钢筋混凝土拱围堰在桥梁基础施工中的应用

彭　撞，许明君，陈德华

(1.重庆交通大学 土木建筑学院， 重庆　400074； 2.中国十九冶集团有限公司， 成都　643202)



钢筋混凝土拱围堰在桥梁基础施工中的应用

彭撞1，许明君2，陈德华2

(1.重庆交通大学 土木建筑学院， 重庆400074； 2.中国十九冶集团有限公司， 成都643202)

摘要：根据拱的受力特点并考虑钢筋混凝土的材料和力学性能，将钢筋混凝土拱用于桥梁基础围堰设计中。结合钢筋混凝土拱围堰的工程实例，介绍拱围堰的受力特点、施工方法、验算理论和实用性。

关键词：钢筋混凝土；拱围堰；桥梁基础

围堰作为水工建筑中临时性围护结构，其主要作用是承受水平方向水压力和土压力，为桥梁下部结构的基础施工提供足够作业空间。围堰种类很多，根据材料类型，一般可将围堰分为土石围堰、草土围堰、木质围堰、钢板桩围堰、锁口管柱围堰、钢筋混凝土围堰以及钢-混凝土组合围堰等。桥梁基础施工中，围堰形式的选择受到施工技术条件和工程地质条件的双重限制。混凝土围堰因其抗冲防渗性能好，对施工技术要求不高，对工程地质条件适应性强等特点，目前仍被较多地用于工程施工中。

本文以混凝土围堰为对象，基于拱受力特性和钢筋混凝土的材料特点，研究将钢筋混凝土拱和围堰相组合并用于实际工程施工中。通过工程实例，介绍钢筋混凝土拱围堰的施工方法、受力特点、验算理论和适用范围。

1钢筋混凝土拱围堰

1.1拱的受力特点

拱在竖向荷载作用下，其拱脚不仅会产生竖向反力，而且还会产生水平推力。由于水平推力的存在，拱承受的弯矩相比梁结构要小很多，从而使整个拱主要承受压力。拱设计时，可以参考合理拱轴线对拱的受力进行优化，以减小拱圈截面受到的弯矩。在理想状态下，甚至能够使拱圈截面只受到轴力而无弯矩的作用。围堰承受水平方向水压力和土压力与拱的受力形式很相似，从而为将拱圈运用于围堰提供了理论基础。

1.2混凝土材料特性

混凝土作为一种人造石料，其具有很强抗压能力，但其抗拉能力却很弱。以C20混凝土为例，其轴心抗压强度标准值能够达到13.4 MPa，但其轴心抗拉强度标准值仅为1.54 MPa。在复合应力状态下，混凝土强度还会发生明显变化。当双向受压时，1个方向的混凝土抗压强度随另1个方向压应力的增加而增加，其强度比单向受压时的抗压强度约增加16%～25%；当3向受压时，混凝土的轴心抗压强度随另外2个方向压力的增加而增加，增加值可按公式求得。所以，采用混凝土来修建围堰能够很好地利用其抗压性能。

1.3钢筋混凝土拱围堰特点

钢筋混凝土拱围堰将钢筋混凝土的材料性能和拱的受力特点相结合，不仅在结构上对围堰进行了优化，而且还能够充分利用混凝土的材料性能。

1.4钢筋混凝土拱围堰优点

1) 受力明确，构造简单。

2) 抗压能力强，自重大，稳定性好。

3) 采用从上至下的合理施工顺序，对土体扰动小。

4) 墩台基础施工完成后可作为永久性结构物协助桥墩基础受力。

5) 投入设备少，施工简单，对施工器械和施工条件要求不高。

2工程实例

2.1工程概况

四川省富顺县沱江三桥是S305线富顺县城过境段改(扩)建工程中跨越沱江的一座独立桥梁。该桥位于晨光二厂上游约200 m，线路全长0.997 5 km，起讫桩号K8+492.5～K9+490。桥跨结构为1×20 m预制简支箱梁+(73+130+73)m悬臂现浇连续箱梁+18×20 m预制箱梁，桥面全宽26.5 m。汽车荷载为公路I级，人群荷载为3.0 kN/m2，设计洪水频率为1/100，通航等级为IV-(3)。

沱江三桥桥梁2#主墩位于河床中，承台嵌入河床强风化岩层0.6～4 m。河床表面只有约0.5 m的卵石覆盖层，河床地质为强风化粉质砂岩。沱江枯水季节流速平缓，流速为0.3 m/s。3#墩承台水深达到8 m，2#墩水深在5～14 m之间。桥梁总体布置如图1所示。

图1　富顺县沱江三桥总体布置

2.2施工方案

2#墩承台所处河床地形陡峭，纵桥向承台边缘原河床底面标高高差达8 m，钻孔桩平台若采用钢结构平台进行施工，则需进行水下爆破，且河床清理平整后才能开始钢结构平台及后续承台钢套箱施工。若采用这种方法施工，则不仅时间周期较长，投入大型设备较多，施工进出场极为不便，而且办理相关特殊施工许可证周期也较长，无法保证在汛期洪水到来之前完成水下结构物的施工，从而会影响整个工期。通过现场勘查，发现2#墩承台基坑开挖边坡验算稳定性不够。因此，结合水下河床地形、地质条件，并考虑到施工器械和施工条件的限制，同时结合设计方案，确定2#墩采用注岛围堰施工方案，围堰形式为钢筋混凝土拱。钢筋混凝土拱围堰结构形式如图2所示。

图2　拱圈结构形式

2.3施工步骤

1) 在靠航道侧围堰筑岛边缘1 m处插打钢板桩，形成有效的止水帷幕，防止沱江水渗入。

2) 边坡采取挖机开挖，初始开挖3 m采用放坡开挖，不采用拱圈支护，开挖过程中注意观测边坡土体，发现有裂缝、变形时应停止开挖，经处理后再继续开挖。开挖放坡为1∶1.5。

3) 基岩采用凿岩机破除后挖除，已经挖好的坡面需喷施水泥砂浆进行护坡，防止雨水冲刷导致边坡滑坡。开挖过程中不得超挖，挖1层支护1层，并注意观测基坑壁土体，若发现变形滑坡则必须进行加固措施后再开挖。

4) 拱圈施工由上而下进行，由外到内，按测量放线的位置进行开挖。挖出拱圈施工位置后须立即进行钢筋绑扎及模板安装，并尽快浇筑混凝土以形成拱圈结构，有效支护基坑壁。拱圈拱脚设置在上下游侧原有地貌的基岩岩层上，在基岩上植筋并将其与拱圈钢筋相连，使其与拱圈钢筋相连形成整体，同时拱脚与基岩结合处须保证对拱圈施工外的基岩不会产生扰动、破坏。在拱圈底板预埋接茬钢筋，采用将钢筋直接打入地面的方式进行。待下层拱圈施工时挖除土方后，露出钢筋即可与下层拱圈钢筋相连接。

5) 拱圈浇筑混凝土拆模，混凝土强度超过50%后，即进行下1层拱圈的施工，方法与第4)条相同。上下层拱圈之间在宽度方向咬合30 cm，高度方向咬合10 cm，上下层拱圈之间形成有效止水带。

2.4拱圈结构验算

对于钢筋混凝土结构，通常需进行承载能力极限状态验算和正常使用极限状态验算。承载能力极限状态验算是指对结构抗拉、抗压、抗扭以及疲劳等验算，正常使用极限状态验算是指对结构抗裂、裂缝和挠度等验算。本文的钢筋混凝土拱围堰作为桥梁基础施工中的临时性结构，只对它进行承载能力极限状态验算，即承载能力验算。

2.4.1基本假设

验算时作如下假设。

1) 因土处于饱和水状态，故为简化计算且偏安全考虑，不考虑土的粘聚力(即c=0)，同时土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法。

2) 每层拱圈沿高度方向实际受到逐渐增大的均布压力。分析时，假设沿每层拱圈高度方向土压力和水压力按最大均匀分布。此假设是为了便于分析，但却忽略了偏心荷载对拱圈的影响。这是因为考虑到混凝土拱圈自重大，故偏心压力对它的影响可以忽略。

3) 每层拱圈之间，由于下层拱圈受到的土压力和水压力比上层拱圈的要大，故假设上下层拱圈之间的咬合不影响相互之间的受力，仅起止水作用，这种假设也与实际情况更加符合。

2.4.2地质参数

根据地质勘察报告，列出2#墩土层参数及桥墩处风化页岩土夹粘土层主动土和被动土压力系数，分别见表1、表2。

表1　2#墩土层参数

表2　2#墩风化页岩土夹粘土主、被动土压力系数

注：Ka为主动土压力系数；Kp为被动土压力系数。

2.4.3验算结果

根据施工顺序，对每个工况进行分析，然后选择最不利工况对拱圈最不利位置承载能力进行验算。当每1层拱圈施工完成并稳定以后，拱圈受到水平方向土压力和水压力以及等效车荷载产生的水平压力，其中车荷载为围堰顶面放置的搅拌车等设备的总重量。根据搅拌车尺寸将搅拌车等设备换算成地面超载，即等效车荷载，并根据计算结果选出最不利工况。

根据计算，发现最不利工况为最下面1层拱圈的受力，计算得到最不利工况下拱圈受到的总水平压力为：

4.01+37.85+30.6=72.46 kN/m

通过拱圈受到的外力即总水平压力选择有限元软件迈达斯建立拱圈模型来计算拱圈的受力情况。由于拱圈成型之后其自重由土体承担，故建模分析时可以把每个拱圈独立出来并分别进行受力分析。计算模型及结果如图3、图4所示。

根据计算结果得出拱圈拱顶截面的受力情况，见表3。

图3　最下面1层拱圈模型

图4　拱圈受均布荷载

轴力最大值/kN剪力最大值/kN应力/MPa拱顶变形/mm1192.194.11.41

1) 应力强度验算。

根据混凝土结构特性和拱圈受力特点，选择以下公式对拱圈进行应力验算。

γ0ψS≤R/γd

R=fk/γm

式中：γ0为结构重要性系数，对应于安全级别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的建筑物，分别取1.1、1.0、0.9；ψ为设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、偶然状况，分别取1.00、0.95、0.85；S为作用效应函数，为由弹性有限元法计算出的主应力；R为结构抗力函数；fk为混凝土强度；γm为材料性能的分项系数，取2.0；γd为结构系数，查表知，按有限元法受力状况抗压的结构系数取1.6。

由有限元软件计算得出拱圈受到的主应力最大为S=1.4 MPa，在应力强度计算公式中，取γ0=1.0、ψ=0.95、γm=2.0、γd=1.6，可得：

γ0ψS=1.0×0.95×1.4=1.33≤R/γd=7.85÷2÷1.6=2.45

满足GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中规定的结构强度要求。

2) 偏心距验算。

由于圆弧形拱圈在受均布荷载作用下产生的弯矩很小且主要是承受轴力，致使拱圈受到的弯矩与轴力的比值很小，完全能够满足偏心距限值的要求，所以此处不考虑偏心距的影响。

2.5研究结论

从拱围堰的设计过程看，拱围堰对工程地质条件要求不高，适用于复杂工程地质情况，适应范围广。拱围堰自身结构形式简单，受力状况明确，便于结构验算。从拱围堰施工看，采用分层施工的方法对土体扰动小且可充分保证施工安全。由于其施工方法简单，无需用到复杂的设备，施工成本较低，施工可行性高，所以该施工工艺具有一定的先进性，对同类工程施工具有一定的参考价值。从施工效果看，该形式的围堰为基础施工提供了足够的安全保障，具有很好的实用性。

总之，本文对沱江三桥2#墩围堰工程从设计、验算和施工进行了分析，结果表明，在施工条件有限、地质状况较为特殊的情况下，采用钢筋混凝土拱围堰具有构造简单、施工方便、受力明确等优点，值得推广。

3结束语

围堰是桥梁基础施工中重要的结构物。实际工程中，围堰形式的选择需根据具体地质条件、施工技术以及工期等各种因素综合考虑。钢筋混凝土拱围堰由于其构造简单、施工方便、工作可靠、承载能力强、安全度高等优点，在较多工程中得到运用。实际工程中，还可根据具体情况将拱围堰和钢板桩等结构结合起来使用，以达到优势互补的效果。

参 考 文 献

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Application of Reinforced Concrete Arch Cofferdam in Construction of Bridge Foundation

PENG Zhuang1, XU Mingjun2, CHEN Dehua2

Abstract:Reinforced concrete arch is used in design of bridge foundation cofferdam in accordance with loading features of arch and in consideration of material and mechanical properties of reinforced concrete. In combination with project examples of reinforced concrete arch cofferdam, this paper introduces loading features, construction methods, checking calculation theory and practicality of arch cofferdam.

Keywords:reinforced concrete; arch cofferdam; bridge foundation

文章编号：1009-6477(2016)01-0070-04

中图分类号：U443.16+2

文献标识码：B

作者简介：彭撞(1990-)，男，重庆市人，硕士研究生。

收稿日期：2015-09-07

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.016