热带雨林地区高潮差环境下水中承台预制围堰设计

帅训营，杨凯，张松

（中交第二公路工程局有限公司海外事业部（国际公司），陕西 西安 710065）

0 引言

马来西亚砂拉越林牙河大桥是中资企业在马来西亚承包的大型项目，该项目对改善马来西亚砂拉越林牙地区的交通条件具有极大的现实意义。在承建马来西亚大项目的过程中，适应当地规范、标准，系统研究、总结关键技术，是支撑工程建设企业“走出去”的核心竞争力。

对马来西亚东马砂拉越林牙河大桥水中承台预制围堰的研究，将有助于系统熟悉马来西亚砂拉越地区的桥梁结构相关标准，掌握基于马来西亚标准的水中承台建造关键技术，包括水中双向斜桩施工关键技术、特殊环境下预制围堰法承台施工的准备步骤、潮差大及落潮后河道窄流速大条件下预制承台围堰定位等关键技术。

林牙河大桥桥址处的自然条件具有特殊性，桥址处地质复杂、水文条件差、潮差大，且退潮后河道变窄，施工困难，水流速度大，船只等施工设备定位困难，另外该桥主桥为双向斜桩基础，且要保证通航，这些都对承台预制围堰的设计与施工提出了非常高的要求。在深水大跨度桥梁施工过程中，大型深水基础成为桥梁施工的重点和难点，桥梁深水基础所处的深水环境对其设计和施工方面都有影响，工作平台设计时应综合考虑环境的特性，由于在深水环境中桥梁深水基础所受的水平力比陆上和浅水环境中要大得多，同时，深水基础属于水下隐蔽工程，在设计和施工时必须综合考虑水的流速、深度等因素。桥梁深水基础特别是高桩承台，深水桩基的施工方案需要根据桩基础结构、附近水域情况、墩位离岸距离、墩位处水下地形、覆盖层厚度和土层性质、基岩埋深及表面状况、水深及水位变幅、水流速度和流态、施工期通航要求等方面来选择确定。在高桩深水桩基础施工中，设计合理有效的施工方案以应对桩址处高潮差和高流速的特点，是亟需解决的难题。

承台预制钢筋混凝土围堰施工承台在中国、日本、韩国等亚洲国家较为常见。近年来，在欧洲和美洲的桥梁设计中也越来越多被采用，而像林牙河地区的潮差大，流速快等复杂自然条件的地区采用的情况较少。本项研究针对林牙河地区潮差大，流速快等特殊条件下水中承台预制围堰的设计和施工方法进行研究，可为同类桥型的设计、建造提供参考。

1 工程概况

项目位于马来西亚砂拉越州，桥址位于距离砂拉越州诗里阿曼市约45km 的林牙镇附近。主桥跨越河道为林牙河，项目合同额为2 118.60 万美元。项目全线1.12km，设计为双向两车道。其中桥梁部分长725m，主桥为90m+148m+90m 连续刚构桥；主墩桩基础为1 500mm 钢管桩，采用高桩承台；引桥为38.8m+3×40m+39.63m 预制T 梁简支桥，基础为60cm 混凝土管桩；主墩在水中，水深4～9m；设计桥面顶宽12.4m。桥梁纵坡为5%，横坡为2.5%。主桥桥墩最大高度约为15m，桥墩采用空心薄壁墩。根据设计图纸，桥址处平均高潮位+2.872，平均低潮位-2.795，平均潮差5.7m。潮水类型为半日潮，涨、落潮时间约6h。根据设计说明，设计风速32m/s。马来西亚东马林牙河大桥是结构复杂的大型桥梁，技术水平要求高。

承台为菱形结构，采用预制底板、裙板作为底部支撑和侧向挡板，预制底板含有防撞挡块。水中6#、7#主墩承台采用八边形结构，桩基为直径1.5m 的钢管桩，钢管桩壁厚19mm，桩内上部约40m 采用填芯钢筋混凝土，全桥共46 根。每个基础含有3 根直桩，其余均为斜率1∶8的斜桩。

原设计承台采用C40 混凝土，分1m+1.5m+1.5m 三层浇筑，单层浇筑最大方量566m3。

根据图纸，设计平均高水位MHHW=+2.872，承台围堰底板侧挡板顶部高程Hs=+2.200。涨潮后水位会高于原设计底板侧挡板，对承台施工造成严重影响。经过现场反复测定核对，为保证施工期间承台预制围堰不被极端大潮的潮水倒灌，对围堰预制底板结构进行优化，将围堰预制底板侧向挡板加高0.8m，变为1.8m，此时底板顶部标高为+3.000，大于设计高水位，满足要求。优化后分1m+0.8m+0.7m+1.5m 四层浇筑，单层浇筑最大方量356m3。

承台预制底板在桥址临时码头旁驳船上预制，船上停放200t 履带吊进行现场吊装。预制块钢筋混凝土通过陆地运输至临时码头，预制围堰安装完成后进行承台施工，承台钢筋和混凝土均通过栈桥运输供应。

2 承台钢筋混凝土预制围堰计算

根据大桥设计图纸及现场水文资料，主墩（6、7号桥墩）承台采用“预制混凝土围堰”施工，围堰由底板、侧板、防撞板组成，围堰混凝土采用C50，形状与承台相同，均为菱形结构。为减轻吊装重量，围堰底板采用钢筋混凝土板，分23块预制，7种类型，底板厚共分三种类型，分别为25、30、50cm，各分块之间留30cm 湿接缝接头；侧板高为180cm，厚度为10cm；防撞板高为200cm，厚度为60～100cm。吊装施工时，承台挂板、防撞板与底板同步预制，同步吊装。

承台采用预制混凝土围堰施工。围堰分为底板和裙板，作为底部支撑和侧向挡板，预制底板设有防撞挡块。

承台施工过程中，预制钢筋混凝土围堰挡板经历两个不利荷载工况：①工况一：承台混凝土未浇筑前，外侧高水位，围堰挡板承受水压力和水流力作用；②工况二：首层混凝土浇筑完成后，外侧低水位没有水压力，此时仅有混凝土侧压力，为保证围堰挡板受力稳定，每隔1m 设置一根T40 钢筋作为临时支撑，钢筋与水平夹角为45°，针对两种不利荷载工况进行设计验算。

2.1 围堰下侧预制挡板单元离散

围堰下侧预制挡板分块有限元模型采用大型商用程序Midas2020 建立，有限元模型如图1 所示。围堰分块各板件采用板单元建立，侧板斜杆支撑d=40mm 钢筋采用桁架单元建立。共有6 176 节点，6 105 个板单元，65 个桁架单元。建模时所采用的坐标系为直角坐标系，X 轴为桥的横向、Z 轴为桥的竖向、Y 轴为桥的纵向，单位为m；建模时所采用的钢材弹性模量E 取2.1×105MPa，泊松比μ取0.3。

图1 承台钢筋混凝土预制围堰有限元模型

2.2 承台钢筋混凝土预制围堰底板荷载及组合

混凝土围堰自重由有限元软件Midas 自行加载计算。

2.3 静水压力

混凝土围堰侧壁外静水压力从上至下为三角形分布，静水压力取最高平均潮水位MHHW=+2.872m计算。

无裙板承台围堰水深为H1=1.922m，则可计算出无裙板承台套侧板静水压力最大值P1=19.22kPa。

2.4 流水压力

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[1]4.3.9 条规定，围堰侧板流水压力计算如式（1）所示。流水压力合力的着力点在设计水位线以下0.3 倍水深处。

式（1）中：Fw为流水压力标准值（kN）；k 为形状系数，对于尖端形取值0.70；A 为阻水面积（m2）；r 为水的重度（kN/m3），取10kN/m3；v为设计流速（m/s），按照50 年一遇，取1.63m/s；g 为重力加速度（m/s2），取9.81m/s2。

经计算得Fw=33.27kN。

2.5 混凝土侧压力

根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650—2020）[2]附录C0.5 中规定：当采用内部振捣器时，新浇筑混凝土作用于模板的侧压力，按式（2）和式（3）计算，并取其中的较小值，即：

式（2）～式（3）中：F 为新浇混凝土对模板的侧压力（kN/m2）；γc为混凝土重量密度（kN/m3），取24.5kN/m3；t0为新浇筑混凝土初凝时间，可按t0=200/(T +15)计算，T 为混凝土的温度（℃），取值28℃；β1为外加剂影响修正系数，不掺加外加剂取1.0，掺加缓凝剂取1.2，本次计算取1.2；β2为混凝土坍落度影响修正系数，坍落度为110～150mm 时，取1.15；坍落度为200，本次计算取1.2；V 为混凝土垂直浇筑的速度（m/h），取0.103m/h；H 为混凝土侧压力计算位置至新浇筑混凝土顶面的总高度（m）。

代入参数，可得承台围堰：Pmax=11.58kN/m2。

根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650—2020）附录C0.5 中规定，荷载加载渐变段长度：l=11.58/24.5=0.47m。

2.6 预制围堰底板外侧配筋部分验算

具体验算结果如表1～表3所示。

表1 预制围堰底板外侧受弯构件正截面抗弯承载力验算

表2 预制围堰底板外侧斜截面抗剪强度验算

表3 预制围堰底板外侧裂缝宽度验算

2.7 围堰整体抗浮验算

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）5.4.3 条规定，围堰在水浮力作用下抗浮稳定性验算，应符合下式：

式（4） 中：Gk为结构物自重（kN），经计算为6 180kN；W 为握裹力（kN），经计算为2 709kN；T 为螺栓拉力（kN），经计算为9 331.2kN；Ff为水的浮力标准值（kN）；Kw为抗浮稳定安全系数，取1.05。

根据公式，代入参数值Gk=16354kN，Ff=8734kN计算：

围堰整体抗浮稳定性安全系数满足要求。

3 结语

根据对马来西亚砂拉越林牙河地区的地质、水文、通航条件的仔细调查研究以及对主桥承台预制钢筋混凝土围堰方案的设计及验算结果来看，承台预制钢筋混凝土围堰的承台施工方式，能够适应林牙河地区的高潮差、流速快、地质差的特点，为类似项目的实施积累了经验。