高應(yīng)至少高出該水位0.5 m。

        (2)圍堰結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)經(jīng)濟合理,并應(yīng)充分考慮施工季節(jié)的流水斷面,盡可能減少對既有河床的沖刷影響。

        (3)圍堰內(nèi)應(yīng)考慮滿足施工空間需求,合理設(shè)置內(nèi)支撐、圍囹等結(jié)構(gòu)形式與位置[7]。

        4.3 鋼壁混凝土圍堰構(gòu)造

        矩形鋼壁混凝土圍堰由頂至底依次分為上中下三節(jié),其中下部第一節(jié)與第二節(jié)為鋼壁混凝土圍堰,頂部第三節(jié)為鋼筋混凝土圍堰。圍堰外壁平面尺寸為30.1 m×16.1 m,圍堰高度11.0 m;圍堰內(nèi)壁平面尺寸為28.1 m×14.1 m。內(nèi)外壁之間相距1.0 m,見圖1。

        圖1 矩形鋼壁混凝土圍堰剖面(單位:mm)

        鋼壁混凝土圍堰所有鋼材均為Q235鋼,圍堰內(nèi)填充C30混凝土。其中圍堰側(cè)壁板內(nèi)外殼鋼板采用兩種不同厚度,分別為8mm(刃角鋼板)和4mm(側(cè)面板)。刃角[8]加強鋼板(500×500×8)mm,雙壁環(huán)向肋為(200×8)mm鋼板,雙壁豎肋為(63×63×6)mm角鋼,雙壁間支撐桿為(70×70×7)mm角鋼。

        混凝土圍堰內(nèi)設(shè)兩道鋼圍囹內(nèi)支撐,鋼圍囹采用3拼HM350×250型鋼,內(nèi)支撐采用φ630 mm鋼管,壁厚10 mm。

        4.4 設(shè)計結(jié)構(gòu)分析

        為更好地模擬鋼壁混凝土圍堰結(jié)構(gòu)在實際施工中的受力狀態(tài),運用Midas Civil有限元分析軟件進行模擬計算。鋼壁混凝土圍堰采用空間實體模型進行分析計算,外壁板、內(nèi)壁版采用板殼單元,豎肋、水平桁架等結(jié)構(gòu)采用空間梁單元,填充C30混凝土、封底混凝土采用空間實體單元。模型見圖2。

        圖2 鋼壁混凝土圍堰數(shù)值模型

        4.5 圍堰計算荷載及工況

        (1)靜水壓力[9]

        qjmax=0.125 N/mm2。

        (2)動水壓力

        qdmax=Kγv2/(2g)=0.000 488 N/mm2。其中形狀系數(shù)K取1.3,水的容重γ取10 kN/m3,重力加速度g取10 m/s2,平均水流速度v取2.74 m/s。

        (3)圍堰下部土壓力

        qt=Kaγh=0.013 4 N/mm2。其中系數(shù)Ka取0.2,土的浮容重γ取12 kN/m3,土層厚度h取5.6m。

        (4)封底混凝土浮力

        qf=0.11 N/mm2。

        混凝土圍堰共分兩節(jié)澆筑。澆筑到設(shè)計標高后,澆筑封底混凝土[10]。封底混凝土達到設(shè)計強度,抽水施工承臺時混凝土圍堰受力最大,此時為最不利工況,受力如圖3所示。

        圖3 鋼壁混凝土圍堰受力簡圖

        4.6 鋼壁混凝土圍堰計算結(jié)果分析

        鋼壁混凝土圍堰最不利工況的荷載條件為圍堰內(nèi)部抽干水后,圍堰側(cè)壁受到的土壓力、靜水壓力、動水壓力以及C25封底混凝土的浮力。計算結(jié)果見表3。

        表3 主要構(gòu)件計算結(jié)果匯總

        根據(jù)有限元軟件分析結(jié)果可知,最大位移為2.8 mm<14 100/400=35.25 mm,滿足要求;C30混凝土主拉應(yīng)力為6.0 MPa>[σtp-1]=1.43 MPa,不滿足要求,需對混凝土圍堰配置抗拉型鋼;C30混凝土主壓應(yīng)力13.86 MPa<[σb]=14.3 MPa,滿足要求;Q235鋼圍囹、內(nèi)支撐組合應(yīng)力98.1<145 MPa,剪應(yīng)力 25.8<85 MPa,滿足要求[11]。

        由圖4可知,C30混凝土主拉應(yīng)力大于1.43 MPa的區(qū)域主要分布在圍堰與封底混凝土交界處外緣,圍堰4個角隅外緣處,由于圍堰采用鋼壁混凝土結(jié)構(gòu),且混凝土圍堰內(nèi)已配置支撐角鋼、加勁肋等型鋼結(jié)構(gòu),故鋼壁混凝土圍堰的整體強度和剛度均能滿足拉應(yīng)力要求。

        圖4 圍堰混凝土主拉應(yīng)力大于1.43 MPa分布區(qū)域

        4.7 封底混凝土計算分析

        涪江鋼壁混凝土圍堰采用C25混凝土進行封底作業(yè),混凝土厚度為2.5 m,有效計算厚度2.5 m。圍堰尺寸為30.1 m×16.1 m×11 m,樁基外徑為2.5 m,共18根。

        鋼壁與混凝土、混凝土與混凝土粘結(jié)力取120 kN/m2,混凝土容重取23 kN/m3,水的容重取10 kN/m2,圍堰封底混凝土底標高為226.5 m。

        水的浮力為:

        P=ρghs=10×11×28.4×14.4=44 985.6 kN

        封底砼自重為:

        G=ρv=23×(28.1×14.1-18×3.14×2.52)×2.5=2 470.2 kN

        封底砼與樁基的粘聚力為:

        N1=18×3.14×2.5×2.5×120=42 390 kN

        封底砼與鋼板的粘聚力:

        N2=(28.1+14.1)×2×2.5×120=25 320 kN

        則抗浮安全系數(shù)為:

        K=(G+N1+N2)/P=1.56>1.2

        封底混凝土抗浮性能夠滿足要求。

        對C25封底混凝土采用有限元實體單元模型進行抗彎強度驗算,如圖5所示。

        圖5 圍堰封底混凝土抗彎強度驗算模型

        通過計算可知:鋼壁混凝土圍堰封底混凝土最大拉應(yīng)力為0.02<1.1 MPa(C25混凝土抗拉強度設(shè)計值),封底混凝土彎曲拉應(yīng)力滿足要求。

        5 鋼壁混凝土圍堰關(guān)鍵施工工藝

        5.1 鋼壁混凝土圍堰運輸安裝施工

        涪江特大橋41#、42#墩鋼壁混凝土圍堰鋼套箱壁板節(jié)段按設(shè)計要求在工廠集中加工后運送至現(xiàn)場拼接安裝施工[12]。節(jié)段拼焊后進行焊接質(zhì)量檢驗及水密試驗,完成后在鋼平臺一側(cè)鋼棧橋上支立汽車吊吊裝節(jié)段,在鋼平臺上分節(jié)段拼裝鋼吊箱。拼裝時,先由測量人員在底板上精確放出承臺邊線,由汽車吊對稱吊裝鋼套箱的拐角節(jié)段,由拐角節(jié)段兩側(cè)同時拼裝中間節(jié)段(為加快施工進度,可在場地內(nèi)預(yù)拼出二、三塊節(jié)段再吊裝到拼裝平臺上拼裝鋼套箱)。

        鋼套箱拼裝完成后對照設(shè)計圖進行檢查、校正與圍焊作業(yè)。嚴格控制其圍堰尺寸及垂直度偏差,經(jīng)檢測符合要求后方可固定鋼套箱。當拼裝某一塊段時,如平面位置尺寸及垂直度與設(shè)計位置誤差較大,盡可能采用切割接縫等方法調(diào)整該塊段處于設(shè)計位置,以減少合龍段拼裝時出現(xiàn)較大的累積誤差。焊接兩塊鋼圍堰之間的拼裝縫,要求雙面滿焊,并用煤油檢測其滲透情況,焊接應(yīng)采取措施減少面板的變形,如先分節(jié)段對稱跳焊,再補焊達到焊縫飽滿、密實。

        第一層鋼箱拼裝完成后,安裝鋼套箱懸吊系統(tǒng),利用吊桿將底托梁與扁擔(dān)梁連接,在鋼套箱內(nèi)壁與樁基護筒之間安裝限位裝置。

        5.2 鋼壁混凝土圍堰下沉施工

        鋼套箱下沉施工步驟:千斤頂起吊鋼套箱,拆除鋼套箱下部的局部施工平臺,利用千斤頂循環(huán)操作下沉鋼套箱入水。鋼套箱自浮,拆除起吊梁,固定鋼套箱在鋼管樁牛腿上,拼裝下沉第二層鋼套箱,并向艙內(nèi)泵送C30混凝土,增加鋼套箱下沉自重,如圖6所示。沉至河床時,遇到阻力,利用長臂挖掘機將鋼套箱刃腳處卵石排出使鋼套箱下沉到設(shè)計高程。

        圖6 鋼壁混凝土圍堰拼裝與下沉施工

        在流水中施工,鋼套箱下沉?xí)r會受到水平力的作用,在下沉過程中鋼套箱傾斜度及平臺位置要求不超過規(guī)范允許值,采用有效的導(dǎo)向、定位設(shè)施是非常必要的。鋼套箱定位系統(tǒng)可利用鋼管樁作為定位樁,安裝導(dǎo)向橫撐和滾動軸承,布置在前、后、左、右四個方向,分上下2層,既控制了鋼套箱平面位置,又能控制其傾斜度。鋼套箱定位系統(tǒng)是在露出水面的鋼管樁上對稱焊接兩層導(dǎo)向橫撐,控制套箱斜度。導(dǎo)向橫撐前端安裝滾動軸承,以利于下沉滑動。

        5.3 鋼壁混凝土圍堰封底施工

        封底混凝土采用水下導(dǎo)管法對稱灌注,混凝土在拌和站集中拌和??紤]封底時水深、樁間距、圍堰排水后的浮力及封底混凝土與鉆孔樁之間的摩擦力等,鋼套箱圍堰采用2.5 m厚水下C25混凝土進行封底。

        為保證混凝土的流動面積(每根導(dǎo)管最大流動范圍為3 m)及封底質(zhì)量,考慮到護筒對混凝土流動的影響,封底作業(yè)施工時采用3根導(dǎo)管同時灌注水下封底混凝土,采用輸送泵泵送混凝土,并將導(dǎo)管固定在施工平臺上。灌注混凝土?xí)r,應(yīng)控制混凝土下落速度,以免速度過快對導(dǎo)管口的混凝土造成沖擊,并用測繩隨時測量各點位的混凝土澆筑高度及流動面積,確保封底厚度基本一致,必要時調(diào)整導(dǎo)管位置。

        6 結(jié)論

        涪江特大橋水中基礎(chǔ)鋼壁混凝土圍堰的設(shè)計、施工經(jīng)過實踐證明是科學(xué)的,具有一定的指導(dǎo)性和先進性。鋼壁混凝土圍堰在設(shè)計上充分考慮了橋墩基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式、橋址地形地貌、水文地質(zhì)情況及現(xiàn)場施工需求,有針對性地解決了傳統(tǒng)鋼圍堰拼裝、下水、接高繁冗的施工流程。在施工上具有工藝簡單、操作方便、節(jié)省鋼材和有效縮短工期等特點,可為同類大橋工程的深水基礎(chǔ)施工提供參考[13]。

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