新水东大桥双壁钢围堰设计

陈传军

（深圳市西伦土木结构有限公司，广东 深圳 518057）

0 引言

近年来，随着国民经济的迅速发展和城市化进程加快，国家大力发展交通基础工程，高速公路和城市快速路迅速发展。随着公路和城市道路等级的提高，桥梁所占的比例越来越大。然而，由于目前国内施工单位的技术水平参差不一，桥梁安全事故越来越多，公开报道的事故中，大多为施工方案对安全没有足够重视导致。

根据这一现状，业主作为建设单位，越来越依赖设计单位的技术专业性，要求设计单位采用精细化设计，以指导施工单位顺利完成施工；而发改局在审查造价咨询单位根据施工图编制的标底时，亦要求设计公司对施工方案图（如水上施工平台、现浇支架图、安全防护棚等）不断细化，以得到较准确的工程量作为批复造价的依据；最后，随着EPC工程总承包模式的日趋成熟，设计院也逐渐向着工程总承包的方向发展，这些都要求设计图纸接地气，不再停留于以往“仅作为指导性施工方案”的粗浅方式。

新水东大桥由福建省交通规划设计院设计，2012年9月受施工单位中铁一局集团二分公司的委托，作为设计院对新建南平水东大桥3号和4号桥墩深水基础施工方案进行专项设计。因篇幅所限，本文仅对3号桥墩深水基础设计进行介绍。

1 工程概况

新水东大桥位于福建省南平市区东，桥梁横跨建溪河，是水东街道社区通往南平市区的必经之路，是市政的抢险工程。与新桥相距50 m的旧水东大桥已经禁止机动车通行，原本到市区几百米的路程要绕道数十公里，市民们十分期待大桥早日通车。主桥为一联57.5 m+105 m+57.5 m变截面预应力混凝土连续刚构桥，引桥为1-15.4 m和2×25 m连续箱梁，桥梁全长220 m。桥位处建溪河河道水面宽近300 m，河底高低不平，水深7.5～15 m。

桥梁为整体式断面，桥面全宽20 m，横断面布置为：2.5 m人行道+15 m机动车道+2.5 m人行道。

1.1 承台尺寸

主桥桥墩为薄壁式单箱三室空心墩，承台尺寸：20.1 m×9.1 m×3.5 m，其下接2.2 m钻孔灌注桩群桩基础，桩基纵桥向两排，横桥向四列布置，间距5.5 m。承台顶部高程均为60.5 m，底部高程57 m。图1为新水东大桥立面图。

1.2 水文地质

施工区域内水系属建溪水系，汛期集中在3～9月，建溪常水位为61.5～62.8 m，水流速3 m/s。3#主墩常水位河床水深约为15 m，河床覆盖层比较薄（约2～4 m多厚），为土加石。

根据地质资料显示，3#墩地质土层情况如下：

（1）卵石:松散、饱和、黄色，取芯率约 30%，成份以卵石为主，含有30%～35%的黏性土、砂等，分选性差，级配较好，粒径2～4 cm为主，个别大于6 cm，呈磨圆状或半磨圆状，充填物主要以砂、黏性土为主。

（2）含黏土、卵砾石粗砂:中密、密实、饱和、灰黄色。成份以粗砂为主，钻进过程中返浆中多为粗砂颗粒，含约30%～35%的卵砾石。黏土，分选性差，级配好；卵石粒径2～4 cm为主，个别大于6 cm，呈磨圆状或半磨圆状。

图1 新水东大桥立面图

（3）砂土状强风化凝灰质粉砂岩:灰黄色，矿物主要可见残余的石英、长石颗粒，可辨别出粉砂～砂状结构，大部分矿物已风化成次生矿物，岩体极破碎，呈散体状结构，岩芯呈砂土状，夹杂少量碎块状，手捏易散，泡水易软化、崩解，强度低，属极软岩。该层标贯击数大于50击。

（4）碎块状强风化炭质粉砂岩夹煤线:深灰色、灰黑色，矿物主要可见长英质和炭质碎屑等，泥质、粉砂结构，薄层状构造，岩质不新鲜，节理裂隙很发育，43m以上裂隙面多见铁锰质渲染，局部矿物已风化成次生矿物，岩体极破碎～破碎，呈碎裂状结构，岩芯以碎砾～碎块状为主，碎块块径在3～5 cm间，偶见岩芯长5 cm，敲击易碎，TCR值约为20～30，RQD值近0，属极软岩。

（5）中风化炭质粉砂岩夹煤线:深灰色、灰黑色，矿物主要成分为长英质和炭质碎屑等，泥质、粉砂结构，薄层状构造，岩质较新鲜，坚硬，敲击声较钝，节理裂隙发育，裂隙面上多有丝绢光泽，岩体较破碎～较完整，呈镶嵌碎裂结构，岩芯呈短柱状、碎块状，最长见35 cm柱状，TCR值约为50～60，RQD值约为10～20，属极软～软质岩。在钻进过程中，有出现忽快忽慢的现象，故判定存在软弱夹层。62.5 m以下，岩芯炭质含量明显增高，用手搓敲断的裂隙面，易污手，手感滑腻，且光泽明显，暴露空气中一天后，多出现崩解现象。71.1 m以下，岩芯呈碎块状为主。

2 围堰设计原则及技术标准

2.1 设计原则

（1）新水东大桥工期短、时间紧，水中3号、4号主墩已为控制工期的节点工程，故必须选择施工周期短、施工速度快、材料资源丰富的钢围堰方案。

（2）钢围堰必须具备足够的刚度以保证施工安全及渡洪要求，围堰为临时结构，顶面标高按高出62.8 m常水位0.5 m以上考虑。

（3）考虑到不妨碍承台施工要求、抽水设备、汇水井布置等因素，围堰内直径采用较承台对角线每侧大1 m左右。

2.2 设计标准

设计标准见表1。

表1 设计标准一览表

3 围堰设计方案

3.1 总体布置

新水东大桥3#墩双壁钢围堰采用圆形双薄壁钢结构，围堰堰脚穿越覆盖层置于基岩面并入岩0.5 m左右，刃脚底标高为41.5 m。围堰隔仓内浇注混凝土至封底混凝土顶面以上1.5 m即46.0 m标高位置处。钢围堰现场总体布置如图2所示。

3.2 结构构造

3#墩双壁钢围堰高度为H=22.0 m，沿高度方向分成了5个节段，即：刃脚段4.0 m（刃脚段）+6×3.0 m（标准段）。每个圆环形围堰节段等分为10个环块，节与节之间、块与块之间的连接均采用连续满焊等强度焊接。单块钢围堰吊装最大重量约5.4 t，为保证围堰下沉过程中保持竖直状态，在外壁和内壁钢板间焊接8块隔仓板，形成相对独立的仓室，利用各仓之间水位高差来调整围堰竖直度。

围堰制作材料均采用Q235钢材，内外壁钢板厚6 mm，横向水平主龙骨托架采用16 mm扁钢圆环加强，壁板之间的竖肋、水平横撑、水平斜撑和竖直斜撑均采用L50×6 mm角钢。竖肋间距：内壁板上50 cm，外壁板上33.3 cm；水平托架竖向间距1.5 m。结构构造见图3所示。

图2 钢围堰总体布置图

图3 钢围堰结构构造图

3.3 施工方法

3#墩承台下河床河沙覆盖层厚度为1.4～8 m，根据水下摸底情况得知地势较为平坦，方便了钢围堰的下沉。钢围堰在岸边加工场制作，设四座胎模以保证加工精度。围堰底节在临时码头上拼装焊制成形后，采用2台浮吊和2台汽车吊整体起吊下水。

4 计算分析

钢围堰在其自身拼装形成过程中和其下沉就位后的各种工作状态下，均受到流水、土体、风力等外界的作用。为了满足在各种外界力的作用下，钢围堰结构能够完好地工作，处于良好的工作状态，从而实现它的各种功能，需要对其在各种状态下进行结构计算。

4.1 力学性能参数

该项目于2012年施工，其方案中所选用钢材钢号均为Q235A，力学性能根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）规定，考虑临时工程容许应力提高系数1.3，按以下规定计算：

（1）弹性模量：E=200 GPa；

（2）抗弯容许应力：[σ]=1.3[σw]=1.3×145=188.5（MPa）；

（3）抗剪容许应力：[τ]=1.3×85=110.5（MPa）。

4.2 围堰堰壁在静水压力作用下的强度验算

钢围堰在堰内抽水完成以后，由于内外水头差较大，此时其处于不利的受力状态下，应对无填壁混凝土的围堰壁进行强度计算。

经计算，围堰外壁和内壁所能承受的最大水头差分别为13.25 m和5.88 m。浇筑承台混凝土时，堰内抽水至承台底面以下0.5 m处标高，即56.5 m。施工期间，保持河床常水位与钢围堰内外壁之间的水头差不大于3 m，即可满足受力要求。

4.3 壁板竖向角钢受力计算

水平托架间距为1.5 m，竖向角钢按三跨连续梁验算。梁跨径为1.5 m，其断面形式考虑40倍壁板厚度竖肋共同受力时，如图4所示。

图4 竖肋角钢与堰壁的组合截面图

最高施工水位为62.8 m，围堰内抽水至承台底面以下0.5 m即标高56.5 m时，隔仓内注水至标高59.8 m处。此时，经计算截面上下缘最大应力分别为：σ上=52.3 MPa，σ下=158.4 MPa均小于容许应力[σ]=188.5 MPa。

剪应力为：τ=55.4 MPa＜[τ]=110.5 MPa

可见，堰内抽水达到最大水头差时，围堰壁竖向肋角钢处于良好的受力状态，结构安全。

4.4 钢围堰承受静水压力时整体的稳定性验算

设实际水头差为：h0=62.8-56.5=6.3（m），则验算荷载为：q=h0v=63×10-3（MPa）=0.063（MPa）。

可见：q＜＜qcr，所以钢围堰在施工过程中不会发失稳现象。

4.5 抗浮验算

F浮＝ρgV排=1.0×103×10×π ×13.3692×（62.8-56.5）/103=35 374.3（kN）；

双壁钢围堰及自重：G1=322.9×10=3 229（kN）；

封底混凝土自重：G2=π×11.9372×3×24=32 230.9（kN）；

填充混凝土自重：G3=π×（13.3692-11.9372）×（3+1.5/2）×24=10 246.1（kN）；

围堰内外壁之间的水重：G4=π×（13.3692-11.9372）×（59.8-46）×10=15 710.7（kN）；

则抗浮稳定系数：K=（G1+G2+G3+G4）/F浮=1.89，满足要求。

4.6 封底混凝土强度验算

封底混凝土底部水压：q水=γ水h水=10×（62.8-56.5）=63（kPa）；

混凝土自重产生的压强：q混凝土=γ混凝土h混凝土=24×3=72（kPa）。

混凝土自重比水压大，故其强度不需验算。

上述分析计算结果表明：围堰尺寸拟定是合理的，围堰各构件受力比较合理，满足施工过程中的受力要求，围堰整体抗浮和抗滑移稳定性都能得到保证。该围堰取得了良好的经济效益和工期效益，其设计和计算可为类似工程的使用提供参考。

5 结论

通过对新水东大桥主墩钢围堰的设计,得出以下结论:

（1）采用增大环板厚度的方式可以明显减小结构的受力,因为围堰结构大体相当于承受均匀水压的圆环,主要承受压力,增大环板厚度即等于增大了承压面积,因此效果十分明显。而增大横撑截面积的方式对于减小整个结构受力并不明显,因为横撑主要起到传递剪力,使内外壁共同受力的作用,对于减小结构的整体受力并不明显。

（2）围堰夹壁内填充混凝土较填充水可有效减少结构的最大应力和变形,提高结构的刚度和稳定性。

（3）在钢围堰加工过程中，应严格保证各部分焊缝的质量,对关键受力焊缝应作探伤检验,对有水密性要求的所有焊缝应作水密性试验。对各种型式的焊缝应作标准样焊缝试验。

（4）在钢围堰施工过程中,应尽量避免使其遭受船舶的撞击,并加强施工期间的航道维护工作,如设置导航标、安排专门人员进行巡逻等,尽量将船撞的风险降到最低。