王思文，歐陽華，羅 華

(1.中交一公局第八工程有限公司，天津 300000； 2. 中交一公局橋隧工程有限公司，長沙 410114；3.湖南理工學(xué)院，湖南 岳陽 414000)

深水基礎(chǔ)承臺(tái)是跨江、跨河、跨海的大跨徑橋梁的控制性工程，受自然條件和技術(shù)原因的影響，其施工往往不易控制，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。20世紀(jì)70年代，鋼圍堰在修建九江長江大橋時(shí)首次使用，并憑借其在簡化施工工序、縮短工期方面的優(yōu)勢得到了迅速推廣。在安慶長江大橋[1-3]、武漢鸚鵡洲長江大橋[4]、郁江特大橋[5]、荊州長江公路大橋[6]和嘉紹大橋[7]等深水基礎(chǔ)建設(shè)中都得到了應(yīng)用，逐漸成為橋梁深水基礎(chǔ)施工的主要方式。由于受力和施工環(huán)境復(fù)雜，橋梁深水圍堰和深水施工平臺(tái)的施工安全至關(guān)重要，一旦發(fā)生安全事故將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。因此，橋梁深水基礎(chǔ)施工非常復(fù)雜，對(duì)其施工過程進(jìn)行研究非常重要。重慶既是山城，又是江城，主要靠橋梁來跨越山水連接各區(qū)，山區(qū)河流彎曲，河道狹窄，水流流速高，尤其洪水期橋位處水流速度更大，橋梁基礎(chǔ)施工需承受較大水流壓力，施工難度非常大。國內(nèi)很多學(xué)者對(duì)重慶地區(qū)的橋梁深水基礎(chǔ)鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行了相關(guān)研究。鄧宇等[8]以重慶紅巖村嘉陵江大橋深水基礎(chǔ)為例，重點(diǎn)分析了鋼圍堰的受力、變形及穩(wěn)定性；鄭育林等[9]以重慶軌道交通六號(hào)線二期蔡家嘉陵江大橋主橋?yàn)槔?，?duì)雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力情況進(jìn)行了分析；耿波等[10]以重慶忠縣長江大橋雙壁鋼圍堰為背景，詳細(xì)介紹了深水橋墩大型雙壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)計(jì)算過程；張鵬飛等[11]以重慶豐都長江二橋主墩深水基礎(chǔ)施工為例，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件提出了適用于現(xiàn)場的鋼圍堰施工技術(shù)；劉小勇等[12]基于重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋特殊的地質(zhì)條件，分析了在基礎(chǔ)開挖空間受限情況下雙壁鋼圍堰封底的施工方法。

龍溪嘉陵江特大橋是重慶三環(huán)高速公路合川至長壽段重要控制性工程，該橋總長1 053 m，寬43.5 m，雙向8車道，是重慶市最寬的公路橋梁，主橋8#、9#墩水下施工最深達(dá)25 m，屬于深水基礎(chǔ)。在深水環(huán)境下進(jìn)行該橋梁基礎(chǔ)施工，面臨以下主要難題：

1) 水流沖擊力、水力比淺水環(huán)境下大。

2) 洪峰、洪水等自然災(zāi)害對(duì)施工的影響較淺水環(huán)境下大。

3) 橋梁深水基礎(chǔ)施工一般不太可能在一個(gè)枯水期內(nèi)完成，甚至要考慮常年豐水期進(jìn)行施工，基礎(chǔ)施工所采用的圍堰安全渡洪問題較淺水基礎(chǔ)難度大。

目前國內(nèi)對(duì)深水基礎(chǔ)鋼圍堰渡洪問題無相關(guān)研究，為此本文以龍溪嘉陵江特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)該橋主橋8#橋墩深水基礎(chǔ)鋼圍堰安全渡洪問題進(jìn)行分析，為類似環(huán)境條件下鋼圍堰的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 工程概況

龍溪嘉陵江特大橋主橋?yàn)?108+200+108)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，如圖1所示。

注：除標(biāo)高以m計(jì)外，其余均為cm。

橋位置于嘉陵江和涪江匯合口約10.8 km處，具有典型的山區(qū)河流特征，洪水主要由暴雨形成，洪峰流量變幅大。一般枯水期在12月到次年3月，中洪水期在4月到11月，最大洪峰多發(fā)生在7月—9月。據(jù)訪問及現(xiàn)場洪痕調(diào)查，橋位水位平均保持在+203 m，根據(jù)GB/T 51295—2018《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[13]，鋼圍堰頂部設(shè)計(jì)高程比設(shè)計(jì)最高水位應(yīng)高出0.5 m～1.0 m，故鋼圍堰頂標(biāo)高設(shè)計(jì)為+203.5 m。嘉陵江上游涪江50年一遇洪峰流量為35 000 m3/s，河流斷面最大水流速為3.5 m/s。橋位區(qū)位于合川向斜南東翼，巖層呈單斜狀產(chǎn)出，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組，未見滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，部分鉆孔中見軟弱夾層。8#主墩位于嘉陵江河床主河道合川側(cè)，河床砂卵石覆蓋層約4 m～7 m，在承臺(tái)中部隆起，承臺(tái)兩側(cè)河床地勢較低，承臺(tái)范圍內(nèi)最大高差約為4.15 m，卵石覆蓋層地基承載力為400 kPa。

2 8#鋼圍堰渡洪方案

2.1 圍堰設(shè)計(jì)

8#主墩位于嘉陵江河床主河道合川側(cè)，承臺(tái)兩側(cè)河床地勢較低，橋墩承臺(tái)約有1/3埋入河床。綜合考慮施工條件、材料用量、安全風(fēng)險(xiǎn)、水流條件等各種因素，8#橋墩基礎(chǔ)采用雙壁鋼套箱圍堰施工，其設(shè)計(jì)總體布置如圖2所示，圍堰長47.8 m，寬17.8 m，壁厚1.5 m，圍堰高25 m。

2.2 圍堰施工流程

圍堰豎向分為4節(jié)，每節(jié)側(cè)板分為8塊。平面共設(shè)置28道隔艙板，其中12道為封閉的，將圍堰側(cè)板分為12個(gè)不透水的隔艙。鋼圍堰內(nèi)共設(shè)置3層內(nèi)支撐，每層5道。鋼圍堰主要施工步驟如下：

1) 先搭設(shè)鋼棧橋和鉆孔平臺(tái)進(jìn)行鉆孔樁施工，并同步進(jìn)行雙壁鋼圍堰加工。

2) 利用原樁基鋼護(hù)筒作為支撐，搭建臨時(shí)拼裝平臺(tái)，并在平臺(tái)上拼裝鋼圍堰第1節(jié)、第2節(jié)。

3) 接高樁基鋼護(hù)筒并安裝提升下放裝置。

4) 提升并下放鋼圍堰底節(jié)至自浮狀態(tài)(此時(shí)鋼圍堰吃水約3.7 m)。

5) 拆除提升下放裝置，澆筑圍堰刃腳范圍內(nèi)的混凝土。

6) 利用龍門吊浮態(tài)接高第3節(jié)鋼圍堰，并向鋼圍堰隔艙內(nèi)注水下沉，直至鋼圍堰吃水約7 m。

7) 浮態(tài)接高第4節(jié)鋼圍堰(此時(shí)鋼圍堰吃水約9.6 m)，繼續(xù)向鋼圍堰隔艙內(nèi)注水，待刃腳下沉至河床底穩(wěn)定后，進(jìn)行鋼圍堰內(nèi)吸泥，使鋼圍堰下沉至設(shè)計(jì)高程。

8) 鋼圍堰封底。

9) 進(jìn)行承臺(tái)施工以及墩身施工。

2.3 鋼圍堰渡洪措施

1) 鋼圍堰拼裝時(shí)，需增加吊裝及焊接設(shè)備加快拼裝，確保洪水來臨前拼裝完成。

(a) 圍堰立面

(b) 圍堰平面

(c) 圍堰側(cè)面

2) 鋼圍堰在臨時(shí)平臺(tái)上拼裝完成后，為保證圍堰的穩(wěn)定，在圍堰壁板上焊接導(dǎo)向架，以阻擋鋼圍堰位置平移，且保證在接到洪水通知后24 h內(nèi)完成焊接工作。

3) 用Φ1 020 mm的鋼管將迎水面的鋼護(hù)筒連接起來，并且在鋼護(hù)筒內(nèi)部灌砂至護(hù)筒頂部，增加鋼護(hù)筒的抗力以維持圍堰在洪水期的穩(wěn)定性。

鋼圍堰渡洪措施平面布置示意如圖3所示，鋼圍堰拼裝時(shí)渡洪結(jié)構(gòu)側(cè)面示意如圖4所示。

圖3 8#鋼圍堰渡洪布置示意

注：除標(biāo)高以m計(jì)外，其余均為mm。

3 8#鋼圍堰渡洪分析

采用有限元軟件Midas civil建立整體模型，水平環(huán)板、水平角鋼及內(nèi)支撐采用梁單元模擬，壁板和隔艙板采用帶肋板單元模擬。8#鋼圍堰渡洪計(jì)算模型如圖5所示。圍堰主體材料均為Q235B，按理想彈塑性材料建模，采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則，材料彈性模量E為2.1×105MPa，泊松比μ為0.3，密度ρ為7 850 kg/m3。

洪水期橋位處流速按3.5 m/s考慮，雙壁鋼圍堰需承受較大水流力的作用，建模時(shí)將水流力以倒三角形式分配于流水壓力面上。根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，作用在圍堰側(cè)板迎水面上的流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

(1)

式中：K為水流阻力系數(shù)；A為計(jì)算構(gòu)件在流向垂直平面上的投影面積，m2；γ為水容重，取10 kN/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；v為水流速度，取洪水期橋位處流速3.5 m/s。

(a) 圍堰整體模型

根據(jù)有限元數(shù)值模擬計(jì)算，各節(jié)段圍堰渡洪過程中水平環(huán)板、導(dǎo)向架及鋼護(hù)筒應(yīng)力如表1所示。由表1可知，洪水期鋼圍堰各節(jié)段拼裝下放過程中，鋼圍堰拼裝完成并下沉到位時(shí)處于最不利狀態(tài)，該階段水平環(huán)板最大應(yīng)力為158 MPa(拉應(yīng)力)，如圖6所示；導(dǎo)向架最大應(yīng)力為90 MPa(壓應(yīng)力)，如圖7所示；鋼護(hù)筒最大應(yīng)力為80 MPa(壓應(yīng)力)，如圖8所示，故水平環(huán)板、導(dǎo)向架和鋼護(hù)筒的強(qiáng)度均滿足JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]的強(qiáng)度要求。

表1 8#鋼圍堰渡洪強(qiáng)度校核

注：以拉應(yīng)力為正, 單位MPa。

注：以拉應(yīng)力為正，單位MPa。

經(jīng)分析，鋼圍堰還未封底且處于淹沒狀態(tài)下是圍堰穩(wěn)定性最不利工況，對(duì)此種工況下鋼圍堰地基

注：以拉應(yīng)力為正, 單位MPa。

承載力和整體穩(wěn)定性進(jìn)行檢算。

華北油氣分公司研究院以 “責(zé)任擔(dān)當(dāng)、創(chuàng)新進(jìn)取、幸福和諧” 建設(shè)為抓手，提升科研支撐能力，助力油氣田高效開發(fā)。

1) 水流力

8#鋼圍堰為圓端形，參考JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》取K=0.6，圍堰在流向垂直平面上的投影面積為17.8 m2，按式(1)計(jì)算水流力，圍堰所受水流力為：

(2)

2) 圍堰自重

灌滿水后，圍堰結(jié)構(gòu)自重主要包括鋼結(jié)構(gòu)自重部分和圍堰側(cè)板內(nèi)灌注混凝土重量。考慮浮力，經(jīng)有限元計(jì)算，圍堰重9 467.8 kN，側(cè)板內(nèi)灌混凝土重192 663.8 kN，則圍堰作用于基底的總豎向力N為：

N=9 467.8+192 663.8=28 734.6 kN

(3)

3) 地基承載力計(jì)算

經(jīng)有限元計(jì)算，水流合力作用點(diǎn)距離圍堰底覆蓋層頂面的距離H為16.7 m，則水流作用下，圍堰所受最大傾覆力矩為：

M0=1 668.8×16.7=27 869.0 kN

(4)

經(jīng)有限元計(jì)算，圍堰底部截面的面積A為85.2 m2，抗彎截面系數(shù)W=854.5 m3，地基承載力為400 kPa，則水流作用下，圍堰結(jié)構(gòu)對(duì)基底覆蓋層產(chǎn)生的最大應(yīng)力為：

(5)

369.9 kPa<400 kPa，地基承載力滿足JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

4) 水平滑移穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[13]第4.5.4規(guī)定，鋼套箱圍堰整體抗滑移按下式計(jì)算：

Fhk=(G1+G2-Fw)f

(6)

式中：K1為水平抗滑移安全系數(shù)，取1.3；G1為鋼圍堰自重標(biāo)準(zhǔn)值，kN；G2為圍堰上部其他結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值，kN，包括圍堰結(jié)構(gòu)內(nèi)腔中預(yù)灌注的混凝土及其他起穩(wěn)定作用的自重等；Ea、Ep分別為鋼圍堰外主動(dòng)、被動(dòng)土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Fhk為鋼圍堰與基底土層的摩擦力合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Fwl為鋼圍堰受到的靜水壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；f為圍堰結(jié)構(gòu)與土的摩擦系數(shù)；∑Fid為動(dòng)水壓力、風(fēng)荷載、波浪力、冰壓力、系纜力等可變荷載合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

由式(6)可知Ep+Fhk為抗滑移力；∑Fid+Ea+Fwl為滑移力。圍堰結(jié)構(gòu)與底部接觸面的摩擦系數(shù)f取為0.3，由式(3)可知圍堰作用于基底的圍堰作用于基底的總豎向力N為28 734.6 kN，則由摩擦產(chǎn)生的最大水平抗力RH為：

RH=fN=0.3×28 734.6=8 620.4 kN

(7)

由式(2)可知，使圍堰滑移的水流力Fw為 1 668.8 kN，則圍堰的整體抗滑移穩(wěn)定系數(shù)為：

(8)

5.2>1.3，因此，圍堰水平抗滑移穩(wěn)定性滿足文獻(xiàn)[13]的要求。

5) 抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[13]第4.5.3規(guī)定，鋼套箱圍堰整體抗傾覆應(yīng)以背水面腳趾為中心，按下式計(jì)算：

(9)

式中：K2為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，取1.5；Ffk為圍堰與土層的摩擦力合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Fw1為鋼圍堰受到的水浮力標(biāo)準(zhǔn)值，kN，當(dāng)圍堰底位于透水層上時(shí)，計(jì)入波浪浮托力的影響；ha為圍堰結(jié)構(gòu)底端與Ea作用點(diǎn)的距離，m；hp為圍堰結(jié)構(gòu)底端與Ep作用點(diǎn)的距離，m；hwl為圍堰結(jié)構(gòu)底端與Fwl作用點(diǎn)的距離，m；hid為圍堰結(jié)構(gòu)底端與∑Fid作用點(diǎn)的距離，m；R為重心位置到圍堰背水面腳趾力矩，m；Rw為浮力合力重心到圍堰背水面腳趾力矩，m。

由式(9)可知(G1+G2+Ffk)R-FwRw+Ephp為抗傾覆力矩；Eaha+Fwlhwl+∑Fidhid為傾覆力矩。由圖2(b)可知，圍堰的重心離端部的距離為23.9 m，則由式(3)可知，考慮浮力下圍堰自重28 734.6 kN，產(chǎn)生的抗傾覆力矩MR為：

MR=28 734.6×23.9=686 756.9 kN

(10)

由式(4)可知圍堰所受最大傾覆力矩為27 869 kN·m，則圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為：

(11)

24.6>1.5，因此，圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定性滿足文獻(xiàn)[13]的要求。

4 結(jié)束語

1) 根據(jù)龍溪嘉陵江特大橋主橋8#墩圍堰在深水、大流速、淺覆蓋層條件下渡洪的要求，采取鋼護(hù)筒內(nèi)灌砂、鋼護(hù)筒與圍堰固結(jié)、迎水面鋼護(hù)筒連接、焊接螺旋狀鋼筋環(huán)提高鋼護(hù)筒與封底混凝土粘結(jié)力等渡洪措施，解決了深水、大流速、淺覆蓋層條件下鋼圍堰施工的穩(wěn)定問題。

2) 采用有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)圍堰水平環(huán)板、導(dǎo)向架以及鋼護(hù)筒的最大應(yīng)力進(jìn)行分析，表明洪水條件下，鋼圍堰渡洪結(jié)構(gòu)在施工過程中其強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3) 采用規(guī)范計(jì)算方法，對(duì)圍堰的水流力、圍堰自重、圍堰地基承載力、圍堰水平滑移穩(wěn)定性及圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求，說明鋼圍堰渡洪方案設(shè)計(jì)和施工可行。