宜宾临港长江公铁两用大桥组合围堰计算及监控方法

黄 鹏

(四川公路桥梁建设集团有限公司大桥工程分公司, 四川成都 610015)

伴随我国公共交通事业的蓬勃发展，一方面为满足桥梁大跨度的要求，桥梁基础尺寸日益增大[1-3]；另一方面，在桥梁建设技术不断提高的推动作用下，大跨度桥梁建设逐渐走向深水区，为满足桥梁基础施工期间的安全需求，不同结构形式、尺寸的围堰施工技术也不断得到发展。在桥梁基础施工中，常见的围堰形式有钢板桩围堰、双壁钢围堰、锁口钢管桩围堰、咬合桩围堰以及各类组合结构形式的围堰[4-5]。

由于桥梁基础施工中，各类围堰结构形式日益复杂、体量日趋巨大，针对此类大型围堰工程，为确保桥梁施工期间的安全性，在围堰设计阶段必须对其进行结构验算，施工期间必须对其工作状态进行结构应力、变形监测[6-7]，保证围堰结构处于合理的工作状态内。本文以位于四川省宜宾市长江上游的宜宾临港长江公铁两用大桥3#主墩基础施工期间，实施性围堰结构设计为例，结合现场监控测量数据分析，以期为将来类似工程提供参考借鉴。

1 工程背景

1.1 项目概况

宜宾临港长江公铁两用大桥(以下简称临港桥)位于宜宾市内，该桥为蓉昆高铁、渝昆高铁及连接宜宾北岸临港区、南岸翠屏区市政交通的共同过江通道。临港桥为双塔四索面平层公铁两用斜拉桥。

临港长江公铁两用大桥主桥全长1 073 m，桥跨布置为(72.5+203+522+203+72.5)m，为国内首座公路与高铁合建钢箱梁斜拉桥、世界跨度最大公铁两用钢箱梁斜拉桥。临港桥主桥立面图如图1所示。

图1 宜宾临港长江公铁两用大桥主桥立面(单位:m)

1.2 水文条件

临港桥位于长江上游地区，为雨源性山区河流，水位变化剧烈。每年11月至次年5月，围堰所处区域水位维持在258.0附近，为长江水位枯水位，围堰所处区域水流速度约为3 m/s；每年6月至10月，该区段内长江水位上涨，最高水位超过267.0，为汛期洪水水位。

1.3 基础工程概况

临港桥采用矩形承台基础，承台基础平面尺寸67 m×35.75 m(以3#主墩承台为例)，承台高度7 m，承台顶面高程252.3，位于河床底面基岩上方。3#主墩基础施工区段内，长江枯水期最高施工水位260.0，洪水期间最高施工水位269.0，临港桥3#主墩基础立面如图2所示。

图2 临港桥承台立面布置

1.4 施工方案概述

1.4.1 人工筑岛

在临港桥3#主墩基础施工前，在长江水位位于枯水位期间，人工筑岛至主墩承台施工区域，筑岛面高程260.5，枯水期人工筑岛如图3所示。

图3 枯水期人工筑岛

1.4.2 施工咬合桩

待人工筑岛完成后，施工3#主墩围堰下部咬合桩部分，并对承台基础区域进行开挖，承台最大开挖深度15.2 m，开挖期间伴随深度的增加，及时施作上部钢管支撑。安装围堰内部支撑如图4所示。

1.4.3 上部钢围堰接长

待下部咬合桩施工完成后，在汛期来临前，接长上部双壁钢围堰。双壁钢围堰顶面标高270.5，满足汛期施工长江最高水位269.0要求，临港桥3#主墩围堰接长如下图5所示。

图5 接长上部双壁钢围堰

2 主墩围堰结构验算

在组合围堰结构模拟中，采用了三种不同的模拟方法，将咬合桩简化为梁单元、板单元进行模拟有限元模型如图6所示。

图6 梁、板单元模拟咬合桩模型示意

2.1 忽略素桩法

在此计算方法中，咬合桩荤桩作为组合围堰下部主要受力结构，假定所有荷载均由荤桩承担，咬合桩素桩不作为一般受力结构，主要完成防渗止水功能，不计咬合桩-素桩传递竖向弯矩、横向弯矩及径向剪力[8]。

2.2 等效刚度法

在围堰咬合桩数值计算方法中，较为常见的方法有等效刚度法。其原理为，根据等效刚度原则，将咬合桩等效为地下连续墙，以此来进行围堰结构的变形及稳定性分析[9-10]，通过等效刚度法折算厚度取t=1300mm。

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2.3 有效咬合厚度法

因此，针对重要结构，应当考虑两咬合桩之间真实咬合厚度，即只计算两咬合桩件最小结合厚度，其余部分作为安全储备，计算结果偏于不安全。通过有效咬合厚度法计算板单元厚度t=830mm。

3 围堰监控方案

临港桥3#主墩围堰施工枯水期开挖深度深，汛期水位高，组合结构围堰承受荷载大，在施工期间需要对围堰的工作状况进行监测。组合结构围堰监测主要包含围堰内部钢管支撑、上部双壁钢围堰壁板应力以及咬合桩水平位移等内容。结合现场情况，临港桥3#主墩基础施工期间，组合围堰监控主要设置咬合桩水平位移等内容。结合现场情况，临港桥3#主墩基础施工期间，组合围堰监控主要设置咬合桩水平位移监测点8处，内外壁板应力监测测点3处，钢支撑轴向应力测点2处。利用标贴式智能应变计、倾角探头对组合结构围堰应力、咬合桩水平位移进行测量。临港桥3#主墩围堰监控布置方案如图7所示。

图7 临港桥3#主墩围堰监控布置方案

4 数值模拟数据与围堰监测采集数据

4.1 数值模拟数据分析

临港桥3#主墩围堰施工过程中计算结果如下。

4.1.1 围堰内部钢支撑应力

临港桥3#主墩计算模型中，内部钢支撑最大应力出现在咬合桩围堰内部冠梁支撑处，汇总各阶段计算应力如图8所示。整体而言，荤桩极限承载法所得应力值最大，有效咬合厚度法最小，最大差异约40 %。

图8 钢支撑1应力计算结果

4.1.2 围堰外壁板应力

钢围堰外壁板属于组合围堰结构上部构件，在前期施工中尚未安装，故在第四施工阶段中参与结构计算。整理3#主墩围堰钢结构中部测点一处及迎水面方向测点3处应力计算结果如图9所示。

图9 外壁板测点1应力计算结果

4.1.3 围堰下部咬合桩变形

临港桥3#主墩围堰施工期间，咬合桩结构最大变形区域集中在围堰结构中部以及受水流冲击影响最大迎水面处，选择最有代表性的咬合桩变形测点1，汇总计算结果如图10所示。

图10 围堰结构下部咬合桩测点1变形

4.2 监控与数值模拟结果对比

临港桥3#主墩施工期间，监控控制时间节点为基础开挖最大深度以及最高施工水位阶段，整理现场施工过程中监控记录基础最大开挖深度、最高施工水位267.3(现场记录最高水位)，采集数据及计算模拟数据对比分析分别如表1、表2所示。通过数据分析发现，现场测量数据和理论计算模拟较为吻合。当采用忽略素桩法时，由于忽略了素桩的承载能力，计算应力位移均为最大值，相较测量结果最大误差接近30 %。采用等效刚度法时，由于忽略了现场施工偏差对于结构质量的削弱，相较现场测量结果明显偏小，计算结果偏于不安全。当采用有效咬合厚度法时，能获得较为接近最佳真实的测量结果，结算结果偏于安全。

表1 基础最大开挖深度数值模拟与监控数据结果分析

5 结论

本文以临港桥3#主墩基础围堰结构为例，结合采用数值模拟和现场监控相结合的方法对组合围堰结构进行有限元模拟分析计算，比较了三种建模简化方法的计算结果，总体结论如下。

(1)采用忽略素桩法只考虑荤桩作为持力结构时，计算结果偏于安全。但是由于忽略咬合桩素桩参与结构受力，最终计算结果与实际差异较大，如采用此方法进行设计，将可能导致结构费用不经济。

(2)采用等效刚度法计算时，由于采用了理想刚度换算公式，导致折算板单元厚度偏大，而在实际施工中，由于多种因素干扰，难以保证有效的咬合厚度，因此在计算中，采用等效刚度法计算结果偏于不安全。采用此方法设计临时结构，对于后续施工，存在一定安全隐患。

(3)采用有效咬合厚度法计算围堰结构时，最终结果介于前两种方法之间。相较于等效刚度法，削减了板单元厚度，更加接近工程施工中可能出现的情况，因此计算结果偏于安全。

综上，在大型临时结构工程设计中，当把结构安全性作为第一控制因素时，建议可将有效咬合厚度法作为首选方法，以提高临时工程的安全可靠度。

表2 最高施工水位267.3数值模拟与监控数据结果分析