蔣暉 李志勁 李沛洪

廣州市第二市政工程有限公司 510060

引言

承臺(tái)作為橋梁承受荷載的重要結(jié)構(gòu)之一，其施工是橋梁施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此需要對(duì)承臺(tái)施工進(jìn)行質(zhì)量控制，其中鋼圍堰作為承臺(tái)施工的輔助設(shè)施需要得到必要的關(guān)注。眾多學(xué)者對(duì)承臺(tái)施工展開(kāi)研究，例如黃松雄、張志安等對(duì)深水圍堰施工技術(shù)進(jìn)行研究［1-4］，蔡曉男、戴良軍等對(duì)特殊地質(zhì)條件雙壁圍堰施工進(jìn)行研究［5-10］。深大承臺(tái)施工越來(lái)越廣泛，隨著鋼圍堰施工出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)如鋼板樁變形垮塌、漏水現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生［11-13］，作為承臺(tái)施工的先行環(huán)節(jié)鋼圍堰安全性值得深入研究。本文針對(duì)處于潮汐變化、淤泥質(zhì)砂和強(qiáng)風(fēng)化泥巖的軟弱地質(zhì)條件鋼板樁圍堰進(jìn)行安全性分析，采用有限元軟件建立鋼板樁圍堰，設(shè)置邊界、荷載、工況條件，分析危險(xiǎn)工況條件下鋼板樁圍堰變形和受力特性，在計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求條件下進(jìn)行圍堰施工，保證了工程的安全，為同類(lèi)型項(xiàng)目施工提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程及地質(zhì)概況

南浦三橋主橋跨越大石水道，寬約160m，河床底標(biāo)高介于-0.86m ～2.42m。由于大石水道屬感潮河道，潮汐類(lèi)型為不規(guī)則半日潮，每日有兩漲兩落，往復(fù)流明顯，其水位主要受潮流控制，河道水位標(biāo)高介于4.36m ～6.04m 之間。主橋的8＃、9＃樁位河床標(biāo)高分別為1.949m ～2.42m、1.865m ～2.215m 之間，漲潮時(shí)水深約2.5m ～4.2m之間，本工程主橋8＃軸至9＃軸樁基礎(chǔ)及承臺(tái)采用鋼平臺(tái)及鋼板樁圍堰施工。主橋8＃軸至9＃軸承臺(tái)尺寸9.1m×9.1m×4m，屬于大體積混凝土，鋼圍堰設(shè)計(jì)寬度12m × 12m，采用18mFSPIVa型密扣拉森鋼板樁，轉(zhuǎn)角異型密扣拉森鋼板樁，圍檁采用2＠45a 組合工字鋼，內(nèi)支撐采用平放2＠45a 拼焊工字鋼，斜撐采用2＠45a拼焊工字鋼，腳撐采用L75 ×8＠2000 角鋼，豎向斜撐采用160mm ×160mm 十字撐，鋼圍堰立面見(jiàn)圖1。

圖1 鋼圍堰立面（單位： mm）Fig.1 Elevation of steel cofferdam（unit：mm）

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，河床的地質(zhì)情況由上至下分別是：淤泥質(zhì)砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。各土層的工程力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工程地質(zhì)情況Tab.1 Engineering geological condition

2 鋼板樁圍堰有限元模型建立

2.1 節(jié)點(diǎn)及單元模型簡(jiǎn)化

采用Midas軟件進(jìn)行建模，圍堰有限元模型單元簡(jiǎn)化如下：鋼板樁采用厚度為13mm 板單元，劃分尺寸為500mm ×100mm；圍檁及支撐簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?；封底混凝土?jiǎn)化為1000mm 四邊形劃分的實(shí)體單元，采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型進(jìn)行分析。圍堰模型見(jiàn)圖2。

圖2 圍堰模型Fig.2 Cofferdam model

2.2 邊界條件設(shè)置

鋼板樁底約束：一般支承DZ；封底混凝土底約束：一般支承D-all；圍檁與鋼板樁之間連接：一般彈性連接僅受壓SDX＝1000kN／mm；圍檁與承托牛腿之間連接SDX＝1000kN／mm，SDY＝10kN／mm，SDZ＝1000kN／mm，SRX＝0rad，SRY＝0rad，SRZ＝0rad。

2.3 荷載組設(shè)置

根據(jù)圍堰施工過(guò)程的各種工況，本模型共設(shè)置包括自重，第一、第二、第三、第四、第五道支撐（封底混凝土）設(shè)置時(shí)的水壓力，第三、第四、第五道支撐（封底混凝土）抽水開(kāi)挖時(shí)的鋼板樁外側(cè)主動(dòng)土壓力共九組施工荷載。其中，假設(shè)封底混凝土底下的坑內(nèi)被動(dòng)土壓力和鋼板樁外側(cè)的主動(dòng)土壓力相平衡。

2.4 工況設(shè)置

根據(jù)施工過(guò)程，確保圍堰在實(shí)施抽水和開(kāi)挖河床土方過(guò)程中堰體安全穩(wěn)定，結(jié)合支撐的先后安裝順序，將圍堰分成11 個(gè)工況進(jìn)行分析，如表2 所示。本文假設(shè)在承臺(tái)施工完畢后，將圍堰下方土壓力及水壓力轉(zhuǎn)換至橋梁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，再實(shí)施墩柱施工。

表2 工況設(shè)定Tab.2 Setting of working conditions

續(xù)表

3 工況分析

工況分析主要關(guān)注鋼板樁圍堰變形及鋼結(jié)構(gòu)圍檁支撐的應(yīng)力變化，要求整個(gè)堰體水平變形小于作為二級(jí)基坑監(jiān)測(cè)規(guī)范要求。根據(jù)《深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)》規(guī)定二級(jí)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移允許值取Mmax＝0.005H＝0.005×18000 ＝90mm，其中H為圍堰高度取18m，為便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)大水平位移，取水平位移警戒值M警戒＝50mm。

圍堰施工過(guò)程中，最大風(fēng)險(xiǎn)在于抽水開(kāi)挖過(guò)程，由于下層支撐未實(shí)施，增加的水壓力和土壓力導(dǎo)致圍堰本身變形，圍檁彎曲應(yīng)力、支撐軸力增加。通過(guò)使用有限元軟件，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的施工階段進(jìn)行模擬計(jì)算，求出變形值和應(yīng)力值見(jiàn)圖3，用于結(jié)構(gòu)驗(yàn)算與指導(dǎo)施工。

圖3 抽水開(kāi)挖過(guò)程的力學(xué)計(jì)算結(jié)果Fig.3 Mechanical calculation results of pumping excavation process

經(jīng)建模計(jì)算分析，圍堰在各種工況下，水平最大變形f＝31mm ＜水平位移警戒值M警戒＝50mm，能滿(mǎn)足變形要求。圍檁及支撐最大軸力出現(xiàn)在封底混凝土層開(kāi)挖及抽水施工過(guò)程，但由于各層安裝支撐的原因，圍堰壓力被較好地分散到二、三、四層支撐結(jié)構(gòu)上，使最后一次封底層開(kāi)挖軸力沒(méi)有明顯增大，也較好地控制了圍檁及支撐的應(yīng)力，保證了承臺(tái)及墩柱施工安全。整個(gè)工況分析中，堰內(nèi)抽水及開(kāi)挖至封底混凝土底標(biāo)高時(shí)鋼板樁最大彎曲應(yīng)力控制σ ＝167MPa ＜215MPa，圍檁支撐的最大組合應(yīng)力σ ＝73.4MPa＜215MPa，均滿(mǎn)足Q235 鋼材215MPa 的應(yīng)力控制要求，受力情況如圖4 所示。

圖4 鋼板樁應(yīng)力情況Fig.4 Stress of steel sheet pile

根據(jù)圖3 和圖4，圍堰的安全系數(shù)有富余，變形及內(nèi)力均能較好地控制在安全范圍內(nèi)。圍堰的結(jié)構(gòu)布置能夠使各層圍檁和支撐較好地分擔(dān)水土對(duì)堰體的壓力，確保施工過(guò)程安全。

在計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)一定規(guī)律性：（1）最大支撐軸力始終發(fā)生在第二層圍檁支撐，下層增加的圍檁支撐較好地降低了上層圍檁支撐的壓力負(fù)擔(dān)；（2）鋼板樁圍堰在水頭壓力下，最大變形發(fā)生在二、三層圍檁支撐之間，因?yàn)殇摪鍢度胪劣凶銐蛏疃?，封底混凝土下方土層能夠提供足夠的土彈簧剛度，另外封底混凝土的?qiáng)大剛度導(dǎo)致鋼板樁最大變形發(fā)生在圍堰基坑中上部，而不是土壓力及水壓力最大的圍堰基坑下部；此外在施工過(guò)程中，需要注意圍堰中上部的止水封堵，可以采取潛水員用止水布塞堵鋼板樁鎖扣的辦法提升鋼板樁止水效果。

4 鋼圍堰整體穩(wěn)定、抗管涌及抗浮分析

4.1 整體穩(wěn)定性

整體穩(wěn)定性采用瑞典圓弧滑動(dòng)面條分法，土條寬度為0.40m?；衙鏀?shù)據(jù)：圓弧半徑R＝12.913m，圓心坐標(biāo)X＝ - 1.341m，圓心坐標(biāo)Y＝9.615m。經(jīng)計(jì)算整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks＝3.517 ＞1.30，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.2 抗管涌穩(wěn)定性驗(yàn)算

基坑以下有50m 以上不透水強(qiáng)風(fēng)化泥巖，K＝γD／hwγw＝50 ×20.000／117.200 ＝8.53 ＞Kh＝1.10，基坑底部土抗承壓滿(mǎn)足要求。其中：γ 為承壓水含水層頂面至坑底的土層天然重度（kN／m3）；D為承壓水含水層頂面至坑底的土層厚度（m）；γw為水的重度（kN／m3）；hw為承壓水含水層頂面的壓力水頭高度（m）；Kh為突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，取值1.10；K為突涌穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值。

4.3 基坑抗浮驗(yàn)算

在圍堰內(nèi)抽干水而承臺(tái)混凝土未澆筑情況下，封底混凝土能克服水浮力而不上浮，不考慮鋼板樁與河床土層的摩擦力，需滿(mǎn)足G＝G1＋G2＋G3≥F＝hγ水（S-4S′）。其中：G1為鋼板樁圍堰自重（包括鋼板樁＋56a工字鋼圍檁、斜撐、對(duì)撐）；G2為封底混凝土重量＝tγ混凝土（S-4S′）；G3為封底混凝土與樁身混凝土的黏著力，取偏小值0.3MPa；S為圍堰底面積；S′為樁的截面積。經(jīng)計(jì)算：G＝3099t，浮力F＝1929.6t，安全系數(shù)K＝G／F＝3099／1929.6 ＝1.61 ＞1.2，故圍堰抗浮是安全的。

5 鋼圍堰施工流程

在各工況受力滿(mǎn)足安全性要求情況下進(jìn)行鋼圍堰施工，步驟如下：

（1）當(dāng)樁基礎(chǔ)澆筑完成后，拆除局部樁基礎(chǔ)施工鋼平臺(tái)，用汽車(chē)式起重機(jī)振打18m密扣拉森鋼板樁FSPⅣ型，形成密封的鋼板樁圍堰，堰內(nèi)抽水至首層支撐底標(biāo)高，在鋼護(hù)筒上面伸出鋼托架，安放、拼裝焊接第一道鋼圍檁，鋼圍檁頂面標(biāo)高6.80m。并且在鋼板樁圍堰的迎水面水位標(biāo)高（＋7.60m）下標(biāo)高為＋5.00m 處設(shè)置導(dǎo)流管法蘭及法蘭開(kāi)關(guān)，用于后期堰內(nèi)進(jìn)水。

（2）在鋼板樁圍堰內(nèi)側(cè)邊長(zhǎng)12m等分設(shè)5道鋼托架，將鋼圍檁由支承在護(hù)筒上的托架轉(zhuǎn)移至支承在鋼板樁內(nèi)側(cè)的托架上。低水位時(shí)，拆除護(hù)筒上的鋼托架，切割、吊離鋼護(hù)筒至標(biāo)高＋6.15m。利用每日河流兩次漲退潮低水位在＋6.15m 以下時(shí)，安裝第一道鋼圍檁內(nèi)側(cè)的首道鋼支撐。

（3）當(dāng)?shù)谝坏纼?nèi)支撐安裝調(diào)試完畢后，用抽水泵將圍堰內(nèi)積水抽到標(biāo)高＋3.50m 處，繼續(xù)切割移走鋼護(hù)筒至＋3.50m，然后安裝第二道鋼圍檁和內(nèi)支撐（標(biāo)高＋4.00m）。當(dāng)?shù)诙绹鷻_和內(nèi)支撐安裝調(diào)試完畢后（圖5），打開(kāi)＋5.00m 處導(dǎo)流管法蘭開(kāi)關(guān)，讓河水回流到圍堰內(nèi)，當(dāng)圍堰內(nèi)外水位持平后，開(kāi)始帶水開(kāi)挖圍堰內(nèi)土方至-5.8m。關(guān)閉導(dǎo)流管，用抽水泵將圍堰內(nèi)積水抽到＋0.7m 處，繼續(xù)切割移走露出水面的鋼護(hù)筒至＋0.7m處，在鋼板樁上面焊接托架，然后安裝第三道鋼圍檁和內(nèi)支撐（標(biāo)高＋1.5m）。當(dāng)?shù)谌纼?nèi)支撐安裝調(diào)試完畢后，用抽水泵將圍堰內(nèi)積水抽到標(biāo)高-1.6m處，繼續(xù)切割移走露出水面的鋼護(hù)筒至- 1.6m，在鋼板樁上面焊接托架，然后安裝第四道鋼圍檁和內(nèi)支撐（標(biāo)高-0.11m）。當(dāng)?shù)谒牡纼?nèi)支撐安裝調(diào)試完畢后，用C35 混凝土進(jìn)行1m厚素混凝土封底。當(dāng)封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，用抽水泵將圍堰內(nèi)積水抽到封底混凝土頂面-3.32m處，完成最后的鋼護(hù)筒切割和清除以及下一步的主墩承臺(tái)施工。

圖5 鋼圍堰施工Fig.5 Construction drawing of steel cofferdam

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)軟弱地質(zhì)條件鋼板樁圍堰的安全性，結(jié)合工程實(shí)例，采用有限元軟件建立鋼板樁圍堰模型，設(shè)置邊界、荷載、工況條件，分析危險(xiǎn)工況條件下鋼板樁圍堰變形和受力特性，得到圍堰在各種工況下水平最大變形小于水平位移警戒值，圍檁及支撐最大軸力發(fā)生在工況封底混凝土層開(kāi)挖及抽水施工時(shí)。圍堰安全系數(shù)有富余，各層圍檁和支撐能夠較好地分擔(dān)水土對(duì)堰體的壓力，圍堰整體穩(wěn)定、抗管涌及抗浮滿(mǎn)足規(guī)范要求，能夠確保圍堰施工安全。