双壁钢围堰施工风险及抗浮稳定性分析

罗亮

随着我国桥梁工程的建设，双壁钢围堰得到了广泛的应用，因为在进行深水桥梁基础施工时，该结构具有很大的优势，但由于双壁钢围堰缺少技术规范以及施工经验，导致该结构在施工过程中出现了许多安全事故，造成了经济损失。因此文章针对该现象进行了研究，主要内容有：施工风险分析、施工风险控制、双壁钢抗浮稳定性分析。通过以上内容的分析对双壁钢围堰施工提出了风险控制措施，并对稳定性进行分析。因此文章为该类问题提供了理论依据和风险控制办法。

围堰种类大致可以分为两类：一类是利用钢板进行焊接的双壁钢围堰；另一类是锁口钢管桩围堰。目前我国对围堰的研究取得了一些成果。胡启生等人通过对桥梁基础施工时，双壁钢围堰的作用机理研究，分析了双壁钢围堰的稳定性，为该结构的应用起到了推广作用，同时也对该技术的发展方向和应用前景进行了相应的分析。李云飞通过分析表明了双壁钢围堰施工全过程的关键技术，为该技术提供了完整的技术资料。丛义营，孙晓容通过对双壁钢围堰的研究，介绍了双壁钢围堰施工的精确控制技术，为该技术的应用节约了较大的成本。王冲等人通过对双壁钢围堰研究，分析了双壁钢围堰结构的变形和应力，并进行了有限元分析。通过以上研究使双壁钢围堰技术得到了推广。

一、施工风险分析

1.工程概况

文章所依托工程为某主桥结构，该桥梁采用双塔斜拉桥，结构为半漂浮体系。桥跨结构布置：4×57.5+730+4×57.5=1190m，桥梁共 9 跨。该桥主墩施工应用圆形双壁钢围堰。总体布置如图1所示。

图1 总体布置图

2.模糊故障树法

文章在通过对双壁钢围堰风险分析时，双壁钢围堰在施工时，有较大风险的施工工序是通过施工流程和危险发生的程度确定的，存在风险的施工工序有：双壁钢围堰结构的制造、围堰的运输和下放施工、浇筑封底的混凝土。双壁钢施工风险分析通过模糊故障树法进行，该方法中的顶事件为双壁钢围堰施工事故。中间事件为双壁钢围堰施工工序。故障树的底事件是将中间事件分解，确定施工工序下存在的风险。通过对以上内容的分类和相关内容分析绘制出结构的施工风险模糊故障树。风险模糊故障树如图2所示。

图2 模糊故障树图

二、施工风险控制

1.制作工程控制

双壁钢围堰进行焊接时，造成质量不符合要求的因素有：环境原因、技术人员原因、制造胎架刚度原因、尺寸偏差原因等。针对该现象采取的措施有：

（1）围堰焊接技术人员应技术娴熟，具有作业资质。

（2）进行焊接时，对环境的要求是：温度大于等于5℃，湿度小于等于80%，雨天不能进行露天焊接，当环境达不到规定要求时，需采取保护措施。

（3）围堰制作前，应进行焊接试验，保证焊接的工艺。双壁钢围堰壁的平面尺寸很大，因此在进行焊接时应对焊缝引起的收缩值进行测试，保证其符合规定要求。

（4）焊缝施工完成后应对该工艺进行质量验收，检查外观是否有裂纹、焊瘤以及漏焊的情况。同时应对焊缝进行超声波探伤。

2.下沉过程控制

双壁钢围堰在下沉过程中会出现的主要问题有：定位控制不到位，围堰着床位置不符合设计要求，最终导致倾覆。因此双壁钢围堰下沉和着床时应进行以下控制，来保证双壁钢围堰着床的精度。

（1）围堰在进行下放前，应与气象部门进行必要沟通，避免施工条件过于恶劣，施工环境较差。

（2）双壁钢围堰下沉前应对河床的标高进行测量，掌握河床的高差情况，防止结构着床后出现倾斜和偏位。同时应对河床进行清淤，对围堰四周高差较大的地方进行整平。

（3）围堰将进入覆盖层时，刃角处应进行混凝土的灌注，可以增加结构的刚度和强度。当围堰下沉困难时，可利用反压、射水等进行辅助。当围堰着床后，对结构的高程及垂直度进行复测，规定要求：垂直度的偏差小于等于 H/300；围堰顶面标高的偏差值为正负30mm。

三、抗浮稳定性分析

1.有限元分析

文章通过有限元方法对双壁钢进行分析，根据该情况进行工况设置：

工况一：钢围堰的内外水头差为20m，所受浮力值大小为295208KN，围堰的自重来平衡浮力。

工况二：钢围堰内外产生的水头差值为27.68m，所受浮力值大小为408585.47KN。围堰的自重来平衡浮力，达到平衡状态时，封底混凝土开始抵抗浮力。

工况三：钢围堰内外产生的水头差值为40m，所受浮力值大小为590416KN。该工况下，围堰自重与封底混凝土及钢护筒的粘结力共同抵抗浮力。

工况四：钢围堰内外产生的水头差值为51.46m，所受浮力值大小为759573.20kN。在此工况下，围堰处于极限平衡状态。

针对以上四种工况建立有限元模型，具体如图3所示。封底混凝土以及夹舱混凝土型号为C30，桩基混凝土型号为C35，钢护筒钢材采用Q235。

图3 双壁钢围堰抗浮分析图

2.安全系数取值

不同规范中安全系数的取值不相同，因此对取值进行了分析如表1所示。

表1 安全系数对比表

（1）安全性分析

在最不利工况下，对双壁钢围堰封底混凝土的主拉应力和主压应力进行计算可知：封底混凝土的主拉应力小于C30混凝土抗拉强度设计值，即各值均小于1.39MPa；封底混凝土的主压应力最大值比抗压强度设计值小，即5.6MPa<13.8MPa。当双壁钢围堰抗浮稳定性安全系数取为1.15 时，混凝土厚度为7.75m。最不利工况下，桩基最大反力为12227.6KN,桩基与混凝土的允许粘结力为13651.94KN，此时安全系数1.11<1.15，说明双壁钢围堰的安全性满足要求。

（2）经济性分析

双壁钢围堰安全系数为1.0时，混凝土厚度为6.23m，封底混凝土为7422.7m3；

双壁钢围堰安全系数为1.15时，混凝土厚度为7.75m，封底混凝土为9233.73m3。混凝土浇筑量增加了24.4%。不会造成材料的浪费。

四、结语

本文通过对双壁钢围堰进行分析得出以下结论：

（1）双壁钢围堰的施工风险分析可以采用模糊故障树法。风险控制可分为双壁钢围堰制作时的控制和下沉时的控制。

（2）文章通过实际工程设置不同工况对抗浮稳定性进行分析，在最不利工况下进行安全性和经济性分析，当安全系数为1.15时，即满足安全性要求也满足经济性要求。