临港长江公铁两用大桥混合结构围堰施工技术

刘 勇，祝 兵，薛世豪，张程然

(1.四川公路桥梁建设集团有限公司，成都 610015； 2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

引言

伴随我国城市交通以及高速铁路工程建设的高速发展，大跨度公铁两用桥梁的建设也得到了飞速的发展。通常来讲，大跨度桥梁建设的难点主要集中在桥梁水下基础施工上[1]。桥梁水下基础施工又可以依据经验进一步划分为“浅水基础”以及“深水基础”。然而，当前国内桥梁施工中对于所谓的“浅水”、“深水”尚未有明确的界定[2]。因此，当前国内桥梁建设施工中通常依靠经验或参考土力学地基及基础中所介绍桥梁水中围堰概念：当基础所处区域水深超过5～6 m时，称之为“深水基础”，水深小于5 m时称之为“浅水基础”[3]。“浅水基础”桥梁施工中，为降低施工成本，在通航条件允许的前提下，通常采用筑岛围堰、土石围堰等施工技术作为桥梁基础施工期间防渗止水措施。

“深水基础”桥梁施工中通常采用双壁钢围堰、钢板桩围堰、锁口钢管围堰、钢套箱围堰等方法作为桥梁施工期间防渗止水措施[4-9]。相较于“浅水基础”施工措施，上述方法施工成本高昂，施工周期长、作业难度大。因此，针对建设项目所处区域的水文条件，利用工程建设工程区域水位落差大的特点，将两种基础施工方案有机结合起来，提出一种新的桥梁深水基础施工方法，在保证施工质量、安全的前提下，顺利完成了3号主墩基础施工。

1 工程概况

1.1 工程背景

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。临港桥为平层公铁两用斜拉桥，支撑体系为半漂浮体系，双塔四索面设计，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，临港桥立面如图1所示。

图1 临港长江公铁两用大桥主桥立面(单位：高程m，其余cm)

1.2 施工水文特点

临港桥位于长江上游地区，位于雨源性山区河流区域，该区段内，桥区水位随季节变化剧烈。每年11月份至次年5月份，为长江水位枯水位，围堰所处区域水位维持在258.0 m附近；6月份至10月份，该区段内长江水位上涨，最高水位超过267.0 m，为洪水水位，洪期水位最大流速接近4 m/s。桥区历年来水位统计如表1所示。

表1 临港桥3号主墩围堰历年水文特点统计 m

1.3 临港长江公铁两用大桥主墩基础施工方案

3号主墩围堰施工区域，在枯水季节水位较低，最低施工水位257.08 m，实际施工采用人工筑岛的方式，沿河岸填筑土石围堰，将桥梁水中施工转变为陆上施工，3号主墩围堰筑岛尺寸310 m×125 m，筑岛平面布置如图2所示。

图2 临港长江公铁两用大桥主墩筑岛区域(单位：cm)

当3号主墩人工筑岛土石围堰完成后，清理承台施工区域上部覆盖土体、岩层。施工组合围堰下部咬合桩以及冠梁。咬合桩施工完成后，接长上部双壁钢围堰。临港桥3号主墩采用“混凝土咬合桩”+“双壁钢围堰”组合结构形式，利用长江水位枯水期，对承台基础施工区域进行填筑，并施工混凝土咬合桩。待咬合桩施工完成后，在洪水期来临前接长上层双壁钢围堰，围堰顶部高程271.0 m，组合围堰结构施工步骤如图3所示。

图3 组合围堰施工步骤(单位：高程m，其余cm)

1.4 钢-混组合结构围堰设计

临港桥3号主墩围堰采用哑铃形布置，围堰最大平面尺寸85.4 m×50 m。组合围堰咬合桩桩顶上方设150 cm×190 cm冠梁作为过渡段与上方钢围堰进行连接，中部设置3道钢管横向支撑，以提高组合围堰整体刚度。组合围堰平面及立面设计如图4所示。

图4 临港桥3号主墩组合型围堰设计(单位：cm)

1.5 导墙、咬合桩施工

(1)导墙施工

为保证组合结构围堰成桩质量，咬合桩施工前进行导墙施工。施工导墙前，首先对场地进行平整，完成测量放样后，利用小型挖掘设备开挖导墙沟槽，导墙宽度210 cm，入土深度20 cm，采用C30混凝土进行浇筑。

(2)咬合桩施工

待导墙施工完成后，进行组合围堰咬合桩施工。组合围堰咬合桩采用“荤素”相接布置，A桩为带钢筋“荤桩”，B桩为不带钢筋笼“素桩”。为提高成桩效率，咬合桩采用旋挖钻机跳桩施工，由咬合围堰中部向两侧对称进行施工，组合结构围堰导墙及咬合桩施工顺序如图5所示。

图5 导墙、咬合桩施工顺序(单位：cm)

1.6 组合型双壁钢围堰连接形式

在钢-混组合结构围堰施工中，钢-混结构连接形式是决定围堰施工质量、保证结构安全、满足防渗止水需求的重要因素。较为常见的连接方式有连接件连接、插入式等方法，但承载能力以及防渗止水质量较难保证[10-14]。临港桥3号主墩组合型围堰采用“剪力筋+夹仓混凝土”方式，将钢-混组合结构围堰上下两部分进行连接。施工期间通过冠梁预留孔道安装中部剪力钢筋与两侧预埋板。接长时，将双壁钢围堰底部与预埋板进行焊接，完成后浇筑中部夹仓混凝土。组合围堰钢-混连接段构造如图6所示。

图6 钢-混组合结构围堰连接方式(单位：cm)

2 钢-混组合结构围堰数值计算方法

2.1 咬合桩模拟

(1)等效刚度法

在组合围堰咬合桩计算方法中，较为常见的方法为等效刚度法。其原理为，根据等效刚度原则，将咬合桩等效为地下连续墙，以此来进行咬合桩结构的变形及稳定性分析[15-20]。依据JGJ/T 396—2018《咬合式排桩技术标准》，据等效刚度原则，将咬合桩等效为地下连续墙进行计算，地下连续墙等效厚度计算

(1)

式中，I1、I2分别为素桩减去咬合部分、完整荤桩(钢筋混凝土桩)界面惯性矩，其中

(2)

(3)

式中，r1、r2为咬合桩半径，取750 mm；a为咬合量，取200 mm，y1为咬合面宽度的1/2，取374 mm，将I1、I2代入以上公式，即可求得等效地下连续墙的厚度

地下连续墙等效刚度法计算示意如图7所示。

图7 等效刚度法计算示意

(2)有效咬合厚度法

施工期间，下部咬合桩是承台基础施工期间最为重要的构件，采用等效刚度法，计算板单元厚度偏大，不能真实反应咬合结构最为薄弱环节受力特性，计算结果偏不安全。因此，针对重要结构，应当考虑两咬合桩之间真实咬合厚度，即只计算两咬合桩最小结合厚度，其余部分作为安全储备，计算结果偏于安全。通过有效咬合厚度法计算板单元厚度t=830 mm，有效咬合厚度法示意如图8所示。

图8 有效咬合厚度法示意(单位：mm)

2.2 双壁钢围堰模拟

临港长江公铁两用大桥钢-混组合结构围堰上部结构采用板单元+梁单元+实体单元进行模拟。内外壁以及中部隔仓板，采用板单元模拟。其余构件如内部钢管支撑、水平斜撑、竖肋等构件用梁单元模拟，各构件基本信息如表2所示。

临港长江公铁两用大桥组合围堰结构模型采用Midas Civil软件建立，共包含节点10 356个，单元15 392个，钢-混组合结构围堰模型如图9所示。

表2 临港桥3号主墩围堰上部结构模型信息汇总

图9 钢-混组合结构围堰模型

2.3 计算荷载及边界条件

(1)计算荷载

临港长江公铁两用大桥3号主墩基础施工期间，钢-混组合结构围堰主要考虑以下荷载。

①自重

结构自重系数取1.0。

②流水压力

流水压力按照JTG D60—2015《公路桥涵通用规范》公式计算。作用在桥墩上的流水压力标准值可按下式计算

(4)

式中，Fw为流水压力标准值，kN；γ为水的容重，kN/m3；v为设计流速，m/s；A为桥墩阻水面积，m2，计算至一般冲刷线处；g为重力加速度；K为桥墩形状系数。

流水压力合力的着力点假设在设计水位线以下0.3倍水深处。

③静水压力

静水压力计算

F0=γgH

(5)

式中，F0为静水压力标准值，kN；H为距离水面高度，m。

④土压力

桩身主动土压力计算

q=μD0γ0h

(6)

式中，q为咬合桩每延米所受荷载；D0为桩直径，取1.25 m；γ0为土体容重，取9 kN/m3(考虑水对土体浮力作用)；h为桩在土内的深度；μ为主动土压力系数，取0.307。模型主要荷载如图10所示。

图10 计算模型主要荷载

(2)边界条件

根据地质勘察结果，本围堰地质条件上层为卵石土，下层为中风化岩，饱和抗压强度2.5×104kPa，土对桩的作用采用土弹簧模拟。首先根据地质情况和计算精度要求将桩分成若干段(每段长度为L)，然后确定每段桩的计算宽度D1、地基水平抗力系数Cz，一般水平X、Y方向的刚度相同。

Cz=m×z

(7)

式中，Cz为水平抗力系数；m为地基水平抗力系数，试验确定或者查表；z为入岩深度。

土弹簧水平刚度计算见式(8)

Ki=Cz×D1×L

(8)

依据规范要求，计算土弹簧的水平刚度如表3所示。

表3 基岩桩土作用约束取值

2.4 计算结果分析

临港桥3号主墩钢-混组合围堰结构计算分析中，依据现场实际情况，考虑不同水位工况下钢-混组合结构围堰受力情况，取计算水位262.0 m(施工低水位)、265.0 m(施工高水位)、267.0 m(施工最高控制水位)、269.0 m(历史记录最高洪水位)。

(1)上部双壁钢围堰结构

汇总钢-混组合结构围堰上部钢围堰各个构件计算结果如表4所示。

表4 钢-混组合结构围堰上部双壁钢围堰计算结果汇总

通过计算发现，组合结构围堰上部结构应力较小，最大应力159.2 MPa，小于钢材Q345钢材容许设计值，且各构件变形较小，满足规范要求。

(2)下部咬合桩单元

组合结构围堰模型下部咬合桩计算结果如表5所示。

表5 咬合桩计算结果汇总

由表5可知，组合结构围堰下部咬合桩结构最大压应力fcdmax=13.46 MPa，小于规范允许设计值fcd=13.8 MPa，满足规范要求。

咬合桩结构，最大变形11.53 mm，小于GB50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》一级基坑报警值f0=20～30 mm。因此，组合围堰下部咬合桩结构满足结构设计安全。

钢-混组合结构下部咬合桩围堰应力较大，在最高施工控制水位下(267.0 m)，C30咬合桩最大拉应力fsd=1.34 MPa

3 结语

为保证3号主墩围堰施工顺利进行，实际工程中，进一步对咬合桩围堰进行结构施工监控并建立与上游水文站水文信息联动等措施，确保施工期间围堰结构状态与施工水位位于可控范围内。

宜宾临港长江公铁两用大桥3号主墩围堰基础，施工于2018年11月开始，截至2020年4月，已经顺利完成下部所有桩基、承台、塔座施工，并已进入主桥下横梁施工作业。3号主墩围堰施工期间，记录长江最高水位267.3 m，此期间内，围堰结构未出现任何异常情况，基础施工顺利完成。