王曉龍 （中鐵一局集團鐵路建設有限公司，陜西 咸陽 712000）

1 引言

近年來，隨著國家大型基建設施的發(fā)展，跨海、跨江的大型橋梁日益增多，大型深水承臺也越來越多。橋梁的深水承臺通常采用雙壁鋼圍堰措施來輔助施工[1]。然而，在當前的鋼圍堰設計中，鋼圍堰通常被設計得十分保守[2-4]。同時，現(xiàn)場工程師在施工鋼圍堰時，普遍僅重視對鋼圍堰的拼裝、下沉及抽水等施工環(huán)節(jié)時圍堰結構的變形以及位移姿態(tài)[5-6]。

然而，目前的鋼圍堰事故大多由于對地質(zhì)水文情況的差異以及施工不當所引起，而非圍堰結構設計不足[7]。當事故出現(xiàn)反應到圍堰結構出現(xiàn)變形或姿態(tài)變化時，往往已是“事后”，損失不可避免[8-9]。如何實時監(jiān)測鋼圍堰的狀態(tài)，并建立有效的預警機制，是目前大型鋼圍堰安全施工的一個努力方向[10]。本文基于合安鐵路杭埠河特大橋雙壁鋼圍堰的應力監(jiān)測及預警經(jīng)驗進行總結，以供類似工程參考。

2 雙壁鋼圍堰設計及有限元計算

2.1 工程概況

新建合肥至安慶鐵路站前工程HAZQ-2標段杭埠河特大橋40+4×72+40m連續(xù)梁跨越杭埠河主河道，其中67#～69#墩位于河道內(nèi)，每墩為12根φ1.5m鉆孔灌注樁基礎。

承臺尺寸均為14.3m×10.4m×3m，上設1.5m加臺，加臺尺寸為10.8m×6.1m×1.5m。67#鋼圍堰頂標高+11.93m，承臺底標高-1.068m，基坑深度15.5m；68#鋼圍堰頂標高+12.05m，承臺底標高-0.946m，基坑深度15.5m；69#鋼圍堰頂標高+12.18m，承臺底標高-0.825m，基坑深度15.5m。設計采用施工水位標高+11.52m，現(xiàn)場實測水位+7.327m。承臺位置地質(zhì)情況為：第一層土為細沙層（+5.41m～+0.91m）；第二層土為粉質(zhì)粘土（標高+0.91m～-0.09m）；第三層土為中砂（標高-0.09m～-10.49m）。

2.2 設計參數(shù)

鋼圍堰堰長16.5m，寬12.4m，高15.5m，圍堰壁厚1m，C30封底混凝土厚2.0m。圍堰豎向分為A、B、C三個節(jié)段，A節(jié)段高度6m（含刃角高度1m），B節(jié)段高度4.5m，C節(jié)段高度5m，其中A節(jié)段內(nèi)艙填充C15混凝土4m。平面劃分為I、II、III、IV四型共14個單元，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型長度均為3.9m，Ⅱ型單元為直角單元，外側長4.6m，內(nèi)側長2.6m；A節(jié)段環(huán)向肋間距1m，B/C節(jié)段環(huán)向肋間距均為0.5m，豎肋間距均為0.3m。在內(nèi)支撐位置豎向通長設置加強桁架。雙壁鋼圍堰縱向設置3道支撐，橫向設置2道支撐，第一道內(nèi)支撐在圍堰頂標高以下3m處，第二道內(nèi)支撐設置在圍堰頂以下9.5m處，內(nèi)支撐采用φ630×10鋼管，豎向兩層內(nèi)支撐之間豎向連接采用φ426×8鋼管。

圖1 圍堰立面布置圖

2.3 有限元計算

本文對67#墩承臺矩形雙壁鋼圍堰采用有限元分析軟件MIDAS/CIVIL 2015，按實際施工流程建立其施工階段模型。圍堰內(nèi)外壁采用板單元模擬；內(nèi)支撐、豎肋、環(huán)肋及橫撐采用梁單元模擬；封底混凝土、夾壁混凝土采用實體單元模擬。封底混凝土底部所有節(jié)點各向固結。靜水壓力采用板單元荷載形式施加。

圖2 圍堰平面布置圖

圖3 圍堰有限元模型

3 矩形鋼圍堰應力監(jiān)測及預警方案

為了獲知鋼圍堰結構在施工過程中的真實受力狀況，需要對鋼圍堰進行應力監(jiān)測。通過在關注截面位置布置應變測點并粘貼傳感器，獲取關注截面位置的實測應變值，并通過胡克定律得到其應力值。通過分析比較各測點的應力數(shù)據(jù)，了解結構的真實受力狀況，對圍堰結構的工作性能進行狀態(tài)評估并預警。

3.1 應力測點方案

應力監(jiān)測分別對內(nèi)支撐、內(nèi)壁、環(huán)肋、豎肋以及平撐進行測試。應變計在抽水前的結構低應力狀態(tài)下進行安裝，并讀取初始讀數(shù)。在抽水過程中，以每抽水1m進行一次測試的頻率對結構各測點進行應力監(jiān)測。

①內(nèi)支撐軸向應力測點平行于鋼管軸線，由于上層內(nèi)支撐在施工常水位之上，故僅對下層內(nèi)支撐受力最大的橫向中管布置兩個測點，平行布置在跨中處；

②由于夾壁混凝土位于節(jié)段A范圍內(nèi)，其余節(jié)段為空腔段，空腔段以節(jié)段B受力最為不利。因此，內(nèi)壁、環(huán)肋、豎肋以及平撐的測點立面位置均位于節(jié)段B的底部；平面位置位于圍堰縱橫兩條中軸線上，對稱布置。

圖4 測點布置平面圖

3.2 應力預警方案

對于大型水下基坑施工而言，鋼圍堰結構的重要性十分突出。由于在設計水位普遍較高，考慮了較大的安全儲備，而施工中可能出現(xiàn)的穿水、傾斜等各種異常情況的風險不可預估。因此以鋼材強度為預警值顯然不能對結構的工作狀態(tài)做出及時的判斷?；谟邢拊治鼋Y果，本文提出如下兩條準則作為預警方案：

①采用鋼材強度的50%作為實測應力預警線；

②采用測點變化趨勢分析作為結構狀態(tài)的異常預警準則。

圖5 圍堰壁上測點布置立面圖

67#鋼圍堰應力預警值（單位：MPa） 表1

當應力測點測試值出現(xiàn)異常值時，暫停抽水，結合測點變化趨勢及其他測點測試值綜合分析，決定下一步施工。

4 應力監(jiān)測及預警結果

在圍堰抽水期間，杭埠河施工區(qū)域水位無明顯變化，保持在+7.327m左右，夾壁水位維持砼面以上8m不變。抽水之前，利用連通管使圍堰壁內(nèi)水位同壁外水位一致，抽水時關閉連通管。

圖6～圖10分別為內(nèi)支撐、環(huán)肋、豎肋、內(nèi)壁及平撐部位各測點的理論計算值及實測值對比圖：

由圖6～圖10可知：

①圍堰內(nèi)支撐、環(huán)肋、豎肋、內(nèi)壁及平撐各測點的實測值均未達到預警值；且各測點的實測應力與理論應力變化趨勢基本一致，規(guī)律明顯。說明圍堰在抽水施工期間是安全的。

圖6 內(nèi)支撐理論與實測應力（單位：）

圖7 環(huán)肋理論與實測應力（單位：）

圖8 豎肋理論與實測應力（單位：）

②圍堰內(nèi)水位自+7.327m開始下降，而各測點的位置均位于2.02m左右，兩者高差5.307m。所以在剛開始抽水階段，由于圍堰內(nèi)水位的下降，各測點受到較大的影響。當抽水至2.0m時，內(nèi)支撐最大應力變化達到了46.8，環(huán)肋最大應力變化達到了78.7，豎肋最大應力變化達到了35.7，內(nèi)壁最大應力變化達到了28.9，平撐最大應力變化達到了60.9。之后各測點的應力基本不再變化。這是因為圍堰內(nèi)水位在各測點高程之下，后續(xù)的水位下降對各測點已無明顯影響。

③各測點的實測值均小于理論計算值。這是由于在有限元計算時采用的邊界條件以及其他模型參數(shù)與實際情況有所偏差導致。

5 結論

在當前的鋼圍堰施工中，對圍堰應力的監(jiān)測尚不多見，這是由于圍堰結構的應力變化不如位移及變形來得直接。然而，當圍堰結構發(fā)生位移或變形時，事故的發(fā)展往往劇烈而快速。

圖9 內(nèi)壁理論與實測應力（單位：）

圖10 平撐理論與實測應力（單位：）

合安鐵路HAZQ-2標段杭埠河特大橋67#～69#墩承臺鋼圍堰的監(jiān)測經(jīng)驗表明，對鋼圍堰的應力監(jiān)測是可行的。當結構發(fā)生狀態(tài)變化時，其內(nèi)在應力往往會提前出現(xiàn)異常，通過對應力的監(jiān)測，工程師可提前發(fā)現(xiàn)施工異常。通過本文提出的預警方案，工程師可方便掌控圍堰結構的真實內(nèi)在狀態(tài)，可有效避免圍堰結構已外顯出變形和位移時的不可控。這與鋼圍堰的位移及變形監(jiān)測可形成良好的互補，為大型鋼圍堰的施工監(jiān)測提供了良好的借鑒意義，進而可為鋼圍堰的設計提供反饋，節(jié)省工程造價。