姚志安

(深中通道管理中心， 廣東 中山 528400)

1 工程背景

深中通道是我國繼港珠澳大橋后在建的又一世界級(jí)“橋、島、隧、地下互通”集群工程，路線起于廣深沿江高速機(jī)場互通立交，與深圳側(cè)連接線對(duì)接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新區(qū)馬鞍島上岸，終于橫門互通。深中通道北距虎門大橋約30km，南距港珠澳大橋38km，全長24km，其中8車道特長海底沉管隧道將開創(chuàng)世界先例。深中通道東泄洪區(qū)非通航孔橋?yàn)榈冉孛驿撓淞簶颍鐝讲贾脼?4×(6×110)m，全長2640m。5#～14#承臺(tái)處于深水區(qū)，15#～27#承臺(tái)處于淺水區(qū)。東泄洪區(qū)非通航孔橋橋墩承臺(tái)屬埋置式承臺(tái)，其中5#～8#采用分幅式承臺(tái)，平面尺寸為9.5m×9.5m，高3.5m；9#～27#墩采用整體式承臺(tái)，平面尺寸為16.5m(橫橋向)×10.5m(縱橋向)，高4.5m。

深水承臺(tái)施工是跨海大橋下部結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[1-2]。因此，有必要對(duì)其施工難點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出針對(duì)性的防控措施[3-5]。結(jié)合結(jié)構(gòu)特征和橋址施工環(huán)境，可知深中通道東泄洪區(qū)非通航孔橋承臺(tái)施工難點(diǎn)為： ① 橋址位于臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)域，易受臺(tái)風(fēng)的影響，承臺(tái)施工將經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)期，將對(duì)組織和安全帶來不利的影響，增大承臺(tái)施工的風(fēng)險(xiǎn)和難度； ② 5#～14#墩承臺(tái)水頭大，承臺(tái)施工圍堰基坑水頭差最大達(dá)19.7m，對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求高，安全風(fēng)險(xiǎn)大；③ 圍堰內(nèi)支撐數(shù)量較多，對(duì)施工便利性、吊裝作業(yè)有一定影響，同時(shí)在支撐體系轉(zhuǎn)換上較為繁瑣；④ 周邊航道眾多，通航等級(jí)高，航運(yùn)繁忙，穿越橋軸線的船舶密集，對(duì)施工干擾大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

為應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的施工安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)承臺(tái)的施工及其圍堰進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以保證承臺(tái)施工順利進(jìn)行。本文闡述了東泄洪區(qū)非通航孔橋承臺(tái)的鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工，對(duì)其進(jìn)行了抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)，并對(duì)不利工況進(jìn)行了驗(yàn)算。

2 承臺(tái)施工

深中通道東泄洪區(qū)非通航孔橋承臺(tái)施工流程如圖1所示。

圖1 承臺(tái)施工流程

承臺(tái)施工要點(diǎn)為：① 鉆孔平臺(tái)拆除，鋼管樁采用135 t履帶吊配合DZJ-120型振動(dòng)錘逐跨從下游到上游依次拆除；采用135 t履帶吊按安裝順序逆向拆除平臺(tái)其他結(jié)構(gòu)。② 鋼板樁圍堰施工,圍堰使用逆作法進(jìn)行施工，即先進(jìn)行圍檁整體拼裝下放，然后施沉鋼板樁，待墩身施工出水后再進(jìn)行圍堰拆除。③ 封底混凝土澆筑，封底混凝土采用C25水下混凝土，均采用導(dǎo)管法一次澆筑到位。④ 鋼筋綁扎安裝，鋼筋半成品在鋼筋集中配送中心加工完成后運(yùn)至施工現(xiàn)場，現(xiàn)場采用135t履帶吊裝；承臺(tái)鋼筋按照“底層→側(cè)面→頂層”的順序綁扎;鋼筋施工過程中注意預(yù)埋件、墩身鋼筋、冷卻水管的預(yù)埋。⑤ 承臺(tái)混凝土澆筑，所有承臺(tái)均一次澆筑成型；混凝土分層布料，單層澆筑高度不超過30cm；混凝土頂面采用土工布覆蓋，灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于14d。⑥ 鋼板樁圍堰拆除，鋼板樁圍堰采用135 t履帶吊配合DZJ-120型振動(dòng)錘進(jìn)行拆除；墩身施工出水后，逐層灌水到每層圍檁的位置進(jìn)行拆除；最后拆除鋼板樁。為保護(hù)圍堰在臺(tái)風(fēng)期間的安全性，相應(yīng)可設(shè)置臨時(shí)支撐作為安全措施。

為保證板樁圍堰臺(tái)風(fēng)期安全性，臺(tái)風(fēng)來臨之前須提前做好安全防護(hù)措施[6-9]。在封底澆筑之前，須在頂部2層圍囹與鄰近的鋼護(hù)筒之間設(shè)置臨時(shí)支撐，支撐兩端設(shè)置節(jié)點(diǎn)板?？古_(tái)風(fēng)期間，圍堰內(nèi)須回灌水使之與外側(cè)水位齊平。若上游側(cè)鋼護(hù)筒已經(jīng)割除，則應(yīng)提前在中部鋼護(hù)筒與下游側(cè)鋼管撐之間設(shè)置臨時(shí)支撐；若全部鋼護(hù)筒都已割除，則應(yīng)提前在封底頂部與底層圍囹之間設(shè)置臨時(shí)支撐(2HM588×300)，臨時(shí)支撐在圍堰迎浪一側(cè)布置數(shù)量不少于4道。

3 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本著模塊化設(shè)計(jì)、統(tǒng)一化生產(chǎn)和施工的原則，對(duì)圍堰進(jìn)行了設(shè)計(jì)。所有承臺(tái)均采用帽型鋼板樁圍堰，僅尺寸和局部構(gòu)造不同。為節(jié)省篇幅，本文僅對(duì)3種圍堰設(shè)計(jì)概況進(jìn)行列表匯總，如表1所示。

表1 圍堰設(shè)計(jì)匯總m圍堰編號(hào)常水位設(shè)計(jì)低水位設(shè)計(jì)高潮位圍堰底標(biāo)高圍堰頂標(biāo)高封底厚度承臺(tái)尺寸圍堰尺寸 5#～8# +0.52-1.06+3.01-25.0+5.04.015.06×14.8212.70×12.46 9#～14#+0.52-1.06+3.01-25.0+5.04.522.16×16.2619.6×13.715#～27#+0.52-1.06+3.01-22.0+5.03.822.16×16.2619.6×13.7

5#～8#墩采用4 根Φ2.2m 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，9#～27#墩采用6根Φ2.2m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。各個(gè)承臺(tái)圍堰均采用45H+HN800 組合板樁，其中5#～14#承臺(tái)圍堰位于深水區(qū)，單根鋼板樁30m；15#～27#承臺(tái)圍堰位于淺水區(qū)，單根鋼板樁27m。

每個(gè)圍堰均設(shè)置3層內(nèi)撐圍囹。其中5#～8#墩圍堰底下2層使用雙拼HN800×300和雙拼HN700×300型鋼加工；頂層使用雙拼HN700×300和雙拼 HM588×300型鋼加工。9#～14#圍堰各層內(nèi)撐圍囹均使用雙拼HN700×300(角撐)、雙拼HN800×300(圈梁)型鋼和Φ800×10螺旋鋼管加工。15#～17#圍堰底下2層使用HN800×300型鋼、 HM588×300和Φ800×10鋼管加工；頂層使用HN700×300型鋼、 HM588×300和Φ800×10鋼管加工。

限于篇幅，本文僅給出代表性的14#圍堰設(shè)計(jì)圖，如圖2、圖3所示。臺(tái)風(fēng)期間抗臺(tái)風(fēng)臨時(shí)支撐如圖4所示。臺(tái)風(fēng)來臨期間，如果鋼護(hù)筒尚未割除，應(yīng)將圍堰與護(hù)筒建立可靠臨時(shí)連接；如果護(hù)筒已經(jīng)割除，應(yīng)提前在封底頂部與圍囹之間設(shè)置斜撐，在圍堰的迎浪側(cè)面布置不少于3道。臺(tái)風(fēng)來臨前，圍堰內(nèi)必須回灌水使之與外側(cè)水位齊平。

圖2 14#墩承臺(tái)圍堰設(shè)計(jì)立面圖(單位： mm)

圖3 14#墩承臺(tái)內(nèi)撐圍囹結(jié)構(gòu)尺寸圖(單位： mm)

圖4 14#墩承臺(tái)抗臺(tái)風(fēng)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)圖(單位： mm)

4 鋼板樁圍堰有限元模擬分析

4.1 圍堰整體計(jì)算模型說明

深中通道東泄洪區(qū)非通航孔鋼板樁使用Midas Civil進(jìn)行整體建模計(jì)算。模型中，鋼板樁和內(nèi)撐桁架結(jié)構(gòu)均使用梁單元進(jìn)行模擬，相鄰鋼板樁之間的連接參考梁格法進(jìn)行設(shè)置。鋼板樁的底部設(shè)置豎向約束，并在混凝土封底處設(shè)置水平位移約束，被動(dòng)土壓力使用彈簧支撐進(jìn)行模擬。鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的整體模型見圖5。

a) 5#～8#鋼板樁圍堰

b) 9#～14#鋼板樁圍堰

c) 15#～27#鋼板樁圍堰

4.2 施工工況計(jì)算

驗(yàn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，自重取1.2倍荷載系數(shù)，水土壓力取1.3倍荷載系數(shù)，波浪力和流水壓力均取1.5倍荷載系數(shù)；驗(yàn)算結(jié)構(gòu)變形時(shí)，所有荷載的荷載系數(shù)均取1.0。

模擬分析了3個(gè)最不利工況，分別為： ① 堰內(nèi)抽水工況。荷載組合為：1.2×自重+1.5×流水壓力+1.3×水土壓力+1.5×波浪力(浪高0.5m)。流水壓力和波浪力同時(shí)垂直作用在圍堰的2個(gè)側(cè)面上。② 體系轉(zhuǎn)換工況。此時(shí)為承臺(tái)施工完成后，回灌水至承臺(tái)頂標(biāo)高，安裝圍囹斜撐并拆除鋼管支撐。荷載組合為：1.2×自重+1.5×流水壓力+1.3×水土壓力+1.5×波浪力(浪高0.5m)。流水壓力和波浪力同時(shí)垂直作用在圍堰的2個(gè)側(cè)面上。③ 臺(tái)風(fēng)工況。流水壓力同時(shí)垂直作用在圍堰的2個(gè)側(cè)面上(長邊和短邊各1個(gè))，且長邊側(cè)面同時(shí)考慮波浪力作用。荷載組合為：1.2×自重+1.5×流水壓力+1.3×水土壓力+1.5×波浪力(浪高2.03m)。

4.3 分析結(jié)果

限于篇幅，本文僅展示14#鋼板樁圍堰的計(jì)算結(jié)果,各工況作用下的結(jié)果匯總?cè)绫?所示。工況3的應(yīng)力云圖和位移云圖分別見圖6、圖7。

表2 14#鋼板樁圍堰計(jì)算結(jié)果MPa結(jié)構(gòu)構(gòu)件工況1最大應(yīng)力工況2最大應(yīng)力工況3最大應(yīng)力容許應(yīng)力正應(yīng)力剪應(yīng)力正應(yīng)力剪應(yīng)力正應(yīng)力剪應(yīng)力正應(yīng)力剪應(yīng)力NS-SP-45H+HN800×300(鋼板樁)195.299.9197.6120.1119.923.6265150第1層內(nèi)撐2HN800×300(圈梁)85.431.9161.931.349.812.2295170第1層內(nèi)撐2HN700×300(斜撐)56.84.159.48.133.14.9205120第2層內(nèi)撐2HN800×300(圈梁)139.157.6168.036.836.214.0295170第2層內(nèi)撐2HN700×300(斜撐)92.31.176.83.615.91.5205120第3層內(nèi)撐2HN800×300(圈梁)195.182.9141.144.4162.757.2295170第3層內(nèi)撐2HN700×300(斜撐)127.62.359.61.345.82.0205120抗臺(tái)風(fēng)臨時(shí)斜撐2HM588×300————97.92.2205120

圖6 工況3應(yīng)力云圖

圖7 工況3位移云圖

各工況作用下結(jié)構(gòu)變形最大值分別為33.9、52.3、50.6 mm，均遠(yuǎn)小于允許的最大變形100mm。對(duì)各內(nèi)支撐及其連接進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。此外，對(duì)圍堰在坑底涌砂、抗浮、基坑抗隆起和嵌固穩(wěn)定性進(jìn)行了手算，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)和施工要求。

綜上所述，鋼板樁圍堰在各不利工況下其剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

針對(duì)深中通道東泄洪區(qū)非通航孔橋的承臺(tái)施工難點(diǎn)，本著模塊化設(shè)計(jì)、統(tǒng)一化生產(chǎn)和施工的原則，對(duì)25個(gè)承臺(tái)進(jìn)行了鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)。對(duì)鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)和施工方法進(jìn)行了闡述，并采用局部臨時(shí)加強(qiáng)措施抵抗可能出現(xiàn)的臺(tái)風(fēng)影響。利用有限元軟件對(duì)圍堰施工在抽水、體系轉(zhuǎn)換和臺(tái)風(fēng)等不利工況進(jìn)行了模擬分析，對(duì)圍堰在坑底涌砂、抗浮、基坑抗隆起和嵌固穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：鋼板樁內(nèi)支撐最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為197.6MPa和120.1MPa，結(jié)構(gòu)最大變形為52.3mm，其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)和施工要求。