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深中通道东泄洪区非通航孔桥围堰设计与施工
摘要：深中通道东泄洪区非通航孔桥为２４孔１１０ｍ钢箱连续梁桥，下部结构采用整体式桥墩，承台平面尺寸为１６．５ｍ×１０．５ｍ，高４．５ｍ，采用围堰施工。经比选，围堰采用拼装式帽型Ｈ型组合钢板桩结构，平面尺寸为１９．６ｍ×１３．７ｍ，由７４根帽型钢板桩通过翼缘板端部锁扣的帽型Ｈ型组合钢板桩（Ｈ型钢焊接在帽型钢板桩的背部）并排构成，桩平均长度为３７ｍ，相互咬合形成闭合矩形；围堰内部设置多道围檩及内支撑。围堰施工时先精确定位组合钢板桩，再逐根施沉钢板桩；然后按顺序合围后形成钢围堰；采用高压机、空气吸泥机等设备进行水下基坑开挖；抽水至承台底面、封底顶面清淤后进行承台施工，最后依次拆除处于墩身投影面内的内支撑，在低水位时由下而上拆除各层围檩及斜撑，振松拔出钢板桩。围堰施工期受力验算及监测结果表明围堰结构安全可靠。
关键词：深中通道；跨海桥梁；深水承台；钢围堰；帽型钢板桩；型钢；设计；施工技术
深中通道东泄洪区非通航孔桥处于西人工岛和伶仃洋大桥之间，是一座２４孔１１０ｍ钢箱连续梁桥。大桥上部结构采用分幅式船型断面钢箱梁，梁宽２０ｍ，高４ｍ；下部结构采用整幅式大挑臂墩，盖梁悬臂长１１ｍ，根部高５ｍ；墩身横向采用１∶２８的收分式构造，墩顶宽8m，厚4m；承台的平面尺寸为１６．５ｍ×１０．５ｍ，高４．５ｍ，下方设置６根２５０ｃｍ的钻孔灌注桩。
①东泄洪区的水深较大，最深达１３ｍ。受防洪纳潮建设条件的制约，承台要求埋入海床，基底最大开挖深度达２０ｍ。
②桥位处于台风影响区，正面袭击的热带气旋年平均数量多达23个，中心风速最大达４０ｍ/ｓ影响时间每年可达５个月（６～１０月）。
③受珠江口半日潮影响，桥址处平均潮差为１．４７ｍ，最大潮差为３．２２ｍ。
④桥址处软土分布范围广、厚度大，淤泥层普遍厚度达２０ｍ，稳定性极差。施工场地远离陆地，水上施工组织难度较大。
⑤由于夹在伶仃航道和矾石航道２条主航道之间，穿越桥轴线的各类船舶众多，对施工有一定影响。
⑥该桥处于中华白海豚的洄游区，环保要求高。
２．１围堰形式比选
根据大桥建设条件，围堰主要考虑双壁钢围堰、拆装式双壁钢围堰、锁扣钢管桩围堰、“Ｕ”型钢板桩围堰、帽型Ｈ型组合钢板桩围堰５种形式（见表1）。
双壁钢围堰是整体式结构，单体重量在６００ｔ以上，须开挖临时航道浮运至桥址，疏浚费用较高；由于围堰下沉时不可预见的因素较多，因此施工较为困难；且承台浇筑完成后很难拔出、废弃工程量大、围堰存留形成的永久阻水结构也不满足水利部门要求。拆装式双壁钢围堰是将壁体分成少量的块体，考虑浮运吊装能力每块吊重控制在５０ｔ以内，块体单元在平台上组拼成节段，在桩基护筒顶设置吊挂系统将围堰下放至设计位置；由于双壁围堰较重，插入泥面以下部分与封底混凝土连成一体难以拔出。
锁扣钢管桩围堰、“Ｕ”型钢板桩围堰、帽型Ｈ型组合钢板桩围堰均为拼装式围堰结构，通过锁扣将钢管桩或钢板桩等连接成整体，该方案的重点是要确保锁扣在围堰成型后能有效止水。锁扣钢管桩和“U”型钢板桩自身刚度较大，在施沉过程中位置Ｕ稍有偏差很容易拉裂锁扣，止水性能较差，施工风险较高。帽型钢板桩由于将锁扣置于较柔的翼缘位置，锁扣的适应变形能力大大加强，在施沉时能得到保护。考虑到桥位水深较大，需要增强桩体抗弯刚度，因此在桩身的背部加设了H型钢。由上述分析可知：相比其它结构形式，帽型Ｈ型组合钢板桩围堰较为轻盈，在各方面均具有优势，且可提高围堰壁板抗弯和止水能力，因此采用该类型围堰作为大桥承台围堰结构。
2.2 围堰结构设计
围堰选用由钢板桩、加劲型钢、围檩和内支撑（含水平撑、斜撑和角撑）等组合拼装的帽型Ｈ型组合钢板桩结构（见图１）。围堰平面尺寸为１９．６ｍ×１３．７ｍ（横×纵），由７４根帽型Ｈ型组合钢板桩并排构成。帽型钢板桩为ＮＳ－ＳＰ－４５型，桩平均长度为３７ｍ，以抵御半日潮的影响，满足围堰顶高于设计高水位+3m的设计要求。加劲型钢为H型钢，焊接在帽型钢板桩的背部，采用ＨＮ８００ｍｍ×３００ｍｍ，材质为Ｑ３４５钢。为方便施沉，帽型钢板桩的顶底端各１ｍ范围不设Ｈ型钢加劲。帽型钢板桩通过翼缘板端部锁扣相互咬合形成闭合围堰，以实现围堰内部防水。承台顶面标高以上的围堰内部围檩采用２ＨＮ８００ｍｍ×３００ｍｍ型钢，斜撑采用２ＨＭ７００ｍｍ×３００ｍｍ型钢，四角设置２ＨＭ５８８mn或２ＨＮ８００ｍｍ角撑，以适应施工阶段抽水及基坑开挖后围堰外部较高的水土压力，提高围堰的整体刚度。底层水平撑采用８００ｍｍ×１４ｍｍ钢管，其余采用８００ｍｍ×１０ｍｍ钢管；围檩和内支撑材质均为Q355钢。内支撑由于与墩身的位置重叠，因此在浇筑墩身前要将其转换成斜撑受力，在斜撑安装完毕后将对应位置内支撑拆除。单层围檩在面内共分8段，为方便围檩安拆周转使用，接头采用栓接，四角小斜撑和围檩提前焊接成整体；其余内支撑在围檩上提前做好接头，方便后续栓接。
根据结构布置及施工工序，采用ANSYS有限元软件建立围堰模型（见图2）。钢板桩、围檩、支撑采用梁单元模拟。钢板桩底部设置竖向约束，被动土压力采用只受压土弹簧模拟,围檩与钢板桩之间采用只受压弹簧模拟,支撑与围檩间共节点处理,在牛腿处约束竖向位移模拟其对围檩的支撑作用。结合建设条件,考虑内外水土压力、水流力、波浪力等荷载作用,分析围堰施工过程中6种控制工况:
①抽水至承台底。
②内支撑体系转换。
③拆除底层围檩及内支撑。
④拆除第4层围檩及内支撑。
⑤拆除第3层围檩及内支撑。
⑥拆除第2层围檩及内支撑。
基本组合计算结果用来评价强度指标,标准组合计算结果用来评价刚度指标。由计算结果可知:在.上述6种控制工况下，钢板桩应力σmax=205MPa、围檩应力σ’max=248 MPa、内支撑应力σ’’max=195MPa,均小于规范要求的Q355钢抗拉强度设计值fd=295 MPa;钢板桩最大变形ζmax=36 mm <规范允许值96 mm,围堰的应力和变形均满足规范要求。
为保证围堰的稳定性及抗浮能力,须保证基坑带水开挖至基底时钢板桩嵌固稳定性、基底抗隆起稳定性及围堰封底后抽完水时抗浮性能。经计算可知:在最不利情况下，钢板桩的嵌固稳定系数k=1.3>kem=1.2(嵌固稳定安全系数);基底抗隆起稳定性系数Fs=2.56>khe=1.6(抗隆起安全系数);抗浮系a=1.25>kw=1.05(抗浮安全系数),说明围堰的稳定性及抗浮性能均满足规范要求。
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围堰施工中设置导向架和限位装置,精确定位组合钢板桩;及时调整激振力的大小、钢板桩的下沉速度及垂直度,逐根施沉钢板桩,并防止锁扣被拉坏;按顺序合围后形成钢围堰;再开挖基坑并浇筑封底混凝土,待形成强度后抽水至承台底面;封底顶面清淤后进行承台施工,当承台形成强度后依次拆除处于墩身投影面内的内支撑,换成围堰角点位置的斜撑,让出位置浇筑墩身至出水,围堰内依次对应灌水至各层围檩的底面;拆除各层围檩及斜撑,最后拔出钢板桩。
４．１施工准备
拆除钻孔平台，在围堰预设位置外侧打设６根８００ｍｍ×１２ｍｍ的钢管桩，其上焊接牛腿并固定２层ＨＮ８００ｍｍ×３００ｍｍ型钢作为钢板桩下放的外侧导向和限位装置，再将钢管桩与临近的支栈桥连接。在钢护筒上安装围檩下放定位导向架（兼作围檩拼装平台，采用２ＨＮ５００ｍｍ×２００ｍｍ型钢），通过牛腿与钢护筒相连，牛腿采用２ＨＮ５００ｍｍ×２００ｍｍ型钢。围檩在平台上拼装完成后，通过履带吊抬吊下放至导向架下牛腿上，相邻２层围檩之间通过ＨＷ３００ｍｍ×３００ｍｍ型钢相连。
４．２施沉钢板桩
完成外侧限位装置及围檩的施工后，开始施沉钢板桩。起始桩选择在上游侧一角桩处，依次向两侧施打，最后在下游侧居中位置合龙。上游侧钢板桩选择在退潮时段施打，下游侧在涨潮时段施打，东西侧选择在低平潮及流速较小时施打。钢板桩采用１３５ｔ履带吊和ＤＺＪ１２０振动锤逐根施沉，坚持“插桩正直，分散纠偏，有偏即纠，调整合龙”原则，终孔以标高控制为主。围堰施沉如图３所示。
图3 围堰施沉
4.3 水下基坑开挖
水下基坑开挖采用空压机、高压水泵、水枪配合抓斗和空气吸泥机等设备吸泥至设计标高。表面淤泥土层直接采用空气吸泥机抽出围堰外。中间土层部分土体采用高压水枪与空气吸泥机吸泥效果不好，后更改为采用抓斗配合施工，同时采用高压水枪不断冲洗钢护筒壁、钢板桩内壁残留泥土及部分抓斗无法施工的区域，使土体能被泥浆泵顺利抽出。水下开挖过程中需持续测量开挖深度，水下开挖距围堰底设计标高约０．５ｍ时，安排潜水工对整个围堰底进行一次摸底检查，确保整个围堰内泥面标高基本一致，再进行最后０．５ｍ开挖作业。围堰内开挖至设计标高后，再次确认围堰底标高与设计无误，以进行下一步施工。由于钻孔桩及钢板桩围堰施工时间较长，在围堰内壁和钢护筒外壁上会存有水锈或其余杂物，为保证封底混凝土质量以及其与钢护筒之间的粘结力，由潜水员下水进行清理。
４．４围堰内抽水、灌水及拆除
抽水至每层围檩底缘时检查钢板桩与围檩的密贴情况，脱空位置用垫块顶紧，确保围檩能与钢板桩一起整体受力。承台施工完成并达到设计强度后，采用辅助措施顶紧承台和围堰侧壁，拆除承台顶面首层中间钢管撑，安装围堰四角的钢管斜撑，进行墩身施工；待墩身施工至合适位置后进行围堰拆除，拆除时先进行围堰内灌水，在低水位时由下而上拆除围檩及斜撑，最后振松拔出钢板桩。
施工现场航拍
５．１监测内容及元件布置
为确保围堰施工安全，需对重点关键部位及周围环境进行监测。深水区围堰施工过程监测的主要内容包括：钢板桩斜腹板、型钢外翼缘板的应力；Ｈ围檩、支撑结构的应力；围堰顶部的水平位移；海床冲刷。帽型钢板桩和Ｈ型钢的应变计在钢结构接长焊接时安装，围檩和内支撑的应变计应在现场钢结构拼装下放前安装，水平位移测点在钢板桩施沉结束后设置。钢板桩主要对其斜腹板进行应力监测，在受力较大位置（对应围堰第４、层围檩标高５处），四边中央钢板桩斜腹板外侧敷设表面应变计实施监测。Ｈ型钢、围檩和内支撑的监测位置与钢板桩基本相同，其中Ｈ型钢的表面应变计设置在外翼缘板上；围檩的表面应变计设置在中间处靠基坑内侧的Ｈ型钢翼缘板上；内支撑的表面应变计设置在钢管（或Ｈ型钢）中央，监测元件布置如图４所示。通过在围堰附近海床上设置２台波浪流速仪来实时监测波浪、流速情况。海床冲刷主要通过多波速扫测仪定期扫测海床面地形来监测。
５．２监测结果
以大桥１７号墩承台围堰为例，在封底混凝土初凝并完成抽水形成干施工环境后，第２、层围檩和３四面跨中位置的帽型钢板桩应力监测结果如表２所示。由表２可知：各不利位置的实测值（最大值）小于理论计算值，围堰结构安全。
考虑到东泄洪区非通航孔桥建设条件，经围堰形式比选，该桥主体部分１１０ｍ桥跨钢箱连续梁桥整幅式桥墩的深水承台采用了帽型Ｈ型组合钢板桩围堰方案，通过设置导向限位装置及围檩、施沉组合钢板桩、基坑开挖、浇筑封底混凝土、围堰内抽水等工序形成承台及墩身施工的干作业环境，通过逐级回水拆除内支撑、围檩及组合钢板桩。该结构能较好地抵抗高水土压力，构件较为轻盈，施工便捷、建材可回收，费用较低且对环境影响较小，结构验算及监测结果表明围堰结构安全可靠，围堰设计及施工可为同类桥梁提供参考。