钢壁混凝土围堰在大尺寸水中承台施工中的应用

金晓峰JIN Xiao-feng

（中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆 401121）

0 引言

桥梁施工一直是高速公路项目建设中的重难点，尤其当桥梁跨越较宽的河流时，其水中基础更是整座桥梁施工中的关键。目前桥梁水中承台基础往往采用围堰形式进行支护作业施工，常用的围堰主要有以下几种：一是筑岛围堰，该围堰优点是施工成本低，施工速度快；缺点是只适用于水流较慢且水深较浅的桥梁基础施工，施工应用范围窄且对周边环境会造成一定影响。二是钢板桩围堰，该围堰优点是施工速度较快，安装和拆除均比较方便，围堰止水效果好；缺点是对施工区域地质要求较高，不适用于岩层或卵石层地区。三是双壁箱围堰，该围堰适用于水深且地质较硬的水下承台施工，优点是施工作业应用范围广，安全性高，缺点是当承台尺寸较大时，围堰材料适用量较大，施工成本较高。因此对于大尺寸水中承台施工，需要对双壁钢围堰进行加强设计。常规的加强方式一般是增加围堰支撑体系或者增加围堰侧壁的材料用量，以便增强其刚度和强度，减少围堰挠度变形，但上述加强设计方案均会增加围堰的总量，从而增加了施工成本。在合安高速公路五标涪江特大桥施工中，其主跨承台平面尺寸较大，位置较深，针对上述情况，项目部采用钢壁混凝土围堰进行水下承台施工。由于钢壁混凝土围堰刚度及强度较大，围堰挠度变形小，不但满足了施工需求，保障了水下承台施工作业安全，而且大大减少了钢材的使用量，降低了施工成本，加快了施工进度。通过现场实际应用，钢壁混凝土围堰在大尺寸水中承台支护施工中取得很好的效果。

1 工程概况

合安高速公路涪江特大桥位于重庆市潼南区城西约10km，设计起止里程K73+449.58～K75+390.54，中心里程K74+418.75，全长1940.96m，纵断面纵坡0.5%～1.2%，墩台径向布置，全桥共12联，孔跨布置为：（62m+110m+62m）+6×（5×30）m+4×30m+3×30m+（100m+190m+100m）+5×27.5m+2×30m，最大墩高32.565m。

桥梁经涪江处以（100+190+100）m连续刚构梁形式跨越，桥位区涪江宽约350m，其中41#、42#主墩位于涪江中，主墩为双薄壁柔性墩，两肢净肢5m，矩形截面，尺寸为1.8×6.5m，倒圆角，41#墩墩高27.2m，42#墩墩高29.0m。基础采用群桩基础，左、右幅采用整体式承台，承台设计为低桩承台，尺寸为28m×14m×5m，基础采用18根直径2.2m的钻孔灌注桩，纵向三排横向六排布置，按嵌岩桩设计，桩长30m。其中41#墩承台结构尺寸均为28×14×5m，承台顶标高234.007m，承台底标高229.007m，承台厚5m。

2 钢壁混凝土围堰结构设计

涪江特大桥41#、42#主墩中，41#墩承台施工难度最大，因此本文以41#墩承台为例进行研究。41#墩承台结构尺寸均为28×14×5m，承台顶标高234.007m，承台底标高229.007m，承台厚5m。钢壁砼围堰顶面标高239.007m，底面标高226.507m，总高度12.5m，高度方向分为三节，从下向上为3.5m钢壁砼围堰+4.5m钢壁砼围堰+4.5m钢壁砼围堰。围堰外边长宽尺寸30.1m×16.1m，内边长宽尺寸28.1m×14.1m，壁厚为1.0m。

在钢壁围堰内设置两层内支撑，分别在钢壁围堰顶以下1.5m位置和承台顶以上0.5m位置，内支撑采用Ф630*10mm螺旋钢管，壁内围囹采用三拼HM350*250mmH型钢，连接方式采用焊接，并设置加劲牛腿钢板。钢壁围堰顶1.1m以下部分壁内灌注C30水下混凝土，混凝土顶面设置打桩平台钢管桩。

钢壁围堰由下到上共分三个节段，底节高3.5m，第二节高4.5m，第三节高4.5m。面板厚度为4mm，刃脚部分面板厚度为8mm。沿内外壁内侧布置∠63×63×6mm竖向角钢作为竖向主龙骨，间距30cm，环向肋采用20cm宽8mm厚钢板，内外壁之间水平斜杆撑为∠70×70×7mm角钢。竖向、环向主龙骨与斜撑组成立体桁架，均采用焊接方式，使内外壁形成整体[1]。围堰结构设计详见图1。

3 钢壁混凝土围堰应用优点分析

钢壁混凝土围堰相比于传统的双壁钢围堰主要具有以下几个优点：①钢壁混凝土围堰由于采用侧壁采用混凝土进行填充，使得围堰刚度及强度大大增强，尤其在当围堰平面尺寸较大时，该优势更为明显。②钢壁混凝土围堰相比于传统双壁钢围堰，钢材使用量更少。由于钢壁混凝土围堰成形后侧壁所承受的弯矩更大，因此相比于传统双壁钢围堰，钢壁混凝土围堰所用钢材规格及数量可以进一步缩减，围堰整体造价显著降低。同时围堰重量的减少也降低了吊装安全风险，加快了施工进度。③钢壁混凝土底节与承台密贴，施工完成后一般不予拆除，可做为承台的防冲刷措施，提高主体结构的使用年限。

4 钢壁混凝土围堰受力验算

4.1 主要计算参数

41#墩围堰平面尺寸30.1m×16.1m，高度12.5m，混凝土壁厚1.0m，混凝土围堰设计顶面标高239.007m，承台顶标高234.007m，承台底标高229.007m，刃脚标高226.507m，封底混凝土厚度2.5m，承台内设18Φ2.2m桩。

封底砼强度为C30：弹性模量E=3.0×104N/mm2；泊松比ν=0.15；比重ρ=2.30×10-6kg/mm3。承台尺寸为28m（水流方向）×14m（线路方向）×5m（高度）。

混凝土围堰采用C30混凝土，砼的重度取γc=23kN/m3。水流速度2.74m/s。

地质资料见表1。

表1 涪江特大桥41#围堰周边地层参数表

4.2 围堰受力荷载取值

围堰静水压力：qjmax=ρgh=0.125N/mm2，根据《公路桥涵设计通用规范》，作用在围堰上的流水压力按下式计算：

其中：K—形状系数，取1.3；γ—水的容重10kN/m3；g—重力加速度10m/s2；ν—平均水流速度2.74m/s；A—阻水面积。

围堰动水压力：

围堰下部土压力：

封底混凝土浮力：qf=ρgh=0.125N/mm2。

围堰顶部钢管墩支撑力：656.6kN。

4.3 钢壁围堰受力分析

本计算书采用MIDAS/civil结构计算程序建模分析。其中围堰完成浇注封底混凝土达到强度，抽水施工承台时混凝土围堰受力最大，以此做为最不利工况进行受力分析。

①围堰拉应力计算（见图2）。

对混凝土围堰配置抗拉型钢后，主压应力13.86MPa<[σb]=14.3MPa，满足要求。

②围堰挠度变形计算（见图3）。

通过计算可得知，围堰最大位移2.8mm<14100/400=35.25mm，满足要求。内支撑组合应力98.1<145MPa，剪应力25.8MPa<85MPa，满足要求。

③围堰整体抗浮验算。

封底混凝土为C30混凝土，厚度为2.5m，有效计算厚度2.5m，围堰尺寸：30.1m×16.1m；桩基施工外径为2.5m，共18根；基坑深取12.5m计算。钢与混凝土、混凝土与混凝土粘结力：一般取120kN/m2；混凝土容重：23kN/m3；水的容重：10kN/m3；围堰封底混凝土底标高：226.507m。

水的浮力：P=ρghs=10×12.5×28.1×14.1=49526.3kN

封底砼自重：G=ρv=23×（28.1×14.1-18×3.14×2.52）×2.5=2470.2kN

封底砼与桩基的粘聚力：N1=18×3.14×2.5×2.5×120=42390kN

封底砼与钢板的粘聚力：N2=（28.1+14.1）×2×2.5×120=25320kN

则抗浮安全系数为：K=（G+N1+N2）/P=（2470.2+42390+25320）/49526.3=1.42＞1.2

封底混凝土抗浮满足要求[2]。

5 钢壁混凝土围堰主要施工工艺

5.1 施工工艺流程

围堰分块制作→承台基坑开挖→底节钢壁围堰拼装→底节围堰下沉→第二节钢壁围堰接高→第二节围堰下沉→第三节钢壁围堰接高→第三节围堰下沉→围堰精确定位→浇筑围堰内混凝土→搭设钻孔平台→围堰封底混凝土浇筑→基础施工。

5.2 钢壁围堰加工制作

钢壁钢围堰在涪江大里程岸上现场加工场进行加工,为保证钢围堰加工精度，每块围堰均在胎模上进行制作加工，确保每个连接面结构的准确性以及拼装后整体几何形状的准确性。围堰焊接完成后对所有结构焊缝进行检查，内、外壁板对接焊缝必须通过煤油渗透试验[3]。

5.3 承台基坑开挖

充分利用因下游水利施工涪江水位下降时期的宝贵时间段，在承台位置驻岛开挖围堰范围内的卵石层，清理之前需对承台钢围堰范围位置及标高进行精确控制，确保清底后河床表面平整。

5.4 钢壁围堰拼装、下放

底节钢壁围堰拼装平台采用浮箱方式搭建。浮箱采用直径2.5m钢护筒加工制作而成，在钢护筒两端焊钢板形成密闭浮箱，在钢护筒上预留注水管孔与排气管孔。钢护筒之间采用I22工字钢连接形成一个拼装平台。在拼装平台浮箱顶中部铺设工字钢做为钢壁围堰刃角支撑，将底节钢壁围堰分块吊装至浮箱工字钢上进行拼装。在浮箱平台上完成底节钢壁围堰拼装后，确定焊缝不透水后，向浮箱内同步注水，使浮箱下沉后与钢壁围堰脱离，实现底节钢壁围堰自浮在基坑内，钢堰自浮后利用岛四角的定位钢管桩将围堰初步固定。第二节和第三节围堰采用上述方法拼装焊接接高。

5.5 钢壁围堰内支撑安装

在钢壁围堰内设置两层内支撑，分别在钢壁围堰顶以下1.5m位置和围堰顶以下4.5m位置，内支撑采用Ф630*10mm螺旋钢管，壁内围囹采用三拼HM350*250mmH型钢，连接方式采用焊接，并设置加劲牛腿钢板。首先安装下层内支撑，然后安装上层内支撑，内支撑在岸上加工成成品，运输至现场，安装采用50t履带吊吊装进行，安装时要严格控制安装位置与焊接质量，避免与钢护筒相互干扰。

5.6 钢壁围堰整体定位、下沉

钢围堰整体下沉前对基坑进行一次全面的测量，确保围堰各项参数符合要求。钢围堰先用手拉葫芦进行粗略定位，然后向壁内均匀对称注水下沉，并用全站仪不间断进行定位测量，手拉葫芦进行调整。待钢壁围堰刃角离基坑底设计着床标高1m时，用全站仪进行精确定位测量，每下沉10cm测量、调整一次，确保围堰各项指标满足要求。

5.7 钢壁围堰壁内砼浇筑

围堰着床后，立即浇筑围堰壁内混凝土，以增加围堰刚度，提高围堰稳定性。混凝土灌注高度至围堰顶下口1.1m位置，采用导管法水下灌注，每个隔仓内设2个灌注点。灌注时壁内水采用抽排至沉淀池的方式，防上水泥浆污染河道，并在设计位置预埋钻孔平台钢管桩。灌注过程要对称缓慢，防止导管等碰撞围堰，过程中加强对围堰的监测。混凝土初凝后，对围刃角部份采用卵砾石进场回填。

6 安全质量保障措施

①从事水上施工的人员必须明确了解所从事作业的安全注意事项，工作中服从指挥，切不可违章冒险作业。作业的人员必须按规定穿戴好劳动防护用品，穿好救生衣，并在栏杆上设置救生衣和救生圈。②钢壁围堰采用的钢材和焊接材料的品种规格、化学成份及力学性能必须符合设计和有关技术规范的要求，具有完整的出厂质量合格证明。③钢壁围堰吊装过程中必须安排专人进行监控，施工作业区内严禁其他人员进入，在围堰下沉过程中，任何人员不得在围堰顶部。④施工作业场所和救生船舶上配备的救生设备要妥善保管，爱护使用，除用于救人以外任何人不得借故移作他用，严禁擅自移动。

7 结束语

通过采用钢壁混凝土围堰对大尺寸水下承台进行支护施工，充分利用围堰刚度大的优点，减少了围堰挠度变形，不但满足了施工需求，保障了水下承台施工作业安全，而且大大减少了钢材的使用量，降低了施工成本，加快了施工进度。通过现场实际应用，钢壁混凝土围堰在高速公路大尺寸水中承台施工支护中取得很好的效果，也为后续类似施工提供了借鉴和参考。