一种新型整体式钢圆筒围堰在暗埋法桥墩中的应用

肖仕宝，梁 桁

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027）

一种新型整体式钢圆筒围堰在暗埋法桥墩中的应用

肖仕宝1，梁 桁2

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027）

针对外海、软土地基上暗埋法预制桥墩的施工，通过对现有止水围堰结构特点分析，提出了一种新型整体式钢圆筒围堰结构。阐述了新型结构特点，介绍了设计原则、方法、构造等关键技术。经工程验证，该结构稳定性好，止水效果好，循环周转快捷方便，是值得推广的新型围堰结构。

暗埋法；整体式围堰；钢圆筒围堰

1 工程背景

港珠澳大桥工程位于珠江口伶仃洋海域，其中深水区非通航孔桥长约14 km，采用110 m跨度整墩整幅钢箱联系梁桥方案，承台及墩身采用全预制装配化施工，为了减少基础阻水率，基础均采用埋床法预制墩台[1]，即先施工钢管桩复合桩，然后在水下安装预制承台，再通过后浇混凝土将桩基础和预制承台连接为整体。结合工程区域的水深地形情况，墩台基础底部需埋至-12.0 m标高。

工程区域处于珠江口台风频发区域，20 a一遇H1%设计波浪为4.27 m。原泥面约为-5.0~-7.2 m，表层至-25.0 m区域多为淤泥，-25.0~-35.0 m区域为淤泥质黏土，其下交替为淤泥质黏土、淤泥质黏土夹砂。

为满足工程需求，复杂海况、软土地基、大埋深埋床法预制基础中涉及的预制承台与桩基础连接转换，是亟待解决的问题。

2 埋床法干施工工艺对比分析

2.1 传统施工工艺对比

国内尚无埋床法预制基础应用先例，对现有桥墩基础施工围堰工艺对比总结分析如下：

1）传统桥墩采用有底钢吊箱围堰，该结构只适合于止水标高较浅、海况环境较好地区，不适合于止水深度深、外海复杂海洋环境工况。

2）钢板桩（或钢管桩）加支撑的施工围堰。该方法需施打多根钢板桩和根据基坑的开挖深度逐级安装支撑结构，通过桩基的入土深度和支撑来满足围堰稳定，通过钢板桩的锁扣来满足止水。该结构的特点为钢板桩需要逐根施打，逐步安装支撑结构，施工工序繁杂、止水保障度不高，循环使用较为麻烦，功效低。

3）双壁钢围堰由多段钢板单元组成，入土较浅，需要浇筑封底混凝土来满足稳定和止水要求。该结构特点为双壁钢围堰需要逐根施打，施工工序均较为繁杂，采用混凝土封底后，板单元拔除困难，一般只用于单次使用，不能循环使用，且软土地基上的适应性还有待于验证。

国外装配式埋床法桥梁基础形式多采用沉井或者沉箱结构，而本工程地处软弱地基，不适宜采用对基础要求较高的沉箱结构。

2.2 施工招标方案

本工程暗埋法预制承台桥墩施工，其核心为桩基础和预制承台连接转换的止水方案，施工招标方案采用了止水胶囊方案，该方案要求为：钢管复合桩斜率不超过1/400，桩顶平面偏差不超过50 mm。

由于尚无采用止水胶囊应用于暗埋法的先例，施工前进行了桥梁墩台足尺模型工艺试验研究，试验研究表明：

1）该方案对沉桩垂直度和平面偏位要求极高，常规沉桩工艺的施工精度难以满足，需采用超常规工艺沉桩，大型船机设备投入多、沉桩效率低、施工费用高。

2）挡水围堰与承台连接，连接结构和连接处的止水复杂，形成的干施工作业面较小，安全风险较大。

3）后浇孔与钢管桩间的止水在水下施工，且需保证台风期挡水围堰与承台间的连接和止水可靠，难度大，工序多，风险高。

2.3 整体式钢圆筒围堰结构特点

受港珠澳大桥主体工程人工岛钢圆筒设计方案[2]（直径22.0 m，面积380 m2）的启发，拟开发一种新型钢圆筒围堰结构[3-4]，能适用于外海复杂海况、软土地基上，提供较大止水深度、可循环使用的整体式止水围堰，用于外海装配、埋入式桥梁墩台的止水。

如图1所示，具体为：将整体式大直径钢圆筒，振沉至设计稳定、止水标高，筒内抽水，创造干施工环境，必要时通过支撑系统将桥墩基础和钢圆筒围堰整体相连，以抵抗极端外海波浪作用。桥墩施工完后，钢圆筒围堰可整体拔出，循环使用。为了满足钢圆筒围堰循环使用过程和筒内抽水压力作用下结构的强度要求，需对钢圆筒围堰本身进行加固设计。

图1 暗埋法施工钢圆筒围堰典型断面图Fig.1 Typical section of steel cylinder cofferdam construction by embed method

经对比分析，该方案具有以下优点：

1）对沉桩精度要求低，采用常规沉桩工艺可以满足要求，船机设备投入少、沉桩效率高、施工费用省。

2）采用钢圆筒插入土层中，止水效果好，施工快，形成的干施工作业面大，安全风险较小。

3）钢圆筒振沉至设计标高后，将预制墩台与外海复杂海况隔离，使墩台后浇孔浇筑在干施工环境中进行，且不受外海风浪影响，后浇混凝土质量有保证。

4）钢圆筒围堰结构通过插入土体满足结构的稳定要求，极端海况下，可与桩基础相连，结构稳性好，抗台风能力强。

5）钢圆筒围堰可循环利用，虽钢圆筒围堰单次施工费用较高，但综合费用低。

3 整体式钢圆筒围堰结构设计

3.1 设计要点

人工岛钢圆筒结构是通过圆筒内回填和深插来满足外荷载作用下的结构稳定要求，其主要荷载为静水压力和波浪力。整体式钢圆筒围堰是利用单个钢圆筒内的施工空间，来满足预制桥墩和钢管复合桩连接的干施工要求，结构的稳定、强度、止水要求有其独特的特点。由于圆筒内无填料，主要靠钢圆筒的嵌固来满足结构稳定；钢圆筒围堰本身将承受高达13.0 m的水头差和波浪力，同时还需满足圆筒结构振沉和上拔的循环使用要求。

经系统梳理，设计要点为：1）稳定分析；2）结构强度分析；3）振沉、拔出分析；4）结构止水和抗隆起分析。

3.2 稳定性分析

3.2.1 工况分析

结合桩基础、钢圆筒围堰及预制桥墩的施工工序，工况分析如下：

工况一：设计高水位+2 a一遇波浪力+水流力，钢圆筒振沉后尚未与桩基础连接，筒内尚未抽水。

工况二：设计高水位+2 a一遇波浪力+水流力，钢圆筒振沉后尚未与桩基础连接，抽水至-13.0 m。

工况三：设计高水位+20 a一遇波浪力+水流力，钢圆筒与桥墩基础通过桁架连接，支撑点标高-12.4 m，圆筒内抽水至桥墩施工标高，此工况为防台工况；

工况四：设计高水位+100 a一遇波浪力+水流力，钢圆筒与桥墩基础通过桁架连接，圆筒内灌水与海侧齐平，此工况为极端工况。

3.2.2 分析模型

建立空间有限元模拟钢圆筒围堰的三维施工过程，分析各工序下圆筒结构与土体的变形以及钢管桩的受力，分析得到最危险工况下结构的安全性系数。

综合考虑以上要求，采用国际著名Plaxis 3D专业岩土有限元软件，选取适当的模型来模拟土体力学行为以及土体—圆筒结构间的相互作用，建立相应的数值计算模型，如图2所示。

图2 钢圆筒围堰和桩基础三维有限元分析模型Fig.2 3D finite element analysis model of steel cylinder cofferdam and pile foundation

为了模拟桩-土接触界面的性质，土体采用实体单元来模拟，大圆筒结构采用空心桩单元来模拟，并在圆筒与筒内土、筒外土之间均加入界面单元模拟接触的实际性质。对于结构与土之间的界面，按照一般的工程经验，取同深度土层材料强度的2/3作为接触面单元的强度。钢管桩采用embedded桩单元模拟，切合工程实际，材料属性是通过沉桩桩侧、桩端极限摩阻力确定。所有土体均采用Hardening soil model，它的弹性部分采用了合理的双刚度，即加/卸载模量分别定义，且考虑了土体模量随应力增加而增大的特性。塑性部分采用了非相关联流动法则和各向同性的硬化准则，可较好地描述曲线形式的应力应变关系和土体的剪胀性。

模型的位移边界条件：4个侧面约束其法向位移，底面约束其3个方向的位移；排水边界条件：底面及4个侧面均为不排水边界，顶面为排水边界。

3.2.3 稳定性结果

考虑冲刷深度2.0 m，支撑点按-12.4 m考虑，工况二筒顶最大水平位移为10.24 cm；工况四，计算表明筒内灌水有助于结构稳定，筒顶的最大水平位移为13.88 cm，钢管复合桩的最大弯矩为8 137 kN·m，小于极限承载力值。

3.3 结构强度分析

3.3.1 结构加固设计

为满足钢圆筒振沉、上拔和在大水头差作用下结构的强度要求，根据同类工程经验，并结合围堰结构的特点，需对钢圆筒围堰的以下部位进行加强。

1）为了夹持钢圆筒，需要保证钢圆筒顶部的圆度，需要对顶部钢板进行加厚，并设置刚度较大的橫肋，以约束其顶部变形，该工程中设置了刚度较大的仔形肋。

2）为了满足振沉和上拔过程中，激振力和上拔力的传递，需要设置竖向肋，该工程中设置了刚度较大的T形肋。

3）为了约束筒体的侧向变形和满足静水压力作用，在筒体高度方向，需设置多道橫肋，该工程中设置了刚度较大的小型仔形肋。

工程经验表明，为了满足循环使用过程中振冲、上拔和施工过程中大水头差的作用，加固构件的综合强度需远大于人工岛的钢圆筒结构[2]。

3.3.2 强度分析

采用大型国际通用有限元软件ANSYS进行建模分析，钢圆筒采用弹性壳单元SHELL63模拟，其具有弹性、大变形和应力刚化等功能；加固结构和钢管桩采用梁单元BEAM188模拟，其优点可在确保计算精度的同时，减小计算规模，便于后处理；钢圆筒底部约束其竖向位移，基桩采用假象嵌固点的方法。具体详见文献[5]。

3.3.3 主要结果

钢圆筒结构最大变形为26.7 mm，最大应力为149.14 MPa<295 MPa；支撑体系与横肋接触部分局部出现应力集中为258.9 MPa，仍满足结构强度要求，为确保安全，在接触部位需使用加强撑板加固。

由于钢圆筒属大直径薄壁结构，在循环使用过程中，局部会出现变形，该变形会导致使用过程中的应力集中，该种效应在理论上较难分析，因此在结构强度分析过程中，需要预留较大安全系数。

3.4 振沉、上拔分析

振沉系统重约561 t，钢圆筒重577 t，总重约1 062 t。钢圆筒振沉深度较浅，在锤组自重和钢圆筒自重作用下，辅助激动力作用，可轻易振沉至设计标高-25.0 m。

上拔过程中需要克服圆筒和振沉设备的自重和侧摩阻力，上拔力的分析是起重船能力确定的关键。

根据人工岛钢圆筒振沉能力分析经验[2]，经计算，动侧摩阻力约为780 t，自重和动侧摩阻力分别取1.2和2.0安全系数，则要求起重船起吊能力不小于3 000 t。

3.5 结构止水和抗隆起分析

3.5.1 结构止水

钢圆筒围堰本身为良好密闭结构，结构止水取决于插入止水层厚度。根据建筑基坑支护技术规程[6]，在13.0 m水头作用下插入止水性良好的淤泥及淤泥质黏土层5.0 m时，能有效止水，实际插入约17.0 m，满足止水要求。

3.5.2 地基抗隆起

钢圆筒插入至-35.0 m，筒内开挖抽水至-13.0 m。地基隆起发生在软弱的黏土地基上，是开挖背面的土体重量超过了开挖底面以下地基承载力的现象，根据工程地质手册[7]，可采用以下公式计算：

式中：x0为对于地基隆起的最小安全率应有的深度，m；Fs为x=x0时的安全系数；h为开挖深度，m，取6.5 m；a，b表示内聚力的系数；酌为土的浮容重，kN/m3；q为上部荷载，kN/m3。

经计算x0取3.3 m即可满足抗隆起要求，实际约为17.0 m。

经以上分析，钢圆筒围堰的稳定、强度、振沉及上拔、止水和抗隆起均满足要求，可用于暗埋式桥墩止水围堰（图3）。

图3 钢圆筒围堰施工实景图Fig.3 Photos of steel cylinder cofferdam during construction

4 结语

经工程检验，整体式钢圆筒围堰应用于外海、软基暗埋法桥墩干施工时，稳定性好、止水效果好、循环周转快捷方便，是一种值得推广的围堰结构。

[1]港珠澳大桥桥梁工程土建工程施工图设计[R].北京：中交公路规划设计院有限公司，2011.Construction design of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge civil engineering project[R].Beijing:CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,2011.

[2]港珠澳大桥主体工程隧道人工岛施工图设计说明[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2011.Construction design for artificial island engineering of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge principal project[R].Guangzhou:CCCCFHDI Engineering Co.,Ltd.,2011.

[3] 港珠澳大桥桥梁工程土建工程施工（CB03）—钢圆筒围堰工程施工图设计[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2012.Construction design of steel cylinder cofferdam sub-project for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge civil engineering project(CB03)[R].Guangzhou:CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,2012.

[4]中交第四航务工程勘察设计院有限公司.一种大型钢圆筒围堰结构：中国，ZL201310371592.3[P].2015-08-19.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.A large steel cylinder coffer原dam structure:China,ZL201310371592.3[P].2015-08-19.

[5] 王宇，胥新伟，刘思国.钢圆筒围堰结构有限元应力分析[J].中国港湾建设，2015，35（9）：47-50.WANG Yu,XU Xin-wei,LIU Si-guo.Finite element analysis on large diameter steel caissons barrages[J].China Harbour Engineer原ing,2015,35(9):47-50.

[6]JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程[S].JGJ 120—2012,Technical specification for retaining and protec原tion of building foundation excavations[S].

[7] 常士骠，张苏民.工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2007.CHANG Shi-biao,ZHANG Su-min.Engineering geological manual[M].4th ed.Beijing:China Architecture&Building Press,2007.

Application of new steel cylinder cofferdam in embed pier

XIAO Shi-bao1,LIANG Heng2
（1.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China;2.China Harbour Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100027,China）

Combined the oversea embedded pier construction based on soft ground，through the characteristics analysis of existing cofferdam structures,we introduced a new steel cylinder cofferdam,expounded its features,and introduced the key technologies,such as the design principle,method and structure,etc.It忆s verified by the project that the structure is with well stability,water-stop effect and convenient for recycling,and it is a new cofferdam structure worth promoting.

embed method;unitary cofferdam;steel cylinder cofferdam

U445.556

A

2095-7874（2017）12-0052-05

10.7640/zggwjs201712012

2017-05-24

2017-07-13

肖仕宝（1982— ），男，江西赣州人，高级工程师，主要从事港口工程设计。E-mail：xiaosb@fhdigz.com