超大哑铃形双壁钢套箱围堰设计

王寅峰 胡 军

(中铁大桥局集团有限公司 武汉 430050)

1 工程概况

武汉市四环线青山长江公路大桥主桥为350 m+938 m+350 m双塔双索面全漂浮体系斜拉桥，主跨主梁采用整体式钢箱梁，边跨采用钢箱结合梁，全长1 638 m，为双向8车道超宽、重载高速公路桥梁，主桥立面布置见图1。

图1 武汉市四环线青山长江公路大桥主桥云面布置示意图(单位：m)

大桥20号主墩采用60根直径2.5 m钻孔桩基础，承台为哑铃形，平面尺寸为99.6 m×39.2 m，顶高程+4.0 m，厚度9 m，承台中间采用18.0 m宽系梁连接，系梁处厚度与承台相同。

2 水文地质条件

大桥20号墩位于天兴洲尾部处洲南汊主河槽北侧，河床高程为-1.0 m左右，地层自上而下为粉细砂层、圆砾土层、泥质粉砂岩与微弱胶结砂岩，其中粉细砂层厚度约13 m，圆砾土层厚度约5 m。

墩位处10年一遇洪水水位为+25.85 m，20年一遇洪水位为+26.95 m，洪水期水流流速为2.5 m/s。自三峡工程开始蓄水发电后，长江中下游水位变化明显，在2005-2015年之间，墩位处在2010年到达最高水位+25.0 m，其余年份最高水位均未超过+24.0 m。

3 围堰设计

3.1 围堰总体设计及方案概述

20号主墩为埋入式基础，承台采用哑铃形双壁钢套箱围堰法施工。围堰平面尺寸为103.8 m×43.3 m，壁厚为2 m，其内侧轮廓线比承台边缘大100 mm。围堰总高度37 m，底高程为-11.0 m，顶高程为+26.0 m，双壁舱内混凝土灌注高度为15 m，灌水高度为10 m，封底混凝土厚6 m。考虑围堰加工制造及拼装条件，竖向共分为3节，从下至上高度依次为18.2，14.8，4.0 m。围堰整体布置见图2。其中底节围堰在船厂整体拼装制造，采用斜船架滑道法下水，下水后浮运至墩位利用锚碇系统定位，然后插打定位钢护筒并挂桩形成钻孔平台，钻孔桩施工完成后中节围堰分块接高，并接高部分钢护筒，安装导向装置、吊挂系统，利用吊挂系统及围堰内灌水下沉的方法下沉围堰至底口高于河床面2 m处，接高顶节围堰并继续下沉至着床，随后吸泥下沉至设计高程，对围堰内进行清淤、封堵、封底混凝土施工、围堰内抽水等工序，完成围堰施工[1]。

图2 围堰总布置图(单位：m)

3.2 侧板设计

围堰侧板为双壁侧板，厚度为2 m，面板采用6 mm和8 mm厚钢板；刃角高2 m，面板厚20 mm，面板竖向加劲肋采用∟63×6角钢，间距350 mm；隔舱板由16 mm厚钢板制造。底节及中间围堰水平环根据受力要求分别采用20 mm钢板+∟100×10角钢和25 mm钢板+∟125×12角钢，间距为800或1 000 mm，顶节水平环采用16 mm钢板+∟75×8角钢，间距为1 200 mm。为提高底节围堰下水、浮运时的整体刚度，底节围堰设计时将哑铃形两端侧板均设计为封闭的圆形结构(施工承台时再将侧板与承台冲突部分割除)，中、顶节围堰侧板则仍按照承台外轮廓形状设计。同时围堰在设计时为提高系梁和两端圆形连接处的刚度和强度，特将连接处节点设计为箱形结构。

3.3 底隔舱设计

底隔舱为围堰下水支承结构和封底混凝土分舱结构，同样采用双壁形式，底隔舱整体高度为6 m，宽1.8 m，其面板、加劲肋、水平环及角钢等结构均与侧板相同，围堰每个圆内均设置2道底隔舱。

由于底节围堰采用斜船架滑移下水方案，围堰在厂内整体加工制造完成，利用小车转场并转移至斜船架上，由斜船架将围堰滑移下水[2]。故在围堰底隔舱及侧板支承处均设置加劲板、联结系梁以增加结构局部受力及稳定性。支承处底隔舱加固结构见图3。

图3 底隔舱加固布置图(单位：mm)

3.4 内支架及撑管设计

底节围堰内支架为工字型纵横梁结构，施工中兼做钻孔平台，圆形范围内工字梁截面尺寸为2 420 mm×500 mm(高×宽)，系梁处工字梁采用HN800×300型钢。围堰撑管采用直径1.42 m钢管，布置在围堰系梁处，底节围堰共布置3根，中节围堰共布置12根。

3.5 封底混凝土设计

封底混凝土采用C30水下混凝土，厚度为6 m，由于承台系梁范围内无主体钻孔桩，为改善系梁处封底混凝土受力，在系梁处设计8根直径1.8 m钻孔桩辅助施工。

3.6 挂桩系统设计

底节围堰浮运到位后，双壁舱内灌水下沉至顶高程+26.0 m，利用浮吊插打定位钢护筒，插打完成后在定位钢护筒内安装十字伸缩梁作为挂桩支承结构。十字伸缩梁外套部分为截面882 mm×500 mm(高×宽)箱形梁，内伸梁为截面840 mm×420 mm(高×宽)箱形梁，十字梁下放到位后将内伸梁拉出支承于护筒壁上，并与外套梁之间采用螺栓连接。

4 围堰计算

4.1 计算荷载及工况

根据围堰施工步骤及水文条件确定其计算工况及荷载[3-4]，见表1。

表1 围堰计算工况及荷载

根据桥位处水位资料,围堰抽水工况计算水位取+24.0 m，围堰设防水位取10年一遇洪水水位+25.85 m。

4.2 计算结果

围堰计算采用有限元软件midas Civil建立整体空间模型[5]，其中围堰侧板、隔舱板及底隔舱壁板采用板单元进行模拟，水平环板、水平角钢、内支撑、底隔舱水平环板及角钢均采用梁单元进行模拟，具体模型见图4。

图4 围堰整体模型

4.2.1围堰变形分析

围堰变形最大值出现在工况5，此工况下围堰外侧按36.85 m水头差加载，且双壁舱内灌注15 m高混凝土和10 m高水，根据模型计算得知，围堰变形最大值为26.0 mm，变形较小，满足要求。围堰变形见图5。

图5 围堰变形图

4.2.2侧板内力分析

侧板壁板最不利工况出现在工况3，围堰在自重作用下吃水深度约13.0 m，为围堰单壁所受最大水头差。围堰面板厚度为6 mm和8 mm，侧板竖向加劲肋采用∟63×6角钢，角钢水平布置间距为350 mm。根据围堰所受荷载及角钢布置形式计算的面板最大应力σ=165.9 MPa<170 MPa，角钢最大应力σ=162.5 MPa<170 MPa，均满足要求。

4.2.3侧壁水平环及角钢内力分析

根据整体模型计算结果，围堰侧壁水平环板及角钢最不利工况出现在工况5，其中水平环板最大应力为169.1 MPa<170 MPa，最大变形(取相邻隔舱板内水平环进行计算)为8.4 mm<13 487/400=33.7 mm，满足要求。∟125×12角钢最大轴力为227.4 kN(压力)，其截面特性为：A=2 891 mm2，i=24.58 mm，l=1750 mm，则长细比λ=71.2，稳定系数φ=0.743 5，根据GB50017-2017 《钢结构设计标准》考虑单角钢折减系数μ=0.6+0.001 5λ=0.71，则角钢稳定应力σ=N/(Aφμ)=150.3 MPa<170 MPa，∟100×10最大轴力为138.3 kN(压力)，其面积A=1 926 mm2、长细比λ=89.1、稳定系数φ=0.627 2、单角钢折减系数μ=0.6+0.001 5λ=0.73，则角钢稳定应力σ=N/(Aφμ)=156.8 MPa<170 MPa。

4.2.4内支架及撑管内力分析

内支架根据工况2和工况5荷载进行计算，工况2钻孔桩施工时，主要施工荷载为TR550C旋挖钻机、TR460旋挖钻机、1 250 kN履带吊机，另外考虑部分施工堆载。单个圆形范围内布置12套固定挂桩设备和4套活动挂桩设备(活动挂桩设备在钻机施工时布置在钻孔桩四周)。根据上述荷载计算得出内支架工况2最大正应力σ=83.1 MPa<170 MPa，剪应力τ=58.7 MPa<100 MPa。工况5围堰主要荷载为10年一遇水压力，此工况下内支撑最大正应力σ=169.4 MPa<170 MPa，剪应力τ=17.1 MPa，均满足要求。

4.2.5底隔舱内力分析

底隔舱最不利工况出现在工况1，计算时建立底节围堰空间模型，根据运输小车和斜船架布置位置设置约束。根据计算结果，侧板及加劲板最大应力σ=122.9 MPa<170 MPa，水平环最大应力σ=100.9 MPa<170 MPa，角钢最大稳定性应力σ=93.4 MPa<170 MPa(计算方法同4.2.3)，均满足要求。

4.2.6围堰抗浮(沉)及封底混凝土内力分析

围堰抗浮(沉)最不利工况为工况4，按+24.0 m抽水水位进行计算，围堰所受上浮力为1 046 636 kN，围堰抗浮荷载主要来自于围堰自重、封底混凝土自重及钻孔桩钢护筒与封底混凝土之间的黏结力，共计 1 133 912 kN，则围堰抗浮安全系数为1.08>1.05，满足要求。

此工况下封底混凝土最大主拉应力为0.9 MPa，位于系梁段钢护筒与封底混凝土黏结处，属于应力集中，其余部分应力均小于允许拉应力0.5 MPa，强度满足要求。靠近系梁侧的主体桩护筒(4根)和辅助桩护筒与封底混凝土之间的黏结应力分别为204 kPa和270 kPa，均大于150 kPa(经验值)，故采取在钢护筒上焊接钢筋加劲环的方式进行加强，其余主体桩护筒与封底混凝土的最大黏结应力为137 kPa，满足要求。

5 结语

青山长江公路大桥北主墩基础平面尺寸大，施工水位深，施工时采用双壁钢套箱围堰进行防护，围堰根据承台轮廓同样设计为哑铃形状，其内侧侧板可兼做承台模板，并将底节围堰内支撑与钻孔平台结合设计以方便施工，围堰系梁处通过设置辅助桩以减小系梁处封底混凝土厚度。经计算，各个工况下围堰受力均满足要求，目前该基础施工已顺利完成，围堰结构成功经受渡洪考验，该围堰的设计方法，结构形式可为今后同类型桥梁深水基础施工提供借鉴。