帥訓(xùn)營，楊凱，張松

（中交第二公路工程局有限公司海外事業(yè)部（國際公司），陜西 西安 710065）

0 引言

馬來西亞砂拉越林牙河大橋是中資企業(yè)在馬來西亞承包的大型項(xiàng)目，該項(xiàng)目對(duì)改善馬來西亞砂拉越林牙地區(qū)的交通條件具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。在承建馬來西亞大項(xiàng)目的過程中，適應(yīng)當(dāng)?shù)匾?guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)研究、總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)，是支撐工程建設(shè)企業(yè)“走出去”的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

對(duì)馬來西亞東馬砂拉越林牙河大橋水中承臺(tái)預(yù)制圍堰的研究，將有助于系統(tǒng)熟悉馬來西亞砂拉越地區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，掌握基于馬來西亞標(biāo)準(zhǔn)的水中承臺(tái)建造關(guān)鍵技術(shù)，包括水中雙向斜樁施工關(guān)鍵技術(shù)、特殊環(huán)境下預(yù)制圍堰法承臺(tái)施工的準(zhǔn)備步驟、潮差大及落潮后河道窄流速大條件下預(yù)制承臺(tái)圍堰定位等關(guān)鍵技術(shù)。

林牙河大橋橋址處的自然條件具有特殊性，橋址處地質(zhì)復(fù)雜、水文條件差、潮差大，且退潮后河道變窄，施工困難，水流速度大，船只等施工設(shè)備定位困難，另外該橋主橋?yàn)殡p向斜樁基礎(chǔ)，且要保證通航，這些都對(duì)承臺(tái)預(yù)制圍堰的設(shè)計(jì)與施工提出了非常高的要求。在深水大跨度橋梁施工過程中，大型深水基礎(chǔ)成為橋梁施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，橋梁深水基礎(chǔ)所處的深水環(huán)境對(duì)其設(shè)計(jì)和施工方面都有影響，工作平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮環(huán)境的特性，由于在深水環(huán)境中橋梁深水基礎(chǔ)所受的水平力比陸上和淺水環(huán)境中要大得多，同時(shí)，深水基礎(chǔ)屬于水下隱蔽工程，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)必須綜合考慮水的流速、深度等因素。橋梁深水基礎(chǔ)特別是高樁承臺(tái)，深水樁基的施工方案需要根據(jù)樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、附近水域情況、墩位離岸距離、墩位處水下地形、覆蓋層厚度和土層性質(zhì)、基巖埋深及表面狀況、水深及水位變幅、水流速度和流態(tài)、施工期通航要求等方面來選擇確定。在高樁深水樁基礎(chǔ)施工中，設(shè)計(jì)合理有效的施工方案以應(yīng)對(duì)樁址處高潮差和高流速的特點(diǎn)，是亟需解決的難題。

承臺(tái)預(yù)制鋼筋混凝土圍堰施工承臺(tái)在中國、日本、韓國等亞洲國家較為常見。近年來，在歐洲和美洲的橋梁設(shè)計(jì)中也越來越多被采用，而像林牙河地區(qū)的潮差大，流速快等復(fù)雜自然條件的地區(qū)采用的情況較少。本項(xiàng)研究針對(duì)林牙河地區(qū)潮差大，流速快等特殊條件下水中承臺(tái)預(yù)制圍堰的設(shè)計(jì)和施工方法進(jìn)行研究，可為同類橋型的設(shè)計(jì)、建造提供參考。

1 工程概況

項(xiàng)目位于馬來西亞砂拉越州，橋址位于距離砂拉越州詩里阿曼市約45km 的林牙鎮(zhèn)附近。主橋跨越河道為林牙河，項(xiàng)目合同額為2 118.60 萬美元。項(xiàng)目全線1.12km，設(shè)計(jì)為雙向兩車道。其中橋梁部分長(zhǎng)725m，主橋?yàn)?0m+148m+90m 連續(xù)剛構(gòu)橋；主墩樁基礎(chǔ)為1 500mm 鋼管樁，采用高樁承臺(tái)；引橋?yàn)?8.8m+3×40m+39.63m 預(yù)制T 梁簡(jiǎn)支橋，基礎(chǔ)為60cm 混凝土管樁；主墩在水中，水深4～9m；設(shè)計(jì)橋面頂寬12.4m。橋梁縱坡為5%，橫坡為2.5%。主橋橋墩最大高度約為15m，橋墩采用空心薄壁墩。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，橋址處平均高潮位+2.872，平均低潮位-2.795，平均潮差5.7m。潮水類型為半日潮，漲、落潮時(shí)間約6h。根據(jù)設(shè)計(jì)說明，設(shè)計(jì)風(fēng)速32m/s。馬來西亞東馬林牙河大橋是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型橋梁，技術(shù)水平要求高。

承臺(tái)為菱形結(jié)構(gòu)，采用預(yù)制底板、裙板作為底部支撐和側(cè)向擋板，預(yù)制底板含有防撞擋塊。水中6#、7#主墩承臺(tái)采用八邊形結(jié)構(gòu)，樁基為直徑1.5m 的鋼管樁，鋼管樁壁厚19mm，樁內(nèi)上部約40m 采用填芯鋼筋混凝土，全橋共46 根。每個(gè)基礎(chǔ)含有3 根直樁，其余均為斜率1∶8的斜樁。

原設(shè)計(jì)承臺(tái)采用C40 混凝土，分1m+1.5m+1.5m 三層澆筑，單層澆筑最大方量566m3。

根據(jù)圖紙，設(shè)計(jì)平均高水位MHHW=+2.872，承臺(tái)圍堰底板側(cè)擋板頂部高程Hs=+2.200。漲潮后水位會(huì)高于原設(shè)計(jì)底板側(cè)擋板，對(duì)承臺(tái)施工造成嚴(yán)重影響。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)測(cè)定核對(duì)，為保證施工期間承臺(tái)預(yù)制圍堰不被極端大潮的潮水倒灌，對(duì)圍堰預(yù)制底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將圍堰預(yù)制底板側(cè)向擋板加高0.8m，變?yōu)?.8m，此時(shí)底板頂部標(biāo)高為+3.000，大于設(shè)計(jì)高水位，滿足要求。優(yōu)化后分1m+0.8m+0.7m+1.5m 四層澆筑，單層澆筑最大方量356m3。

承臺(tái)預(yù)制底板在橋址臨時(shí)碼頭旁駁船上預(yù)制，船上停放200t 履帶吊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吊裝。預(yù)制塊鋼筋混凝土通過陸地運(yùn)輸至臨時(shí)碼頭，預(yù)制圍堰安裝完成后進(jìn)行承臺(tái)施工，承臺(tái)鋼筋和混凝土均通過棧橋運(yùn)輸供應(yīng)。

2 承臺(tái)鋼筋混凝土預(yù)制圍堰計(jì)算

根據(jù)大橋設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)水文資料，主墩（6、7號(hào)橋墩）承臺(tái)采用“預(yù)制混凝土圍堰”施工，圍堰由底板、側(cè)板、防撞板組成，圍堰混凝土采用C50，形狀與承臺(tái)相同，均為菱形結(jié)構(gòu)。為減輕吊裝重量，圍堰底板采用鋼筋混凝土板，分23塊預(yù)制，7種類型，底板厚共分三種類型，分別為25、30、50cm，各分塊之間留30cm 濕接縫接頭；側(cè)板高為180cm，厚度為10cm；防撞板高為200cm，厚度為60～100cm。吊裝施工時(shí)，承臺(tái)掛板、防撞板與底板同步預(yù)制，同步吊裝。

承臺(tái)采用預(yù)制混凝土圍堰施工。圍堰分為底板和裙板，作為底部支撐和側(cè)向擋板，預(yù)制底板設(shè)有防撞擋塊。

承臺(tái)施工過程中，預(yù)制鋼筋混凝土圍堰擋板經(jīng)歷兩個(gè)不利荷載工況：①工況一：承臺(tái)混凝土未澆筑前，外側(cè)高水位，圍堰擋板承受水壓力和水流力作用；②工況二：首層混凝土澆筑完成后，外側(cè)低水位沒有水壓力，此時(shí)僅有混凝土側(cè)壓力，為保證圍堰擋板受力穩(wěn)定，每隔1m 設(shè)置一根T40 鋼筋作為臨時(shí)支撐，鋼筋與水平夾角為45°，針對(duì)兩種不利荷載工況進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

2.1 圍堰下側(cè)預(yù)制擋板單元離散

圍堰下側(cè)預(yù)制擋板分塊有限元模型采用大型商用程序Midas2020 建立，有限元模型如圖1 所示。圍堰分塊各板件采用板單元建立，側(cè)板斜桿支撐d=40mm 鋼筋采用桁架單元建立。共有6 176 節(jié)點(diǎn)，6 105 個(gè)板單元，65 個(gè)桁架單元。建模時(shí)所采用的坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，X 軸為橋的橫向、Z 軸為橋的豎向、Y 軸為橋的縱向，單位為m；建模時(shí)所采用的鋼材彈性模量E 取2.1×105MPa，泊松比μ取0.3。

圖1 承臺(tái)鋼筋混凝土預(yù)制圍堰有限元模型

2.2 承臺(tái)鋼筋混凝土預(yù)制圍堰底板荷載及組合

混凝土圍堰自重由有限元軟件Midas 自行加載計(jì)算。

2.3 靜水壓力

混凝土圍堰側(cè)壁外靜水壓力從上至下為三角形分布，靜水壓力取最高平均潮水位MHHW=+2.872m計(jì)算。

無裙板承臺(tái)圍堰水深為H1=1.922m，則可計(jì)算出無裙板承臺(tái)套側(cè)板靜水壓力最大值P1=19.22kPa。

2.4 流水壓力

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[1]4.3.9 條規(guī)定，圍堰側(cè)板流水壓力計(jì)算如式（1）所示。流水壓力合力的著力點(diǎn)在設(shè)計(jì)水位線以下0.3 倍水深處。

式（1）中：Fw為流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；k 為形狀系數(shù)，對(duì)于尖端形取值0.70；A 為阻水面積（m2）；r 為水的重度（kN/m3），取10kN/m3；v為設(shè)計(jì)流速（m/s），按照50 年一遇，取1.63m/s；g 為重力加速度（m/s2），取9.81m/s2。

經(jīng)計(jì)算得Fw=33.27kN。

2.5 混凝土側(cè)壓力

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）[2]附錄C0.5 中規(guī)定：當(dāng)采用內(nèi)部振搗器時(shí)，新澆筑混凝土作用于模板的側(cè)壓力，按式（2）和式（3）計(jì)算，并取其中的較小值，即：

式（2）～式（3）中：F 為新澆混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力（kN/m2）；γc為混凝土重量密度（kN/m3），取24.5kN/m3；t0為新澆筑混凝土初凝時(shí)間，可按t0=200/(T +15)計(jì)算，T 為混凝土的溫度（℃），取值28℃；β1為外加劑影響修正系數(shù)，不摻加外加劑取1.0，摻加緩凝劑取1.2，本次計(jì)算取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，坍落度為110～150mm 時(shí)，取1.15；坍落度為200，本次計(jì)算取1.2；V 為混凝土垂直澆筑的速度（m/h），取0.103m/h；H 為混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置至新澆筑混凝土頂面的總高度（m）。

代入?yún)?shù)，可得承臺(tái)圍堰：Pmax=11.58kN/m2。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）附錄C0.5 中規(guī)定，荷載加載漸變段長(zhǎng)度：l=11.58/24.5=0.47m。

2.6 預(yù)制圍堰底板外側(cè)配筋部分驗(yàn)算

具體驗(yàn)算結(jié)果如表1～表3所示。

表1 預(yù)制圍堰底板外側(cè)受彎構(gòu)件正截面抗彎承載力驗(yàn)算

表2 預(yù)制圍堰底板外側(cè)斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

表3 預(yù)制圍堰底板外側(cè)裂縫寬度驗(yàn)算

2.7 圍堰整體抗浮驗(yàn)算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）5.4.3 條規(guī)定，圍堰在水浮力作用下抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，應(yīng)符合下式：

式（4） 中：Gk為結(jié)構(gòu)物自重（kN），經(jīng)計(jì)算為6 180kN；W 為握裹力（kN），經(jīng)計(jì)算為2 709kN；T 為螺栓拉力（kN），經(jīng)計(jì)算為9 331.2kN；Ff為水的浮力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.05。

根據(jù)公式，代入?yún)?shù)值Gk=16354kN，F(xiàn)f=8734kN計(jì)算：

圍堰整體抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)滿足要求。

3 結(jié)語

根據(jù)對(duì)馬來西亞砂拉越林牙河地區(qū)的地質(zhì)、水文、通航條件的仔細(xì)調(diào)查研究以及對(duì)主橋承臺(tái)預(yù)制鋼筋混凝土圍堰方案的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算結(jié)果來看，承臺(tái)預(yù)制鋼筋混凝土圍堰的承臺(tái)施工方式，能夠適應(yīng)林牙河地區(qū)的高潮差、流速快、地質(zhì)差的特點(diǎn)，為類似項(xiàng)目的實(shí)施積累了經(jīng)驗(yàn)。