矮塔斜拉桥围堰与临时固结关键施工技术研究

陆林

摘 要：基于临泉泉河大桥超宽变截面预应力混凝土箱梁钢板桩围堰与主梁临时固结施工实例，分别对主墩钢板桩围堰与主梁临时固结关键施工节点进行计算分析，结果表明施工过程中钢板桩围堰的变形、内力、稳定性满足施工要求，主桥最大悬臂状态与最大双悬臂状态下的临时固结结构强度、刚度与稳定性处在安全范围内，通过对关键技术的计算分析，保证了矮塔斜拉桥施工过程中的安全，分析结果可为后续类似工程的建设提供相应参考。

关键词：围堰;临时固结;施工技术;矮塔斜拉桥

0 前言

临泉泉河大桥主桥结构采用预应力混凝土矮塔斜拉桥方案，跨径布置为95 m+170 m+95 m，主梁采用单箱五室大悬臂变截面PC连续箱梁，支点梁高7 m（桥中心），跨中梁高3.5 m，从支点横梁起81 m 范围内梁高按1.8次抛物线变化。

泉河大桥结构体系为墩梁固结，塔墩分离体系。当承台位于水中时，一般现设围堰，包括钢板桩围堰、套箱围堰、双壁钢围堰等，将群桩围在堰内，然后在堰内河底灌注水下混凝土封底，凝结后，将水抽干，使各桩处于干处，再安装承台模板，在干处灌注承台混凝土。围堰的形式应根据地质情况、水深、流速、设备条件等因素综合考虑[1-3]。悬臂浇筑施工适用于大跨径预应力混凝土桥梁，包括连续梁桥、刚构桥以及矮塔斜拉桥等，对于连续梁桥和漂浮体系斜拉桥来讲，梁与墩未固结在一起，施工时，两侧悬浇施工难以保持绝对平衡，必须在施工中采取临时固结措施，使梁具有抗弯能力。连续梁桥临时固结一般采用在支座两侧临时加预应力筋，梁和墩顶之间浇筑临时混凝土垫块，将梁固结在桥墩上，使梁具有一定的抗弯能力。在条件成熟时，再采用静态破碎方法解除固结。但对于大跨径超宽矮塔斜拉桥来讲，仅采用临时固结结构或者本身的墩梁固结可能不足以满足抗弯和稳定性的要求，因此需专门进行方案设计，以保障其施工安全。因此基于临泉泉河大桥超宽变截面预应力混凝土箱梁钢板桩围堰与主梁临时固结施工实例，分别对主墩钢板桩围堰与主梁临时固结关键施工节点进行计算分析，以保证矮塔斜拉桥在关键施工过程中的安全[4-6]。

1 钢板桩围堰计算分析

1.1 计算模型

本部分钢板桩围堰的受力分析，采用理正深基坑7.0版进行，该支护结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。图层分布主要为黏土、粉砂以及粉土，其中土压力的计算黏土采用水土合算、砂土和粉砂采用水土分算。分析工况主要包括开挖1、加撑1、开挖2、加撑2、开挖3、加撑3、开挖4七个工况。最终开挖深度为8.79 m。

1.2 围堰变形计算

分别计算基坑开挖至0.5 m、3 m、5.5 m以及开挖至基坑底部时的整体位移，开挖至0.5 m和开挖至基坑底部时的计算结果分别如图1所示。由计算可得钢板桩最大位移为基坑开挖至0.5 m处时钢板桩位移11.98 mm钢板桩最大位移f=11.98 mm<[f]=18 000/400=45 mm，满足要求。

支撑最大位移为基坑开挖至基坑底处时支撑位移8.111 mm，最大位移f=8.111 mm<[f]=10 200/400=25.5 mm，满足要求。

1.3 围堰内力计算

分别计算基坑开挖至0.5 m、3 m、5.5 m以及开挖至基坑底部时的内力，开挖至0.5 m和开挖至基坑底部时的计算结果分别如下图所示。

钢板桩在基坑挖至基坑底处时弯矩最大，最大弯矩为117.4 kN.m，计算得到钢板桩围堰每延米的绕水平轴最大弯矩为117.4 kN.m。取一片钢板桩来进行验算：钢板桩的宽度为0.4 m，查得钢板桩边缘断面的模量为：W=2 200 cm3=

0.002 2 m3，则可以得到钢板桩外缘的应力为：钢板桩产生的最大应力：σ=M/W=117.4/2 200=54 MPa<[σ]=215 MPa，符合要求。

1.4 围堰稳定性验算

采用瑞典条分法对围堰整体稳定性进行验算，应力状态为总应力，条分法中的土条宽度为1.0 m。滑裂面数据：圆弧半径（m） R = 15.346、圆心坐标X（m） X = -1.838、圆心坐标Y（m） Y = 6.972。整体稳定安全系数 Ks = 2.022 >= 1.200， 满足规范要求。

2 临时固结计算分析

2.1 计算模型

本部分采用midas Civil Designer对桥梁进行设计，并以《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）为标准，对临时锁定柱混凝土结构进行验算。

本桥主桥上部箱梁采用悬臂浇筑法施工，最大悬臂施工长度为84 m，计算时，从最不利受力图式出发，对最大悬臂状态的施工荷载作如下考虑（不考虑挂篮坠落，施工单位应采取压重和后锚等多种措施来确保挂篮不会坠落）。假设梁体自重不均匀，一侧取1.04梁重，另一侧取0.96梁重。挂篮、现浇块件及施工机具的动力系数，一端采用1.2，另一端采用0.8。最后一悬臂浇筑梁段不同步施工，一端施工完毕，一端施工一半。横桥向风载作用在桥塔的风荷载取值4.0 kN/m。

2.2 临时固结结构强度验算

组合1：1.0恒载+1.0收缩徐变+1.0施工荷载+1.0风荷载

组合2：1.0恒载+1.0收缩徐变+1.0施工荷载

施工阶段验算中，箱梁最大压应力为15.1 MPa。按规范JTG 3362-2018第7.2.8-1条规定，应满足 ，符合规范要求。

施工阶段验算中，箱梁截面最大拉应力为1.65 MPa，故施工阶段截面拉应力满足规范要求。

2.3 临时固结结构稳定性验算

计算考虑最大双悬臂状态稳定性验算。临时固结结构最大双悬臂阶段失稳模态如下图所示。

从结构的失稳模态来看，施工阶段均是以面内失稳为主，施工阶段最大双悬臂阶段稳定安全系数为213.5，失稳模态的屈曲系数为均大于4，满足规范要求。

3 结论与建议

基于临泉泉河大桥超宽变截面预应力混凝土箱梁钢板桩围堰与主梁临时固结施工实例，分别对主墩钢板桩围堰与主梁临时固结关键施工节点进行计算分析，分析结果表明施工过程中钢板桩围堰的变形、内力、稳定性满足施工要求，主桥最大悬臂状态与最大双悬臂状态下的临时固结结构强度与稳定性处在安全范围内，通过对关键技术的计算分析，保证了矮塔斜拉桥施工过程中的安全，分析结果可为后续类似工程的建设提供相应参考。由于临时锁定柱长细比较大，结构尺寸小，柱子数量多，施工时采用160x10槽钢进行连接，减小临时锁定柱长细比，提高安全系数。

参考文献：

[1]何玉先.钢板桩围堰在桥梁水中墩施工中的应用[J]. 高速铁路技術，2013（4）：91-94.

[2]王晓军.钢板桩围堰施工及风险防范措施[J].工程建设与设计，2021（7）：136-138.

[3]马华良.深水桥梁桩基础工程中钢板桩围堰施工工艺[J].工程建设与设计，2021（7）：144-146.

[4]荆国强，李欣然，陈德伟.预应力混凝土斜拉桥塔梁临时固结构造空间受力分析[J].桥梁建设，2009（6）：31-34.

[5]马华良.深水桥梁桩基础工程中钢板桩围堰施工工艺[J].工程建设与设计，2021（7）：144-146.

[6]李春宏.超宽幅单索面混合梁斜拉桥塔梁固结处受力仿真分析[J].公路，2019（7）：169-173.