崇左至水口高速公路橋梁施工深水鋼圍堰設計優(yōu)化探討

韋立樺

摘要：深水鋼圍堰施工具有安全風險高、作業(yè)空間小、施工成本高、水文地質情況復雜的特點，文章結合崇左西左江大橋工程實例，介紹了鋼圍堰施工步驟，并通過各工況計算，分析了鋼圍堰優(yōu)化設計的意圖，提出施工控制關鍵點，以實現(xiàn)深水鋼圍堰施工安全、高效、經(jīng)濟的目標。

關鍵詞：鋼圍堰;深水;設計

0 引言

廣西崇左至水口高速公路崇左西左江大橋主墩位于左江中，橋位距離下游美亞電站1km，平均水深超過20m，該電站不通航，附近無大型起重設備可用，主墩承臺采用雙壁鋼圍堰施工，具有安全風險高、作業(yè)空間小、施工成本高、工期緊、水文地質情況復雜的特點。鋼圍堰委托外部設計院設計，施工過程中發(fā)現(xiàn)以下情況：在內(nèi)支撐設計密集，影響后續(xù)承臺和墩柱施工;未設計圍[HTXH1]檁，采用壁板直接受力，壁板拼接焊縫質量要求高;水平環(huán)板設置了豎向的背肋，焊接過程中變形嚴重，難以定位和滿焊，施工質量和進度均難以保證。目前計算軟件應用很普遍，通過對圍堰進行建模、計算、分析，可以抓到關鍵點，避免大量工期和成本的浪費。

1 工程概述

崇左西左江大橋跨徑為（3×20+77+145+77+20）m，因線路跨越左江而設，其中3#過渡墩和4#、5#主墩位于左江中，平均水深超過20m，4#墩承臺底標高為90.0m，5#墩承臺底標高為91.0m，承臺分為左右兩幅，單幅承臺尺寸為12m×12m，承臺采用9根直徑1.8m混凝土鉆孔樁基礎。

4#、5#墩承臺采用雙壁鋼圍堰施工，橋位處百年一遇水位為113.86m，10年一遇水位為108.41m。結合橋位處水位布置情況，選取10年一遇水位108.41m作為設計水位。

2 鋼圍堰設計優(yōu)化方向

2.1 水平斜桿及水平環(huán)板優(yōu)化

鋼圍堰受力壁板中應力最大的地方為矩形圍堰長邊的內(nèi)支撐高度處的水平斜桿及水平環(huán)板，水平環(huán)板應力為[KG（0.18mm]200MPa，水平斜桿為165MPa，均超過容許應力。原設計的圍堰環(huán)板均設置了豎向的背肋鋼板，焊接過程中變形嚴重、難以定位，焊接質量難以保證，無法發(fā)揮增加豎向剛度的要求。根據(jù)計算結果，可以有針對性地通地補強，避免盲目增加成本，在保證雙面角焊縫施焊空間的前提下，盡可能加密該處水平環(huán)板間距，同時在水平環(huán)板一面間斷焊接通長地∠75×50×6角鋼，增加水平環(huán)板剛度，將水平斜桿布置距離縮短為0.6m，降低斜桿節(jié)點處的應力集中。

2.2 內(nèi)支撐優(yōu)化

原設計的內(nèi)支撐為縱橫向矩形框架型，未避開墩柱和塔吊位置，同時縱橫向矩形框架間距小，導致吊裝作業(yè)空間狹小。調(diào)運材料時，需安排工人位于第一層內(nèi)支撐上部進行吊物牽引，不僅耗費時間，增加吊裝人員，而且增加高空墜物及高空作業(yè)的安全風險。通過增加圍[HTXH1]檁，將壁板單點受力情況變?yōu)闂l形受力，降低壁板的集中荷載，增加焊縫的安全系數(shù)。優(yōu)化內(nèi)支撐結構形式，將內(nèi)支撐優(yōu)化為八字斜撐。經(jīng)過計算，圍[HTXH1]檁和內(nèi)支撐應力均滿足要求，方便承臺鋼筋、模板、樁頭雜物吊運。

2.3 下放系統(tǒng)優(yōu)化

原設計的下放系統(tǒng)采用四個角的鋼護筒下放，需要接長鋼護筒，并在壁板內(nèi)設置承重吊點，吊點構造復雜，單點承受65t，對于各點的同步性、鋼護筒焊接質量要求高，增加起吊后拼接刃腳的安全風險。通過優(yōu)化下放系統(tǒng)，采用10個門字架配合精軋螺紋鋼進行下放，單點僅需26t的荷載，無需對壁板進行額外設計，僅利用現(xiàn)有鋼管樁，安全高效。

2.4 施工步驟優(yōu)化

原設計的鋼圍堰施工步驟為先與壁板同步安裝內(nèi)支撐，再下放，最后再抽水，雖然安全系數(shù)較大，但無法確定內(nèi)支撐與鋼管樁的具體位置，鋼圍堰下放過程中容易卡住，且澆筑封底混凝土時，導管不能連續(xù)，需要重新插管，影響水下混凝土質量。通過計算分析，發(fā)現(xiàn)采用先抽水再安裝內(nèi)支撐的方案，內(nèi)支撐以及壁板受力均滿足要求。方案優(yōu)化后可以避免內(nèi)支撐與鋼護筒位置沖突，使封底混凝土連續(xù)澆筑，在保證安全的前提下，既縮短工期，又保證質量。

3 鋼圍堰優(yōu)化概述

雙壁鋼圍堰側板厚1.5m，高度為23m。以4#墩為例，圍堰底標高為+86.0m，圍堰側板高度上分為三節(jié)，沿周長分塊，側板各單元塊之間采用焊縫連接，分節(jié)安裝到位，圍堰內(nèi)共設置三層水平內(nèi)支撐。具體構造為：面板厚度為6mm，豎向隔板為12mm鋼板，內(nèi)支撐位置處的水平環(huán)間距為600mm，其余部位為800～1200mm，豎向設置∠75×50×6角鋼，內(nèi)支撐位置水平環(huán)板采用12mm板件與∠75×50×6角鋼焊接成L型構件，其余部位為12mm板件，中節(jié)和頂節(jié)的水平連桿為雙拼∠100×10;第一層內(nèi)支撐直徑為630mm，壁厚10mm，第二層和第三層內(nèi)支撐直徑為800mm，壁厚16mm，封底混凝土為C30，厚度為4m，夾壁混凝土為C20，高度為8m。詳見圖1～2。

4 鋼圍堰優(yōu)化論證

4.1 材料參數(shù)

（1）Q235B鋼參數(shù)：容許彎曲應力[σ]=145MPa[1]。

（2）鋼彈性模量：Es=2.1×105MPa。

（3）封底混凝土參數(shù)：封底混凝土采用C30水下混凝土，混凝土參數(shù)為：fk=150kPa;[ft]=1.75MPa[2]。

4.2 施工流程

（1）在加工場地內(nèi)分塊制造圍堰，運輸至橋位處;

（2）鉆孔樁完成后，局部拆除鉆孔平臺;

（3）在臨時平臺上拼裝圍堰底節(jié);

（4）接高鋼管樁，安裝提升下放系統(tǒng);

（5）圍堰整體提升，拆除臨時拼裝平臺;

（6）圍堰下放至自浮，限位后拆除下放系統(tǒng);

（7）根據(jù)漂浮高度在壁艙內(nèi)灌水，依次拼裝中節(jié)圍堰、底節(jié)圍堰;

（8）灌注壁艙內(nèi)混凝土，下沉到位;