海上埋置式承台装配式双壁钢围堰研究

黄剑锋，李 冕，袁 航

（1.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 430014；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北 430014）

1 概述

深中通道东接机荷高速，跨越珠江口，西至中山马鞍岛，是集“桥、岛、隧、地下互通”为一体的系统集群工程。其中伶仃洋大桥东泄洪区非通航孔桥长2 640 m，共4 联，每联6 跨，每跨上部结构为110 m 钢箱梁，下部结构均采用群桩基础+承台+T 形桥墩（见图1）。其中分幅式桥墩基础采用4 根直径2.2 m 的钻孔灌注桩，埋置式承台尺寸为9.5 m×9.5 m×3.5m；整幅式桥墩基础采用6 根直径2.5 m 的钻孔灌注桩，埋置式承台尺寸为16.5 m×10.5 m×4.5 m。

图1 桥墩结构布置示意图

该桥所处位置潮汐属不规则半日潮，常水位+0.58 m，极端高水位+3.2 m。河床标高为-10.5～-12.5 m，常水位下水深为11～13 m，高潮位下水深为13.7～15.7 m，承台顶和河床面平齐，考虑4.5 m的承台高度和3.8 m 的封底混凝土厚度后，最大抽水水头达24 m。另外，河床以下为超过10 m 的流塑性淤泥层。

该桥桥墩基础若采用常规双壁钢套箱围堰或锁扣钢管桩围堰施工，存在以下难点：1.最大抽水水头为24 m，水压力、土压力较大，锁口过多时，封水性能难以得到保障；2.围堰的数量较多，不采用可周转围堰时投入巨大，经济效益低；3.承台分为整幅式和分幅式，承台种类并不统一，相互倒用较困难；4.施工环境为水上施工，施工栈桥设计荷载有限，对于大型围堰不能进行一次吊装，需要长期配备浮吊，施工不便捷。鉴于此，综合考虑施工条件、安全、经济性等因素，设计装配式双壁钢围堰进行基础施工，对比其下沉工艺，并采用有限元法进行验算。

2 装配式双壁钢围堰结构设计

本工程承台施工区域为全海上施工，且毗邻十万吨级伶仃洋航道，大型吊装运输船舶为避让航运，组织难度极大。埋置承台所处位置又为深水区，抽水水头大，围堰受力极其复杂，保障安全的前提下围堰结构设计会很强大，围堰自重也相应的增加，若不考虑装配化施工，一次吊装重量大，且全线围堰数量多达28 个，吊重次数多，吊装安全得不到保障。与此同时，围堰结构用钢量大大增加，全线承台的施工费用也耗费巨大。因此从围堰施工的组织难度、安全生产和经济效益三个方面考虑，对处在非关键线路上的承台围堰进行装配化施工来减小吊装风险和组织难度，对整幅式和分幅式围堰进行相互倒用，节约成本，提高经济效益，设计了一种装配式双壁钢围堰。

围堰设计时考虑最不利工况，最大抽水水头取24 m。为满足整幅、分幅式桥墩承台围堰的相互倒用，节约成本，避免单独制造分幅墩承台围堰，结合承台尺寸将围堰横向分块，整幅式桥墩围堰由4 个6.1 m 长的角块（侧板A）和2 个7 m长的水平块（侧板B）装配而成，分幅式桥墩围堰由4 个6.1 m 长的角块（侧板A）装配而成（见图2）。围堰结构主要分为内外壁板、水平环、隔仓板、锁口钢管桩和内支撑5 部分。其中内外壁板厚24 mm，隔仓板厚12 mm，水平环板厚12 mm，角钢型号∠125 mm×12 mm，侧板A、B 之间的锁口钢管为Φ800 mm×12 mm 钢管，刃角高2 m，围堰总高度26.5 m，内支撑共计3 层，均由Φ1 000 mm×12 mm 的钢管和双拼HN400 的型钢组成，分别设置在距离围堰顶口1.6 m、8.8 m、15.9 m 的位置，为了方便后续墩身施工，在承台施工完毕后将十字型内支撑转换为三角撑的形式，为墩身施工提供充足了的工作面。

图2 装配式双壁钢围堰结构布置示意图

该装配式围堰的优点：1）横向向分块，吊装负担小，施工进度快；2）自身刚度大，锁口数量少，止水效果好；3）进行装配组合能同时满足整幅式、分幅式桥墩的施工需求；4）高周转使用，节约成本，经济效益明显。

3 装配式双壁钢围堰施工工艺

3.1 围堰下沉施工工艺

装配式双壁钢围堰施工工艺分为分块下沉和整体下沉2 种，主要区别在于在锁口钢管桩施沉完毕后，分块下沉是将侧板A 和侧板B 分批次下沉后再安装内支撑，整体下沉是将侧板A、侧板B和部分内支撑在河床上拼装完毕后整体吸泥下沉。下沉工艺的不同会导致围堰入土深度的变化、围堰内支撑的数量、围堰自重等，从而影响结构的造价和施工的难易程度。因此从围堰的开挖方量、支撑数量、入土深度、设备需求等方面，对2 种下沉工艺进行了对比。

1）分块下沉

分块下沉时，为保证侧板的稳定和清淤封底时的安全，需要确定河床开挖情况、支撑数量和最小入土深度,具体分为4 个工况。根据盾恩近似法和主、被动土压力对内支撑点的弯矩和为0 的原则，求解得到最小入土深度(见表1)。由表1 可知，在河床不开挖且不设置底部内支撑的情况下，围堰最小入土深度达9.2 m，导致围堰总体用钢量增加。因此分块下沉时需要长期配备1 台135 t 以上履带吊和振动锤进行下沉，设备占有率高。如要减小入土深度则需要多设置内支撑，并采用长臂挖机对围堰四周进行放坡开挖后方可下沉。因此分块下沉存在施工周期长、施工进度慢等一系列问题。

表1 各工况围堰最小入土深度

2）整体下沉

采用整体下沉工艺施工时，围堰与内支撑在河床面上拼装成整体，同时将顶面2 层内支撑与围堰进行了临时连接，形成整体后吸泥下沉。围堰在下沉过程中具有较好的整体性，因此围堰最终的入土深度只需要满足河床水下开挖过程中不发生隆起即可。根据软弱下卧层坑底隆起稳定性验算原则，当入土深度为3 m 时即可满足围堰坑底抗隆起设计要求。另外，根据地勘报告，海床面下为10 m 以上的淤泥层，围堰整体下沉到位时刃角位置位于砂层，受其侧摩阻力和端承力的影响，仅凭自身重力可能无法下沉至设计标高，需要进行辅助下沉。通过计算，围堰在砂层阶段的侧摩阻力和端摩阻力之和为5 680 kN，围堰壁板和内支撑。

3）工艺对比

对比2 种施工工艺可知：分块下沉时内支撑与围堰无需临时固定，单块吊重小，工艺相对简单，但考虑放坡开挖和入土深度大的情况，需要配备135 t 履带吊、振动锤、长臂挖机等设备，设备占用率高；整体下沉时围堰内支撑数量、入土深度和围堰用钢量较小，且不需要放坡开挖，在河床组拼完成后吸泥下沉即可，经济成本可观。因此确定选择在河床面拼装成整体后吸泥下沉的施工方案。

3.2 围堰拆除倒用施工工艺

围堰整体下沉后进行承台、墩身施工，待墩身超出最高水位2～3 个节段后，将3 层内支撑竖向临时栓接成一个整体，然后回灌水至围堰内水位高出围堰外水位1.5 m 时，使围堰产生一个向外的位移进行卸荷，减小内支撑的拆卸难度，然后采用浮吊一次拆除3 层内支撑体系，最后依次拔出侧板和锁口钢管桩至运输船，转至下一个施工区域周转使用。

4 有限元模拟

4.1 有限元模型

采用MIDAS Civil 建立装配式双壁钢围堰整体模型（见图3），模型中锁口采用只能传递轴向力的梁单元模拟，围堰内壁板、外壁板、横隔板、竖隔板均采用板单元模拟，水平环板采用梁单元模拟。边界条件为封底混凝土浇筑后约束底板所有自由度以及与内壁接触位置的法向自由度。

图3 围堰整体有限元模型

4.2 设计荷载及计算工况

围堰最不利状态为封底混凝土浇筑后围堰内抽水时，主要承受的荷载包括围堰自重，侧板内、外侧水压力，围堰吸泥下沉时围堰内外的土头差。

围堰施工阶段分为6 个工况（见表2）。按应力叠加原理，随着体系转换的进行，需计算每一工况下围堰的应力变化。

表2 围堰施工工况

4.3 结果分析

1）围堰侧板

各工况围堰侧板各构件的应力变化如图4 所示，工况6 围堰变形云图如图5 所示。

图4 各工况围堰各构件的应力变化

图5 工况6 围堰变形云图

由图4、图5 可知，围堰的应力在抽水阶段和内支撑转换过程中增长较快，高达70 MPa，其中最大应力出现在工况6 下的水平环板和隔仓板位置，最大应力为187.8 MPa，小于规范允许应力210 MPa；围堰最大变形出现在工况6，最大变形为25.2 mm，小于设计要求的75 mm。

2）内支撑

随着体系转换的进行，围堰内支撑由最初的3层十字撑结构由下至上逐渐转换为三角撑形式，以便于墩身施工。内支撑体系转换时应力云图如图6 所示。

图6 内支撑体系转换时应力云图

由图6 可知，体系转换中第2 道内支撑受力最不利，最大应力为122.7 MPa，小于规范允许应力210 MPa。根据最大弯矩和轴力计算其稳定性，结果均满足设计要求。

3）封底混凝土

封底混凝土计算时，按+3.2 m 水位，封底混凝土底端承受水压力，在封底混凝土自重、水压力和护筒粘结力共同作用下，检算封底混凝土的应力及护筒粘结力。采用ANSYS 软件建模计算，在封底混凝土和护筒四周采用铰接约束。

通过计算，封底混凝土最大拉应力σ1=0.398Mpa小于封底混凝土混凝土轴心抗拉强度设计值ftd=1.23Mpa,最大压应力σ3=0.43Mpa小于封底混凝土混凝土轴心抗压强度设计值fcd=11.5Mpa，同时提取钢护筒处的竖向合力为3633.3kN，得到最大握裹力为118.1 kPa＜设计值120 kPa，满足设计要求。

综上计算可知，装配式双壁钢围堰的受力能够满足各工况下深水区承台施工的需要。

5 结语

本文结合深中通道伶仃航道桥东泄洪区非通航孔桥深水区埋置式承台施工，提出一种装配式双壁钢围堰+锁口钢管桩的结构形式，通过装配组合能同时满足整幅式、分幅式桥墩的施工需求，便于高周转，经济效益明显。该围堰采用整体下沉工艺，具有挖方量小、支撑数量少、入土深度小、设备占有率低、围堰总重小等优点，论证了该结构形式及施工方法在此类项目中运用的可行性。