一種新型整體式鋼圓筒圍堰在暗埋法橋墩中的應(yīng)用

肖仕寶，梁 桁

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

一種新型整體式鋼圓筒圍堰在暗埋法橋墩中的應(yīng)用

肖仕寶1，梁 桁2

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

針對(duì)外海、軟土地基上暗埋法預(yù)制橋墩的施工，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有止水圍堰結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，提出了一種新型整體式鋼圓筒圍堰結(jié)構(gòu)。闡述了新型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了設(shè)計(jì)原則、方法、構(gòu)造等關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)工程驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，止水效果好，循環(huán)周轉(zhuǎn)快捷方便，是值得推廣的新型圍堰結(jié)構(gòu)。

暗埋法；整體式圍堰；鋼圓筒圍堰

1 工程背景

港珠澳大橋工程位于珠江口伶仃洋海域，其中深水區(qū)非通航孔橋長(zhǎng)約14 km，采用110 m跨度整墩整幅鋼箱聯(lián)系梁橋方案，承臺(tái)及墩身采用全預(yù)制裝配化施工，為了減少基礎(chǔ)阻水率，基礎(chǔ)均采用埋床法預(yù)制墩臺(tái)[1]，即先施工鋼管樁復(fù)合樁，然后在水下安裝預(yù)制承臺(tái)，再通過(guò)后澆混凝土將樁基礎(chǔ)和預(yù)制承臺(tái)連接為整體。結(jié)合工程區(qū)域的水深地形情況，墩臺(tái)基礎(chǔ)底部需埋至-12.0 m標(biāo)高。

工程區(qū)域處于珠江口臺(tái)風(fēng)頻發(fā)區(qū)域，20 a一遇H1%設(shè)計(jì)波浪為4.27 m。原泥面約為-5.0~-7.2 m，表層至-25.0 m區(qū)域多為淤泥，-25.0~-35.0 m區(qū)域?yàn)橛倌噘|(zhì)黏土，其下交替為淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土夾砂。

為滿足工程需求，復(fù)雜海況、軟土地基、大埋深埋床法預(yù)制基礎(chǔ)中涉及的預(yù)制承臺(tái)與樁基礎(chǔ)連接轉(zhuǎn)換，是亟待解決的問(wèn)題。

2 埋床法干施工工藝對(duì)比分析

2.1 傳統(tǒng)施工工藝對(duì)比

國(guó)內(nèi)尚無(wú)埋床法預(yù)制基礎(chǔ)應(yīng)用先例，對(duì)現(xiàn)有橋墩基礎(chǔ)施工圍堰工藝對(duì)比總結(jié)分析如下：

1）傳統(tǒng)橋墩采用有底鋼吊箱圍堰，該結(jié)構(gòu)只適合于止水標(biāo)高較淺、海況環(huán)境較好地區(qū)，不適合于止水深度深、外海復(fù)雜海洋環(huán)境工況。

2）鋼板樁（或鋼管樁）加支撐的施工圍堰。該方法需施打多根鋼板樁和根據(jù)基坑的開挖深度逐級(jí)安裝支撐結(jié)構(gòu)，通過(guò)樁基的入土深度和支撐來(lái)滿足圍堰穩(wěn)定，通過(guò)鋼板樁的鎖扣來(lái)滿足止水。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為鋼板樁需要逐根施打，逐步安裝支撐結(jié)構(gòu)，施工工序繁雜、止水保障度不高，循環(huán)使用較為麻煩，功效低。

3）雙壁鋼圍堰由多段鋼板單元組成，入土較淺，需要澆筑封底混凝土來(lái)滿足穩(wěn)定和止水要求。該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為雙壁鋼圍堰需要逐根施打，施工工序均較為繁雜，采用混凝土封底后，板單元拔除困難，一般只用于單次使用，不能循環(huán)使用，且軟土地基上的適應(yīng)性還有待于驗(yàn)證。

國(guó)外裝配式埋床法橋梁基礎(chǔ)形式多采用沉井或者沉箱結(jié)構(gòu)，而本工程地處軟弱地基，不適宜采用對(duì)基礎(chǔ)要求較高的沉箱結(jié)構(gòu)。

2.2 施工招標(biāo)方案

本工程暗埋法預(yù)制承臺(tái)橋墩施工，其核心為樁基礎(chǔ)和預(yù)制承臺(tái)連接轉(zhuǎn)換的止水方案，施工招標(biāo)方案采用了止水膠囊方案，該方案要求為：鋼管復(fù)合樁斜率不超過(guò)1/400，樁頂平面偏差不超過(guò)50 mm。

由于尚無(wú)采用止水膠囊應(yīng)用于暗埋法的先例，施工前進(jìn)行了橋梁墩臺(tái)足尺模型工藝試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究表明：

1）該方案對(duì)沉樁垂直度和平面偏位要求極高，常規(guī)沉樁工藝的施工精度難以滿足，需采用超常規(guī)工藝沉樁，大型船機(jī)設(shè)備投入多、沉樁效率低、施工費(fèi)用高。

2）擋水圍堰與承臺(tái)連接，連接結(jié)構(gòu)和連接處的止水復(fù)雜，形成的干施工作業(yè)面較小，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

3）后澆孔與鋼管樁間的止水在水下施工，且需保證臺(tái)風(fēng)期擋水圍堰與承臺(tái)間的連接和止水可靠，難度大，工序多，風(fēng)險(xiǎn)高。

2.3 整體式鋼圓筒圍堰結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

受港珠澳大橋主體工程人工島鋼圓筒設(shè)計(jì)方案[2]（直徑22.0 m，面積380 m2）的啟發(fā)，擬開發(fā)一種新型鋼圓筒圍堰結(jié)構(gòu)[3-4]，能適用于外海復(fù)雜海況、軟土地基上，提供較大止水深度、可循環(huán)使用的整體式止水圍堰，用于外海裝配、埋入式橋梁墩臺(tái)的止水。

如圖1所示，具體為：將整體式大直徑鋼圓筒，振沉至設(shè)計(jì)穩(wěn)定、止水標(biāo)高，筒內(nèi)抽水，創(chuàng)造干施工環(huán)境，必要時(shí)通過(guò)支撐系統(tǒng)將橋墩基礎(chǔ)和鋼圓筒圍堰整體相連，以抵抗極端外海波浪作用。橋墩施工完后，鋼圓筒圍堰可整體拔出，循環(huán)使用。為了滿足鋼圓筒圍堰循環(huán)使用過(guò)程和筒內(nèi)抽水壓力作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，需對(duì)鋼圓筒圍堰本身進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

圖1 暗埋法施工鋼圓筒圍堰典型斷面圖Fig.1 Typical section of steel cylinder cofferdam construction by embed method

經(jīng)對(duì)比分析，該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）對(duì)沉樁精度要求低，采用常規(guī)沉樁工藝可以滿足要求，船機(jī)設(shè)備投入少、沉樁效率高、施工費(fèi)用省。

2）采用鋼圓筒插入土層中，止水效果好，施工快，形成的干施工作業(yè)面大，安全風(fēng)險(xiǎn)較小。

3）鋼圓筒振沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，將預(yù)制墩臺(tái)與外海復(fù)雜海況隔離，使墩臺(tái)后澆孔澆筑在干施工環(huán)境中進(jìn)行，且不受外海風(fēng)浪影響，后澆混凝土質(zhì)量有保證。

4）鋼圓筒圍堰結(jié)構(gòu)通過(guò)插入土體滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定要求，極端海況下，可與樁基礎(chǔ)相連，結(jié)構(gòu)穩(wěn)性好，抗臺(tái)風(fēng)能力強(qiáng)。

5）鋼圓筒圍堰可循環(huán)利用，雖鋼圓筒圍堰單次施工費(fèi)用較高，但綜合費(fèi)用低。

3 整體式鋼圓筒圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

人工島鋼圓筒結(jié)構(gòu)是通過(guò)圓筒內(nèi)回填和深插來(lái)滿足外荷載作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，其主要荷載為靜水壓力和波浪力。整體式鋼圓筒圍堰是利用單個(gè)鋼圓筒內(nèi)的施工空間，來(lái)滿足預(yù)制橋墩和鋼管復(fù)合樁連接的干施工要求，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、強(qiáng)度、止水要求有其獨(dú)特的特點(diǎn)。由于圓筒內(nèi)無(wú)填料，主要靠鋼圓筒的嵌固來(lái)滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；鋼圓筒圍堰本身將承受高達(dá)13.0 m的水頭差和波浪力，同時(shí)還需滿足圓筒結(jié)構(gòu)振沉和上拔的循環(huán)使用要求。

經(jīng)系統(tǒng)梳理，設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：1）穩(wěn)定分析；2）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；3）振沉、拔出分析；4）結(jié)構(gòu)止水和抗隆起分析。

3.2 穩(wěn)定性分析

3.2.1 工況分析

結(jié)合樁基礎(chǔ)、鋼圓筒圍堰及預(yù)制橋墩的施工工序，工況分析如下：

工況一：設(shè)計(jì)高水位+2 a一遇波浪力+水流力，鋼圓筒振沉后尚未與樁基礎(chǔ)連接，筒內(nèi)尚未抽水。

工況二：設(shè)計(jì)高水位+2 a一遇波浪力+水流力，鋼圓筒振沉后尚未與樁基礎(chǔ)連接，抽水至-13.0 m。

工況三：設(shè)計(jì)高水位+20 a一遇波浪力+水流力，鋼圓筒與橋墩基礎(chǔ)通過(guò)桁架連接，支撐點(diǎn)標(biāo)高-12.4 m，圓筒內(nèi)抽水至橋墩施工標(biāo)高，此工況為防臺(tái)工況；

工況四：設(shè)計(jì)高水位+100 a一遇波浪力+水流力，鋼圓筒與橋墩基礎(chǔ)通過(guò)桁架連接，圓筒內(nèi)灌水與海側(cè)齊平，此工況為極端工況。

3.2.2 分析模型

建立空間有限元模擬鋼圓筒圍堰的三維施工過(guò)程，分析各工序下圓筒結(jié)構(gòu)與土體的變形以及鋼管樁的受力，分析得到最危險(xiǎn)工況下結(jié)構(gòu)的安全性系數(shù)。

綜合考慮以上要求，采用國(guó)際著名Plaxis 3D專業(yè)巖土有限元軟件，選取適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠?lái)模擬土體力學(xué)行為以及土體—圓筒結(jié)構(gòu)間的相互作用，建立相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 鋼圓筒圍堰和樁基礎(chǔ)三維有限元分析模型Fig.2 3D finite element analysis model of steel cylinder cofferdam and pile foundation

為了模擬樁-土接觸界面的性質(zhì)，土體采用實(shí)體單元來(lái)模擬，大圓筒結(jié)構(gòu)采用空心樁單元來(lái)模擬，并在圓筒與筒內(nèi)土、筒外土之間均加入界面單元模擬接觸的實(shí)際性質(zhì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)與土之間的界面，按照一般的工程經(jīng)驗(yàn)，取同深度土層材料強(qiáng)度的2/3作為接觸面單元的強(qiáng)度。鋼管樁采用embedded樁單元模擬，切合工程實(shí)際，材料屬性是通過(guò)沉樁樁側(cè)、樁端極限摩阻力確定。所有土體均采用Hardening soil model，它的彈性部分采用了合理的雙剛度，即加/卸載模量分別定義，且考慮了土體模量隨應(yīng)力增加而增大的特性。塑性部分采用了非相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則和各向同性的硬化準(zhǔn)則，可較好地描述曲線形式的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和土體的剪脹性。

模型的位移邊界條件：4個(gè)側(cè)面約束其法向位移，底面約束其3個(gè)方向的位移；排水邊界條件：底面及4個(gè)側(cè)面均為不排水邊界，頂面為排水邊界。

3.2.3 穩(wěn)定性結(jié)果

考慮沖刷深度2.0 m，支撐點(diǎn)按-12.4 m考慮，工況二筒頂最大水平位移為10.24 cm；工況四，計(jì)算表明筒內(nèi)灌水有助于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，筒頂?shù)淖畲笏轿灰茷?3.88 cm，鋼管復(fù)合樁的最大彎矩為8 137 kN·m，小于極限承載力值。

3.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.3.1 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

為滿足鋼圓筒振沉、上拔和在大水頭差作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，根據(jù)同類工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合圍堰結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，需對(duì)鋼圓筒圍堰的以下部位進(jìn)行加強(qiáng)。

1）為了夾持鋼圓筒，需要保證鋼圓筒頂部的圓度，需要對(duì)頂部鋼板進(jìn)行加厚，并設(shè)置剛度較大的橫肋，以約束其頂部變形，該工程中設(shè)置了剛度較大的仔形肋。

2）為了滿足振沉和上拔過(guò)程中，激振力和上拔力的傳遞，需要設(shè)置豎向肋，該工程中設(shè)置了剛度較大的T形肋。

3）為了約束筒體的側(cè)向變形和滿足靜水壓力作用，在筒體高度方向，需設(shè)置多道橫肋，該工程中設(shè)置了剛度較大的小型仔形肋。

工程經(jīng)驗(yàn)表明，為了滿足循環(huán)使用過(guò)程中振沖、上拔和施工過(guò)程中大水頭差的作用，加固構(gòu)件的綜合強(qiáng)度需遠(yuǎn)大于人工島的鋼圓筒結(jié)構(gòu)[2]。

3.3.2 強(qiáng)度分析

采用大型國(guó)際通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模分析，鋼圓筒采用彈性殼單元SHELL63模擬，其具有彈性、大變形和應(yīng)力剛化等功能；加固結(jié)構(gòu)和鋼管樁采用梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬，其優(yōu)點(diǎn)可在確保計(jì)算精度的同時(shí)，減小計(jì)算規(guī)模，便于后處理；鋼圓筒底部約束其豎向位移，基樁采用假象嵌固點(diǎn)的方法。具體詳見文獻(xiàn)[5]。

3.3.3 主要結(jié)果

鋼圓筒結(jié)構(gòu)最大變形為26.7 mm，最大應(yīng)力為149.14 MPa<295 MPa；支撐體系與橫肋接觸部分局部出現(xiàn)應(yīng)力集中為258.9 MPa，仍滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，為確保安全，在接觸部位需使用加強(qiáng)撐板加固。

由于鋼圓筒屬大直徑薄壁結(jié)構(gòu)，在循環(huán)使用過(guò)程中，局部會(huì)出現(xiàn)變形，該變形會(huì)導(dǎo)致使用過(guò)程中的應(yīng)力集中，該種效應(yīng)在理論上較難分析，因此在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析過(guò)程中，需要預(yù)留較大安全系數(shù)。

3.4 振沉、上拔分析

振沉系統(tǒng)重約561 t，鋼圓筒重577 t，總重約1 062 t。鋼圓筒振沉深度較淺，在錘組自重和鋼圓筒自重作用下，輔助激動(dòng)力作用，可輕易振沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高-25.0 m。

上拔過(guò)程中需要克服圓筒和振沉設(shè)備的自重和側(cè)摩阻力，上拔力的分析是起重船能力確定的關(guān)鍵。

根據(jù)人工島鋼圓筒振沉能力分析經(jīng)驗(yàn)[2]，經(jīng)計(jì)算，動(dòng)側(cè)摩阻力約為780 t，自重和動(dòng)側(cè)摩阻力分別取1.2和2.0安全系數(shù)，則要求起重船起吊能力不小于3 000 t。

3.5 結(jié)構(gòu)止水和抗隆起分析

3.5.1 結(jié)構(gòu)止水

鋼圓筒圍堰本身為良好密閉結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)止水取決于插入止水層厚度。根據(jù)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[6]，在13.0 m水頭作用下插入止水性良好的淤泥及淤泥質(zhì)黏土層5.0 m時(shí)，能有效止水，實(shí)際插入約17.0 m，滿足止水要求。

3.5.2 地基抗隆起

鋼圓筒插入至-35.0 m，筒內(nèi)開挖抽水至-13.0 m。地基隆起發(fā)生在軟弱的黏土地基上，是開挖背面的土體重量超過(guò)了開挖底面以下地基承載力的現(xiàn)象，根據(jù)工程地質(zhì)手冊(cè)[7]，可采用以下公式計(jì)算：

式中：x0為對(duì)于地基隆起的最小安全率應(yīng)有的深度，m；Fs為x=x0時(shí)的安全系數(shù)；h為開挖深度，m，取6.5 m；a，b表示內(nèi)聚力的系數(shù)；酌為土的浮容重，kN/m3；q為上部荷載，kN/m3。

經(jīng)計(jì)算x0取3.3 m即可滿足抗隆起要求，實(shí)際約為17.0 m。

經(jīng)以上分析，鋼圓筒圍堰的穩(wěn)定、強(qiáng)度、振沉及上拔、止水和抗隆起均滿足要求，可用于暗埋式橋墩止水圍堰（圖3）。

圖3 鋼圓筒圍堰施工實(shí)景圖Fig.3 Photos of steel cylinder cofferdam during construction

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)工程檢驗(yàn)，整體式鋼圓筒圍堰應(yīng)用于外海、軟基暗埋法橋墩干施工時(shí)，穩(wěn)定性好、止水效果好、循環(huán)周轉(zhuǎn)快捷方便，是一種值得推廣的圍堰結(jié)構(gòu)。

[1]港珠澳大橋橋梁工程土建工程施工圖設(shè)計(jì)[R].北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，2011.Construction design of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge civil engineering project[R].Beijing:CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,2011.

[2]港珠澳大橋主體工程隧道人工島施工圖設(shè)計(jì)說(shuō)明[R].廣州：中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2011.Construction design for artificial island engineering of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge principal project[R].Guangzhou:CCCCFHDI Engineering Co.,Ltd.,2011.

[3] 港珠澳大橋橋梁工程土建工程施工（CB03）—鋼圓筒圍堰工程施工圖設(shè)計(jì)[R].廣州：中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2012.Construction design of steel cylinder cofferdam sub-project for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge civil engineering project(CB03)[R].Guangzhou:CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,2012.

[4]中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.一種大型鋼圓筒圍堰結(jié)構(gòu)：中國(guó)，ZL201310371592.3[P].2015-08-19.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.A large steel cylinder coffer原dam structure:China,ZL201310371592.3[P].2015-08-19.

[5] 王宇，胥新偉，劉思國(guó).鋼圓筒圍堰結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)力分析[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2015，35（9）：47-50.WANG Yu,XU Xin-wei,LIU Si-guo.Finite element analysis on large diameter steel caissons barrages[J].China Harbour Engineer原ing,2015,35(9):47-50.

[6]JGJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].JGJ 120—2012,Technical specification for retaining and protec原tion of building foundation excavations[S].

[7] 常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.CHANG Shi-biao,ZHANG Su-min.Engineering geological manual[M].4th ed.Beijing:China Architecture&Building Press,2007.

Application of new steel cylinder cofferdam in embed pier

XIAO Shi-bao1,LIANG Heng2
（1.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China;2.China Harbour Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100027,China）

Combined the oversea embedded pier construction based on soft ground，through the characteristics analysis of existing cofferdam structures,we introduced a new steel cylinder cofferdam,expounded its features,and introduced the key technologies,such as the design principle,method and structure,etc.It憶s verified by the project that the structure is with well stability,water-stop effect and convenient for recycling,and it is a new cofferdam structure worth promoting.

embed method;unitary cofferdam;steel cylinder cofferdam

U445.556

A

2095-7874（2017）12-0052-05

10.7640/zggwjs201712012

2017-05-24

2017-07-13

肖仕寶（1982— ），男，江西贛州人，高級(jí)工程師，主要從事港口工程設(shè)計(jì)。E-mail：xiaosb@fhdigz.com