羅 利

(中國五冶集團有限公司， 成都 610063)

鋼圍堰是橋梁水下基礎(chǔ)施工普遍采用的擋水結(jié)構(gòu)，按類型可分為鋼板樁圍堰、鎖口鋼圍堰、雙壁鋼圍堰等多種[1]。鎖扣鋼管樁圍堰因結(jié)構(gòu)體系簡單，對土方開挖較為有利，能減少基坑暴露時間，有效縮短承臺施工周期，節(jié)約成本[2]，被逐漸應(yīng)用于大跨度橋梁水下承臺施工。但鎖扣鋼管樁圍堰一旦發(fā)生傾覆事故，將會造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。為及時掌握鎖扣鋼管樁圍堰的性能表現(xiàn)，防止突發(fā)性傾覆事故發(fā)生，在鋼圍堰施工期間對其進行全方位的監(jiān)測極為必要。鎖扣鋼管樁圍堰應(yīng)力和變形情況同施工過程密切關(guān)聯(lián)。目前，對鎖扣鋼管樁圍堰施工監(jiān)測的文獻較少，其中楊恒博[3]在巴河特大橋21#承臺施工中對CI型鎖扣鋼管樁圍堰變形監(jiān)測進行了分析，黃梁等[4]等利用Plaxis 3D三維建模,模擬圍堰分步施工過程，分析了流速對深水鎖扣鋼管樁圍堰側(cè)向變形的影響。此外,楊春山等[5]、王達等[6]及鄧海等[7]也對圍堰變形做了大量分析。蓬安嘉陵江三橋18#承臺采用鎖扣鋼管樁圍堰施工，為確保施工期間鎖扣鋼管樁圍堰安全，在內(nèi)支撐或者圍檁上設(shè)置變形觀測點和應(yīng)力試驗元件，以監(jiān)測各種工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，并根據(jù)實測值與計算值的對比情況，判斷圍堰結(jié)構(gòu)的安全性，以此采取相應(yīng)措施確保圍堰施工安全。

1 工程概況

蓬安嘉陵江三橋全長1 239 m，其中主橋橋跨為(126+220+126)m連續(xù)剛構(gòu)橋，18#主橋主墩位于嘉陵江主河道內(nèi)，設(shè)計為雙肢薄壁墩，端部采用圓端型，承臺尺寸為45 m×14.5 m×5 m，混凝土方量3 263 m3。承臺底面位于河床表面線以下5.5 m，完全嵌入河床中。承臺下接25根直徑2.5 m樁基，樁基嵌入中風化泥質(zhì)粉砂巖，嵌入深度約30 m。

18#墩承臺鎖扣鋼管樁圍堰采用矩形平面，由4條直線段首尾依次相連而成，外輪廓長度為51.475 m，寬度為20.63 m。圍堰采用T-C結(jié)構(gòu)形式鎖扣，共由142根鎖扣鋼管樁組成，總高度為14.2 m，平面總面積1 007 m2。圍堰共設(shè)置兩層內(nèi)支撐，內(nèi)支撐采用φ630×8 mm鋼管，縱橋向貫通后再橫橋向連接。內(nèi)支撐通過3拼I45b工字鋼與鎖扣鋼管樁連接在一起，形成共同受力體系，T型鎖扣為I20a工字鋼，C型鎖扣為φ180×6 mm開縫鋼管，鋼管樁采用φ720×10 mm螺旋鋼管，材質(zhì)為Q235b。圍堰布置如圖1所示。

圖1 圍堰平面布置

2 施工監(jiān)測目的

圍堰鋼管樁及內(nèi)支撐受力大小與結(jié)構(gòu)布置、施工等多方因素相關(guān)。隨著基礎(chǔ)施工進度，圍堰內(nèi)外水位高差越來越大，鋼圍堰受力逐漸加大。若鋼圍堰受力超出其所能承受的最大值，即材料的應(yīng)力超出最大允許應(yīng)力，便會發(fā)生嚴重的鋼圍堰坍塌事故[8]。為此，在施工過程中應(yīng)遵循動態(tài)管理和信息化管理，通過監(jiān)測及時掌握鎖扣鋼管樁圍堰的變形情況，確保圍堰施工和使用安全；同時可及時發(fā)現(xiàn)圍堰、圍檁及橫撐可能出現(xiàn)的異常情況，以便及時采取應(yīng)急措施。

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

1)圍堰外河床沖刷的監(jiān)測。采用測繩法對圍堰四周(尤其是上游迎水面)河床標高進行測量，并做好觀測記錄，如果沖刷較明顯，則需采取拋砂袋的辦法對圍堰進行防護。

2)圍堰沉降監(jiān)測。圍堰開挖中密切關(guān)注圍堰各個角點的位移變化。若角點位移變化達到了警戒值，應(yīng)立即停止開挖作業(yè)，待查明原因后再進行施工，以防止圍堰發(fā)生傾覆和整體滑移。

3)圍堰變形監(jiān)測。通過觀測圍檁和鋼管樁上結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的變形情況，再結(jié)合理論計算數(shù)據(jù)和經(jīng)驗值判斷鋼圍堰的結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否安全。

3.2 監(jiān)測方法

1)變形觀測基準點在鋼圍堰施工前布設(shè)，基準點位置應(yīng)穩(wěn)定、安全、可靠，且不少于2個。

2)選取軸力較大的內(nèi)支撐在其表面布置振弦應(yīng)變計，根據(jù)實測值和計算值的對比判斷結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性，進而有效發(fā)揮結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的作用。

3)選取應(yīng)力較大的圍檁部位在其表面布置振弦應(yīng)變計，根據(jù)實測值和計算值的對比判斷結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性，進而有效發(fā)揮結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的作用。

圍堰合龍后，在布設(shè)支撐前測讀所有變形觀測和水位觀測的初始值，且初始值采取不小于3次的測回[9]。鎖扣鋼管樁圍堰的監(jiān)測項目、監(jiān)測方法、測點布置、監(jiān)測頻率、監(jiān)測次數(shù)、監(jiān)測精度和預(yù)警限值見表1。

應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析應(yīng)在綜合考慮樁頂水平位移、樁身傾斜和變形、支撐撓度、圍堰內(nèi)外水頭差等觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行，并對其發(fā)展趨勢做出預(yù)測。

表1 內(nèi)支撐和圍檁應(yīng)力監(jiān)測的方法、測點布置、監(jiān)測頻率、監(jiān)測精度及預(yù)警值

3.3 測點布置

鎖扣鋼管樁圍堰內(nèi)支撐的應(yīng)力測點布置如圖2所示，頂層和底層共布置24個測點。圍檁應(yīng)力測點如圖3所示，頂層和底層共布置24個測點。位移測點布置如圖4所示，共計23個點。在布置測試點的位置上安裝傳感器，隨著工程進度的深入逐漸安裝完成所有傳感器。為了確保項目的安全，每一個工況需及時安裝傳感器，并對鋼圍堰的安全狀況進行直接判定，以保證工程安全進行。

圖2 內(nèi)支撐應(yīng)力測點布置

圖3 圍檁應(yīng)力測點布置

圖4 位移和變形觀測點位布置

采用ZX-212系列表貼式應(yīng)變計測試圍檁和內(nèi)支撐的應(yīng)力，其較為容易實現(xiàn)自動采集、精度高、溫漂小，結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。ZX-212系列表貼式應(yīng)變計主要應(yīng)用于橋梁、鋼結(jié)構(gòu)、鋼支撐型鋼等結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測。應(yīng)變計內(nèi)置智能記憶芯片，可識別傳感器身份，記憶傳感器參數(shù)；內(nèi)置溫度元件可同時監(jiān)測埋設(shè)點位的溫度。

應(yīng)變計工作原理：一定長度的鋼弦張拉在兩端塊之間，端塊通過固定座夾持，固定座焊接或粘接在結(jié)構(gòu)物上，結(jié)構(gòu)的變形使得兩端固定座和夾持的端座一起相對移動并導致鋼弦張力變化，從而改變鋼弦的振動頻率。電磁線圈激振鋼弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)儀，即可測出作用于結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變量。

圖5 ZX-212系列表貼式應(yīng)變計

3.4 儀器安裝

安裝表貼式振弦式應(yīng)變計測試圍檁和內(nèi)支撐的應(yīng)力，安裝步驟如下：將圍檁和內(nèi)支撐表面的鐵銹打磨干凈→采用高黏結(jié)劑將應(yīng)變計安裝于內(nèi)支撐和圍檁表面，應(yīng)變計同內(nèi)支撐和圍檁的中軸線平行→將導線引至一處以便于后期應(yīng)力測試→采集初始數(shù)據(jù)(圖6)。

圖6 應(yīng)變計安裝

4 監(jiān)控結(jié)果與分析

4.1 施工工況分析

18#主墩鎖扣鋼管樁圍堰施工過程分為6個主要步驟，對應(yīng)于6個主要施工工況?，F(xiàn)場根據(jù)抽水試驗確定采用不澆筑封底混凝土的施工工藝，施工工況分析見表2。

表2 施工工況分析一覽表

鋼管樁圍堰在下放及施工期間受到的主要荷載有自重、靜水壓力、主動土壓力、浮力、水流力、波浪力和風荷載。采用ANSYS2012建立空間有限元模型對鎖扣鋼管樁圍堰進行數(shù)值仿真模擬。圍堰各構(gòu)件所采用單元類型根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特性確定，并嚴格按照施工實際情況對圍堰荷載及邊界條件進行模擬，結(jié)合Vonmise強度理論法進行計算分析，以判斷鋼圍堰的結(jié)構(gòu)安全和強度是否滿足施工要求。

選取工況3(抽水至河床頂面)、工況5(機械干開挖至圍堰底部)、工況6(承臺四周回填砂卵石后拆除內(nèi)支撐)等3處典型工況進行圍堰強度驗算，并與對應(yīng)工況應(yīng)力監(jiān)測值進行對比分析。

4.2 不同工況下測點的應(yīng)力分析

應(yīng)力監(jiān)控的主要工況如下。

1)工況3：抽水至河床，此時圍堰處于單層內(nèi)支撐和圍檁狀態(tài)下。

2)工況5：開挖至圍堰基底，此時圍堰所受的外荷載最大。

3)工況6：承臺四周砂卵石回填后拆除底層內(nèi)支撐，此時圍堰處于單層內(nèi)支撐和圍檁狀態(tài)下。

4.2.1 工況3條件下圍檁及內(nèi)支撐應(yīng)力測試情況(圖7)

頂層內(nèi)支撐最大計算應(yīng)力為46.7 MPa，最大實測應(yīng)力為43 MPa，絕對誤差為-14.6～0.3 MPa，相對誤差為-35.2%～0.9%，實測值與計算值的差異在允許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，施工安全能夠得到保證。

頂層圍檁最大計算應(yīng)力為41.1 MPa，最大實測應(yīng)力為41.6 MPa，絕對誤差為-13.7～0.5 MPa，相對誤差為-33.4%～1.3%，實測值與計算值的差異在允許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，施工安全能夠得到保證。

圖7 工況3條件下圍檁及內(nèi)支撐應(yīng)力測試情況

4.2.2 工況5條件下圍檁及內(nèi)支撐應(yīng)力測試情況(圖8)

頂層內(nèi)支撐的最大計算應(yīng)力為86.8 MPa，最大實測應(yīng)力為83.8 MPa，絕對誤差為-16.4～-1.6 MPa，相對誤差為-23.3%～-1.9%，實測值與計算值的差異在允許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，施工安全能夠得到保證。

頂層圍檁的最大計算應(yīng)力為91.6 MPa，最大實測應(yīng)力為81.8 MPa，絕對誤差為-27.4～1.8 MPa，相對誤差為-33.6%～3.9%，實測值與計算值的差異在允許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，施工安全能夠得到保證。

底層內(nèi)支撐的最大計算應(yīng)力為63.4 MPa，最大實測應(yīng)力為64.2 MPa，絕對誤差為-18.3～1.4 MPa，相對誤差為-28.9%～2.3%，實測值與計算值的差異在允許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，施工安全能夠得到保證。

底層圍檁的最大計算應(yīng)力為86.5 MPa，最大實測應(yīng)力為77.1 MPa，絕對誤差為-25.8～-2.3 MPa，相對誤差為-35.1%～-7.1%，實測值與計算值的差異在允許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，施工安全能夠得到保證。

4.2.3 工況6條件下圍檁及內(nèi)支撐應(yīng)力測試情況(圖9)

頂層內(nèi)支撐的最大計算應(yīng)力為55.1 MPa，最大實測應(yīng)力為48.9 MPa，絕對誤差為-14.8～0.2 MPa，相對誤差為-26.9%～0.4%，實測值與計算值的差異在允許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，施工安全能夠得到保證。

頂層圍檁的最大計算應(yīng)力為68.7 MPa，最大實測應(yīng)力為71.1 MPa，絕對誤差為-22.9～2.4 MPa，相對誤差為-35.3%～3.4%，實測值與計算值的差異在允許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，施工安全能夠得到保證。

圖8 工況5條件下圍檁及內(nèi)支撐應(yīng)力測試情況

圖9 工況6條件下圍檁及內(nèi)支撐應(yīng)力測試情況

監(jiān)測結(jié)果表明，圍堰有足夠的強度和剛度，整體穩(wěn)定性良好，圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，施工過程控制得當。

4.3 監(jiān)測誤差分析

通過對18#墩圍堰施工監(jiān)控觀測點的測量及理論計算可知，理論計算和實測結(jié)果總體趨于一致。但各測點的實測值均小于理論計算值，分析原因如下：

1)在有限元計算時采用的邊界條件以及其他模型參數(shù)與實際情況存在偏差[10]。實際圍堰處于水下施工，對于水壓力、主動土壓力和被動土壓力等荷載的簡化及鋼管樁圍堰約束的簡化，存在著理論和實際的差距。

2)施工存在不可避免的人為因素可能造成實測值與計算值的不同。

3)實施過程中可能存在觀測點位置的移動、工況荷載局部變化等，使得計算值和實測值存在偏差。

5 結(jié)語

采用先進的表貼式應(yīng)變計監(jiān)測圍檁和內(nèi)支撐的應(yīng)力，實現(xiàn)應(yīng)力、溫度等數(shù)據(jù)的高精度自動采集。通過實測值和計算值的對比分析，實現(xiàn)對圍堰安全可靠性的有效評估，從而為優(yōu)化鎖扣鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。監(jiān)測結(jié)果表明，圍堰擁有足夠的強度和剛度，整體穩(wěn)定性良好，圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，施工過程控制得當。高精度的自動監(jiān)測也保證了18#承臺圍堰的順利安全實施，為嘉陵江洪水期來臨前完成承臺、墩柱施工搶得了先機，從而為橋梁主體施工爭取了時間。