深水双壁钢围堰施工方案安全计算分析与技术控制

王 淳

(铁四院(湖北)工程监理咨询有限公司,湖北武汉 430063)

1 工程概况

宁安铁路安庆长江大桥主桥为双塔三索面钢桁梁斜拉桥，3号、4号为主桥的两个主塔墩，基础均采用双壁钢围堰施工方案。以3号墩围堰为研究对象，设计参数见表1。自重约2 161.1 t。桩基37根，其中φ3.0 m/φ3.4 m变径钻孔嵌岩桩，围堰布置如图1所示。

图1 3号墩围堰立面布置

m

2 围堰结构安全计算分析

2.1 建立围堰整体计算模型

采用ANSYS10.0建立计算模型，由于结构和荷载对称，故取1/4围堰结构进行建模计算。约束条件为对称面位置对称约束，刃脚底部位置三向位移约束，计算模型如图2所示。

图2 1/4围堰结构计算模型

2.2 围堰计算工况划分

根据施工流程，选取围堰的接高灌水下沉和围堰封底后的3个典型不利工况分别进行计算。

工况1：围堰下沉到位封底抽水后，围堰外侧低水位(水位高程+3.0 m)，隔舱内有10 m高水。

工况2：围堰下沉到位封底抽水后，围堰外侧高水位(水位高程+15.88 m)，隔舱内无水。

工况3：围堰下沉到位封底抽水后，围堰外侧高水位(水位高程+15.88 m)，隔舱内有10 m高水。

2.3 围堰计算内容

(1)围堰结构单元、各挂点、吊点以及围堰整体的刚度、强度验算。

(2)锚定系统的验算以及着床后的渡汛安全性、稳定性验算。

(3)围堰内抽水后，抗浮、抗隆起封底砼抗弯的验算以及井壁混凝土验算。

2.4 围堰结构计算结果分析

3个工况下围堰结构计算结果见表2。

数据显示，除自井壁混凝土上部极小范围内的计算峰值外，整个围堰结构单元计算应力均在容许应力范围以内。

由于围堰使用时间长(两个汛期)，因此必须加大安全储备，对施工水位进行修改和局部进行加固处理，最终修改施工水位为14.5 m，使结构应力全部在140 MPa以内。

表2 围堰结构计算结果

由以上计算结果可知，为保证围堰隔舱板安全，要求隔舱板两侧的水头差不大于10 m。在灌注混凝土阶段，为保证隔舱板的安全，要求隔舱板两侧灌注混凝土高差不大于4 m。在封底混凝土灌注完毕后，在高水位的情况下，保证围堰井壁内填充混凝土面以上有10～12 m高的水位，确保围堰结构安全。

2.5 围堰局部构造应力分析

(1)围堰底隔舱斜腹板和支撑三脚架之间采用点焊不妥，无法承担封底混凝土向上的和单边侧压力，同时作为下河主要承力走道，还要承受前进方向的冲击荷载，容易开裂甚至脱落。

(2)围堰隔舱腹板与围堰壁仅沿围堰壁高度方向进行了焊接，无法承担在封底混凝土单侧压力的作用下形成的剪切应力，同时会对围堰壁造成破坏。根据计算结果，对以上两个部位进行了全面加固，确保了围堰的结构安全。

(3)围堰抗浮和封底混凝土抗弯折验算。按最高水位15.88 m验算，封底混凝土与围堰和钢护筒的黏结力分别为128 kP和139 kP，小于设计250 kP，弯拉应力为0.11 MPa，小于容许应力0.5 MPa。施工过程中应加强对围堰壁和护筒壁的清理，确保黏结力。

3 锚定系统安全计算分析

3.1 锚定系统计算

以主锚为例，主锚拉力计算按围堰和工作船受水、风的阻力来计算，同时计入后锚40%预拉力，边锚按主锚的50%计列同时计入一定的偏转角度，主锚拉力计算结果见表3。

表3 主锚拉力计算 kN

3.2 锚定系统计算结果分析

主锚采用10个地龙锚固，单根锚绳受力=5 824 kN/10=582.4 kN

主锚绳全部采用钢丝绳，选用6×37+FC类钢丝绳，公称直径66 mm，公称抗拉强度1 770 MPa，最大破断力[P]=2 270 kN，

则钢丝绳安全系数K=2 270/582.4=3.9，满足K=3～6的要求。

4 方案安全技术控制

根据以上对围堰整体及锚定系统的计算分析，方案安全技术控制要点如下：

(1)围堰汛期施工安全风险大，因此围堰的设计与施工必须进行详细的安全计算分析，并将计算分析的相关结果应用于工程施工中，确保围堰安全。

(2)对覆盖层较厚的围堰施工还应进行围堰局部冲刷验算，用于指导钻孔顺序和围堰汛期防护，确保围堰安全渡汛。

(3)大型围堰的分片(段)加工精度和对接精度以及围堰的焊接质量对围堰安全至关重要，有关方应加强控制，确保围堰加工符合设计，从而确保围堰结构安全。

5 结束语

本桥围堰施工由于特殊的地质及水文条件和汛期施工的特点，导致围堰施工的技术难度大幅增加，同时增加了监理单位安全质量控制的风险，对监理单位在技术方案审核把关和过程控制方面是一个挑战。宁安铁路安庆长江大桥已进入上部结构施工阶段，回顾整个围堰施工监理控制过程，作者认为以下内容可以为类似工程在施工方案安全计算与技术控制方面提供参考。

(1)围堰整体设计思路：对设防水位的取值、计算工况的确定等监理单位应仔细审查其与现场实际施工条件的吻合性，并作为后续施工控制的重要依据。围堰的渡汛冲刷计算必须齐全，尤其是围堰处于厚覆盖层上(里)，冲刷后整个围堰受力情况从根本上发生变化甚至会对封底混凝土和以成桩造成破坏。鉴于围堰结构的重要性，应力取值应偏保守。

(2)锚定系统设计：利用河道的地形和自制混凝土锚，克服了河床光板岩不利的地质条件，值得类似工程借鉴。另外，工程中为确保锚定系统受力检查的数值显示，采用了拉力计检测的方法，便于监理单位检查和调控拉力，确保钢缆和围堰的安全，而边锚受力计算必须考虑疲劳的影响。

(3)围堰的安全渡汛：一般特大型桥梁基础施工会经过了两个汛期，本桥也是一样，因此汛期围堰的安全至关重要，设防水位和相关控制参数的现场执行力度丝毫不能有差错，监理技术交底必须清楚而且要重点强调，对围堰的冲刷必须实施跟踪检测并结合渡汛验算采取相应的措施。另外，涉及汛期水上交通安全的措施必须完备并有应急预案。

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