任建偉

（中鐵十七局集團有限公司勘察設計院 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，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?？菟谒粸椋?35.66 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，導致河底地形起伏變化大，經現(xiàn)場踏勘，枯水期橋位區(qū)內水深一般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)剛構梁，下部為薄壁墩，低樁承臺＋群樁基礎。主墩承臺尺寸均為28 m×14 m×5 m，每墩設計鉆孔灌注樁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)內及附近無斷層通過，地震活動微弱，地質構造簡單，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，下伏強風化＋中風化泥巖，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。強風化泥巖為紫紅色，泥質結構，薄～中厚層狀構造，主要由黏土礦物組成，巖芯較破碎，呈塊狀、短柱狀，巖質軟。中風化泥巖為紫紅色，泥質結構，局部含砂質較重，薄～中厚層狀構造，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，巖質較軟。根據(jù)地質勘察資料，41#、42#墩地質情況見表1。

表1 41#、42#墩地質情況

3 圍堰設計方案比選

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，五年設計洪水位246.41m（H5%）。根據(jù)河床地質及水位變化等特點，設計初期從施工技術性、經濟性和安全性等多角度對深水基礎施工設計方案進行了比較（見表2），最終確定采用鋼壁混凝土圍堰方案施工［2］。

表2 圍堰設計方案對比

4 鋼壁混凝土圍堰設計

4.1 鋼壁混凝土圍堰的特點

鋼壁混凝土圍堰在卵石層、巖石層等地質狀況下的深水基礎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構部分由專業(yè)的鋼結構加工廠加工制成，其質量、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計能充分發(fā)揮兩者的結構特點與性能，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，設計圍堰頂標高應至少高出該水位0.5 m。

（2）圍堰結構尺寸應經濟合理，并應充分考慮施工季節(jié)的流水斷面，盡可能減少對既有河床的沖刷影響。

（3）圍堰內應考慮滿足施工空間需求，合理設置內支撐、圍囹等結構形式與位置［7］。

4.3 鋼壁混凝土圍堰構造

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；圍堰內壁平面尺寸為28.1 m×14.1 m。內外壁之間相距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，圍堰內填充C30混凝土。其中圍堰側壁板內外殼鋼板采用兩種不同厚度，分別為8mm（刃角鋼板）和4mm（側面板）。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。

混凝土圍堰內設兩道鋼圍囹內支撐，鋼圍囹采用3拼HM350×250型鋼，內支撐采用φ630 mm鋼管，壁厚10 mm。

4.4 設計結構分析

為更好地模擬鋼壁混凝土圍堰結構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、內壁版采用板殼單元，豎肋、水平桁架等結構采用空間梁單元，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。澆筑到設計標高后，澆筑封底混凝土［10］。封底混凝土達到設計強度，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果分析

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

表3 主要構件計算結果匯總

根據(jù)有限元軟件分析結果可知，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混凝土主壓應力13.86 MPa＜［σb］＝14.3 MPa，滿足要求；Q235鋼圍囹、內支撐組合應力98.1＜145 MPa，剪應力 25.8＜85 MPa，滿足要求［11］。

由圖4可知，C30混凝土主拉應力大于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構，且混凝土圍堰內已配置支撐角鋼、加勁肋等型鋼結構，故鋼壁混凝土圍堰的整體強度和剛度均能滿足拉應力要求。

圖4 圍堰混凝土主拉應力大于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力為0.02＜1.1 MPa（C25混凝土抗拉強度設計值），封底混凝土彎曲拉應力滿足要求。

5 鋼壁混凝土圍堰關鍵施工工藝

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量檢驗及水密試驗，完成后在鋼平臺一側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)段兩側同時拼裝中間節(jié)段（為加快施工進度，可在場地內預拼出二、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計位置誤差較大，盡可能采用切割接縫等方法調整該塊段處于設計位置，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梁連接，在鋼套箱內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，鋼套箱下沉時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，采用有效的導向、定位設施是非常必要的。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向橫撐，控制套箱斜度。導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（每根導管最大流動范圍為3 m）及封底質量，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，并將導管固定在施工平臺上。灌注混凝土時，應控制混凝土下落速度，以免速度過快對導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，必要時調整導管位置。

6 結論

涪江特大橋水中基礎鋼壁混凝土圍堰的設計、施工經過實踐證明是科學的，具有一定的指導性和先進性。鋼壁混凝土圍堰在設計上充分考慮了橋墩基礎的結構形式、橋址地形地貌、水文地質情況及現(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施工提供參考［13］。