深中通道东泄洪区非通航孔桥钢板桩围堰结构设计及施工研究

姚志安

(深中通道管理中心， 广东 中山 528400)

1 工程背景

深中通道是我国继港珠澳大桥后在建的又一世界级“桥、岛、隧、地下互通”集群工程，路线起于广深沿江高速机场互通立交，与深圳侧连接线对接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新区马鞍岛上岸，终于横门互通。深中通道北距虎门大桥约30km，南距港珠澳大桥38km，全长24km，其中8车道特长海底沉管隧道将开创世界先例。深中通道东泄洪区非通航孔桥为等截面钢箱梁桥，跨径布置为 4×(6×110)m，全长2640m。5#～14#承台处于深水区，15#～27#承台处于浅水区。东泄洪区非通航孔桥桥墩承台属埋置式承台，其中5#～8#采用分幅式承台，平面尺寸为9.5m×9.5m，高3.5m；9#～27#墩采用整体式承台，平面尺寸为16.5m(横桥向)×10.5m(纵桥向)，高4.5m。

深水承台施工是跨海大桥下部结构施工的关键节点[1-2]。因此，有必要对其施工难点进行分析，并提出针对性的防控措施[3-5]。结合结构特征和桥址施工环境，可知深中通道东泄洪区非通航孔桥承台施工难点为： ① 桥址位于台风多发区域，易受台风的影响，承台施工将经历台风期，将对组织和安全带来不利的影响，增大承台施工的风险和难度； ② 5#～14#墩承台水头大，承台施工围堰基坑水头差最大达19.7m，对围堰结构稳定性要求高，安全风险大；③ 围堰内支撑数量较多，对施工便利性、吊装作业有一定影响，同时在支撑体系转换上较为繁琐；④ 周边航道众多，通航等级高，航运繁忙，穿越桥轴线的船舶密集，对施工干扰大，安全风险高。

为应对可能出现的施工安全风险，对承台的施工及其围堰进行针对性设计，以保证承台施工顺利进行。本文阐述了东泄洪区非通航孔桥承台的钢板桩围堰结构设计和施工，对其进行了抗台风设计，并对不利工况进行了验算。

2 承台施工

深中通道东泄洪区非通航孔桥承台施工流程如图1所示。

图1 承台施工流程

承台施工要点为：① 钻孔平台拆除，钢管桩采用135 t履带吊配合DZJ-120型振动锤逐跨从下游到上游依次拆除；采用135 t履带吊按安装顺序逆向拆除平台其他结构。② 钢板桩围堰施工,围堰使用逆作法进行施工，即先进行围檁整体拼装下放，然后施沉钢板桩，待墩身施工出水后再进行围堰拆除。③ 封底混凝土浇筑，封底混凝土采用C25水下混凝土，均采用导管法一次浇筑到位。④ 钢筋绑扎安装，钢筋半成品在钢筋集中配送中心加工完成后运至施工现场，现场采用135t履带吊装；承台钢筋按照“底层→侧面→顶层”的顺序绑扎;钢筋施工过程中注意预埋件、墩身钢筋、冷却水管的预埋。⑤ 承台混凝土浇筑，所有承台均一次浇筑成型；混凝土分层布料，单层浇筑高度不超过30cm；混凝土顶面采用土工布覆盖，洒水养护时间不小于14d。⑥ 钢板桩围堰拆除，钢板桩围堰采用135 t履带吊配合DZJ-120型振动锤进行拆除；墩身施工出水后，逐层灌水到每层围檁的位置进行拆除；最后拆除钢板桩。为保护围堰在台风期间的安全性，相应可设置临时支撑作为安全措施。

为保证板桩围堰台风期安全性，台风来临之前须提前做好安全防护措施[6-9]。在封底浇筑之前，须在顶部2层围囹与邻近的钢护筒之间设置临时支撑，支撑两端设置节点板。抗台风期间，围堰内须回灌水使之与外侧水位齐平。若上游侧钢护筒已经割除，则应提前在中部钢护筒与下游侧钢管撑之间设置临时支撑；若全部钢护筒都已割除，则应提前在封底顶部与底层围囹之间设置临时支撑(2HM588×300)，临时支撑在围堰迎浪一侧布置数量不少于4道。

3 钢板桩围堰结构设计

本着模块化设计、统一化生产和施工的原则，对围堰进行了设计。所有承台均采用帽型钢板桩围堰，仅尺寸和局部构造不同。为节省篇幅，本文仅对3种围堰设计概况进行列表汇总，如表1所示。

表1 围堰设计汇总m围堰编号常水位设计低水位设计高潮位围堰底标高围堰顶标高封底厚度承台尺寸围堰尺寸 5#～8# +0.52-1.06+3.01-25.0+5.04.015.06×14.8212.70×12.46 9#～14#+0.52-1.06+3.01-25.0+5.04.522.16×16.2619.6×13.715#～27#+0.52-1.06+3.01-22.0+5.03.822.16×16.2619.6×13.7

5#～8#墩采用4 根Φ2.2m 钻孔灌注桩基础，9#～27#墩采用6根Φ2.2m钻孔灌注桩基础。各个承台围堰均采用45H+HN800 组合板桩，其中5#～14#承台围堰位于深水区，单根钢板桩30m；15#～27#承台围堰位于浅水区，单根钢板桩27m。

每个围堰均设置3层内撑围囹。其中5#～8#墩围堰底下2层使用双拼HN800×300和双拼HN700×300型钢加工；顶层使用双拼HN700×300和双拼 HM588×300型钢加工。9#～14#围堰各层内撑围囹均使用双拼HN700×300(角撑)、双拼HN800×300(圈梁)型钢和Φ800×10螺旋钢管加工。15#～17#围堰底下2层使用HN800×300型钢、 HM588×300和Φ800×10钢管加工；顶层使用HN700×300型钢、 HM588×300和Φ800×10钢管加工。

限于篇幅，本文仅给出代表性的14#围堰设计图，如图2、图3所示。台风期间抗台风临时支撑如图4所示。台风来临期间，如果钢护筒尚未割除，应将围堰与护筒建立可靠临时连接；如果护筒已经割除，应提前在封底顶部与围囹之间设置斜撑，在围堰的迎浪侧面布置不少于3道。台风来临前，围堰内必须回灌水使之与外侧水位齐平。

图2 14#墩承台围堰设计立面图(单位： mm)

图3 14#墩承台内撑围囹结构尺寸图(单位： mm)

图4 14#墩承台抗台风临时支撑结构图(单位： mm)

4 钢板桩围堰有限元模拟分析

4.1 围堰整体计算模型说明

深中通道东泄洪区非通航孔钢板桩使用Midas Civil进行整体建模计算。模型中，钢板桩和内撑桁架结构均使用梁单元进行模拟，相邻钢板桩之间的连接参考梁格法进行设置。钢板桩的底部设置竖向约束，并在混凝土封底处设置水平位移约束，被动土压力使用弹簧支撑进行模拟。钢板桩围堰结构的整体模型见图5。

a) 5#～8#钢板桩围堰

b) 9#～14#钢板桩围堰

c) 15#～27#钢板桩围堰

4.2 施工工况计算

验算结构强度时，自重取1.2倍荷载系数，水土压力取1.3倍荷载系数，波浪力和流水压力均取1.5倍荷载系数；验算结构变形时，所有荷载的荷载系数均取1.0。

模拟分析了3个最不利工况，分别为： ① 堰内抽水工况。荷载组合为：1.2×自重+1.5×流水压力+1.3×水土压力+1.5×波浪力(浪高0.5m)。流水压力和波浪力同时垂直作用在围堰的2个侧面上。② 体系转换工况。此时为承台施工完成后，回灌水至承台顶标高，安装围囹斜撑并拆除钢管支撑。荷载组合为：1.2×自重+1.5×流水压力+1.3×水土压力+1.5×波浪力(浪高0.5m)。流水压力和波浪力同时垂直作用在围堰的2个侧面上。③ 台风工况。流水压力同时垂直作用在围堰的2个侧面上(长边和短边各1个)，且长边侧面同时考虑波浪力作用。荷载组合为：1.2×自重+1.5×流水压力+1.3×水土压力+1.5×波浪力(浪高2.03m)。

4.3 分析结果

限于篇幅，本文仅展示14#钢板桩围堰的计算结果,各工况作用下的结果汇总如表2所示。工况3的应力云图和位移云图分别见图6、图7。

表2 14#钢板桩围堰计算结果MPa结构构件工况1最大应力工况2最大应力工况3最大应力容许应力正应力剪应力正应力剪应力正应力剪应力正应力剪应力NS-SP-45H+HN800×300(钢板桩)195.299.9197.6120.1119.923.6265150第1层内撑2HN800×300(圈梁)85.431.9161.931.349.812.2295170第1层内撑2HN700×300(斜撑)56.84.159.48.133.14.9205120第2层内撑2HN800×300(圈梁)139.157.6168.036.836.214.0295170第2层内撑2HN700×300(斜撑)92.31.176.83.615.91.5205120第3层内撑2HN800×300(圈梁)195.182.9141.144.4162.757.2295170第3层内撑2HN700×300(斜撑)127.62.359.61.345.82.0205120抗台风临时斜撑2HM588×300————97.92.2205120

图6 工况3应力云图

图7 工况3位移云图

各工况作用下结构变形最大值分别为33.9、52.3、50.6 mm，均远小于允许的最大变形100mm。对各内支撑及其连接进行了验算，结果均满足规范要求。此外，对围堰在坑底涌砂、抗浮、基坑抗隆起和嵌固稳定性进行了手算，结果均满足设计和施工要求。

综上所述，钢板桩围堰在各不利工况下其刚度、强度和稳定性均满足规范要求。

5 结语

针对深中通道东泄洪区非通航孔桥的承台施工难点，本着模块化设计、统一化生产和施工的原则，对25个承台进行了钢板桩围堰设计。对钢板桩围堰设计和施工方法进行了阐述，并采用局部临时加强措施抵抗可能出现的台风影响。利用有限元软件对围堰施工在抽水、体系转换和台风等不利工况进行了模拟分析，对围堰在坑底涌砂、抗浮、基坑抗隆起和嵌固稳定性进行了计算。结果表明：钢板桩内支撑最大正应力和剪应力分别为197.6MPa和120.1MPa，结构最大变形为52.3mm，其强度、刚度和稳定性均满足设计和施工要求。