深水入岩承台无封底双壁钢围堰施工技术研究_李建明.pdf

建筑施工第44卷第12期2967深水入岩承台无封底双壁钢围堰施工技术研究李建明 许哲辉 庄 壹广州市市政工程机械施工有限公司 广东 广州 510060摘要：基于石门县梯云大桥8#主塔承台水文及地质情况，设计出一套深水入岩的无封底双壁钢围堰，通过Midas Civil软件模拟了施工过程中双壁钢围堰的受力情况，验证了双壁钢围堰的稳定性。总结出一套深水入岩的无封底双壁钢围堰施工技术，解决了低桩埋置式承台无法水下混凝土封底或水下混凝土封底困难的问题，为类似承台施工提供了参考。关键词：无封底双壁钢围堰；入岩承台；有限元分析；围堰拼装下放中图分类号：U443.16+2 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2022)12-2967-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2022.12.045Research on Construction Technology of Double Wall Steel Cofferdam Without Bottom Sealing for Deep-water Entering-rock CapLI Jianming XU Zhehui ZHUANG YiGuangzhou Municipal Construction Engineering Machinery Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong,510060,ChinaAbstract:Based on the hydrological and geological conditions of the cushion cap of the 8#main tower of Tiyun Bridge in Shimen County,a set of double wall steel cofferdam without bottom sealing is designed for deep-water entering-rock.The stress of the double wall steel cofferdam during construction is simulated by Midas Civil software,and the stability of the double wall steel cofferdam is verified.A set of construction technology of double wall steel cofferdam without bottom sealing for deep-water entering-rock is summarized,which solves the problem that low pile embedded caps cannot be sealed by underwater concrete or the underwater concrete is difficult to seal,and provides a reference for similar cap construction.Keywords:double wall steel cofferdam without bottom sealing;entering-rock cap;finite element analysis;cofferdam assembly and lowering况下的受力特征进行分析，提出一种入岩无封底双壁钢围堰施工技术。1 双壁钢围堰结构设计及有限元分析1.1 双壁钢围堰构造8#主塔承台双壁钢围堰尺寸设计为37.90 m（长）17.70 m（宽），壁厚1.50 m，如图1所示。37 90017 700图1 双壁钢围堰结构平面示意围堰垂直方向共分为3节，第1节（含刃脚1.50 m）高度为7.10 m，第2节高度为5.60 m，第3节高度为5.60 m，总高度为18.30 m。双壁钢围堰壁体内、外壁板采用厚10 mm钢板，隔舱腹板采用厚12 mm钢板，水平环板采用厚20 mm钢板，竖向加劲肋采用75 mm50 mm8 mm角钢，壁内水平斜撑采随着我国经济的发展和施工技术水平的提高，桥梁工程建设项目逐渐增长，而桥梁承台基础常需在海洋、深水河流中进行施工，具有施工难度大、受力情况复杂等特点1-3。而双壁钢围堰具有强度大、刚度大、抗渗性能强等优点，能解决水下桥梁承台基础施工困难的问题4-5。双壁钢围堰技术在施工过程中，受力情况复杂，不同工况条件下具有不同的受力特征，且水下混凝土封底由于一次性浇筑量大、水下工况复杂、受控因素多等，施工技术要求高6-7。目前，国内外研究主要集中在有混凝土封底的双壁钢围堰施工技术、施工参数及围堰设计等方 向8-10，对深水入岩承台无封底双壁钢围堰施工过程受力情况及施工工艺研究较少。针对上述双壁钢围堰在施工过程中遇到的问题以及本技术研究现状，依托石门县梯云大桥项目，采用理论计算及有限元分析相结合的方法11-12，对双壁钢围堰在不同工作者简介：李建明（1971），男，本科，高级工程师。通信地址：广东省广州市越秀区环市东路334号市政中环大厦21楼（510060）。电子邮箱：收稿日期：2022-09-13市政工程MUNICIPAL ENGINEERING202212Building Construction2968用125 mm12 mm双拼角钢，围檩采用3拼45b#工字钢，内撑采用630 mm10 mm圆钢管，如图2所示。17 72018 310河床河床沟槽内填充混凝土第2层混凝土第1层混凝土图2 双壁钢围堰结构剖面示意1.2 双壁钢围堰荷载计算1）静水压强计算。8#双壁钢围堰总高度18.30 m；施工水位标高为53.89 m；围堰顶标高为54.35 m；开槽河床面标高为41.92 m，计算水深为11.97 m，静水压力为119.70 kN/m2。2）流水压强计算。经计算，钢围堰阻水面积A354.65 m2；流水压力标准值Fw3 104.88 kN；流水压强P8.75 kN/m2。1.3 双壁钢围堰有限元模型利用Midas Civil建立模型，该模型共用了9 644个节点、17 144个梁单元、8 880个板单元、2 880个实体单元。采用实体单元来模拟双壁间填充混凝土，采用板单元来模拟钢面板及隔舱板，采用梁单元来模拟其余杆件，围堰刃脚部位埋入土体，由混凝土填满槽使刃脚与土体形成固结，刃脚部位边界条件设为刚结。双壁钢围堰有限元分析模型如图3所示。图3 双壁钢围堰有限元分析模型钢围堰下沉到位后，根据围堰的内撑安装步骤，将承台的施工过程分为4个阶段，各阶段对应工况如下。1）工况1：钢围堰内抽水至水位标高50.952 m，准备安装第1道横撑。2）工况2：钢围堰内抽水至水位标高47.052 m，准备安装第2道横撑。3）工况3：钢围堰内抽水至水位标高43.652 m，准备安装第3道横撑。4）工况4：钢围堰内水完全抽干。对4个工况施工过程的不利状态进行受力情况分析，由于工况4的流水压力最大，且为后续工序中的主要受力状态，本文以工况4的分析情况为例进行说明。在工况4组合荷载情况下，双壁钢围堰变形值为5.36 mm，满足变形量要求。其中，面板单元最大应力为54.78 MPa，竖向角钢加劲肋最大应力为112.56 MPa，壁内水平斜撑最大压应力为126.44 MPa，围檩最大压应力为78.11 MPa，内撑最大压应力为66.11 MPa，双壁内填充混凝土最大应力为3.02 MPa，均满足设计要求。其余各工况受力情况如表1所示。表1 不同工况双壁钢围堰构件应力值单位：MPa构件工况1工况2工况3工况4拉应力 压应力 拉应力 压应力 拉应力 压应力 拉应力 压应力面板150.9121.867.854.8竖向角钢加劲肋157177122151140138113105壁内水平斜撑110122103159104132100126围檩691538611646923578内撑-827466双壁内混凝土10.86.23.73.01.4 双壁钢围堰稳定性分析1）抗浮稳定性验算。当完成围堰内抽水施工后，双壁钢围堰将承受来自围堰内外水头差产生的上浮力，此时主要依靠双壁钢围堰自重、沟槽与混凝土的质量及舱内注水质量的摩阻力来抵抗上浮。经计算，水的浮力标准值F180 298.35 kN；钢围堰自重G18 499 kN；双壁内混凝土自重G224 048.72 kN；沟槽浇筑混凝土质量G36 071.52 kN；舱内注水质量G417 673.6 kN。中风化泥质粉砂岩的摩阻力标准值按岩土勘察报告，取值为140 kPa，沟槽混凝土与土体的接触面积A511.52 m2；沟槽混凝土与土体的最大摩阻力F271 612.8 kN。围堰所受向上的浮力F1减去围堰整体重力后剩余24 005.3 kN，小于沟槽混凝土与土体最大摩阻力F2，因此抗浮稳定性满足要求。2）内撑和壁内水平斜撑稳定性验算。压杆稳定性验算，压杆取两端固结，根据有限元分析结果可知，内撑最大压应力为81.6 MPa，壁内水平斜撑最大压应力为158.5 MPa。经验算，内撑稳定性为0.3971，壁内水平斜撑稳定性为0.7551。因此，钢围堰内撑和壁内水平斜撑的稳定性均满足要求。李建明、许哲辉、庄壹:深水入岩承台无封底双壁钢围堰施工技术研究建筑施工第44卷第12期29692 深水入岩承台无封底双壁钢围堰施工工艺深水入岩承台无封底双壁钢围堰施工工艺主要包括：旋挖成槽、围堰拼装、围堰下放及封闭沟槽、抽水等。2.1 旋挖成槽根据地勘情况可知，梯云大桥8#塔承台河床地质情况从上往下主要为卵石层（41.9243.02 m，厚度1.10 m）、强风化泥质粉砂岩层（38.7241.92 m，厚度3.20 m）及中风化泥质粉砂岩（17.1238.72 m，厚度21.60 m），水深达15 m。承台埋置范围内岩层属于卵石层强风化泥质粉砂岩中风化泥质粉砂岩层，在钢栈桥和钢平台施工完毕后，先下钢护筒施工钻孔灌注桩，待全部桩基施工完后，再拆除桩基施工钢平台，使用旋挖钻机无护筒开钻，清理出钢围堰刃角基础空间，下放钢围堰。采用旋挖钻机配直径为2.20 m的钻头，成槽后采用空压机和吸泥器清除沉渣。在开槽施工中，根据不同地质情况，旋挖机采用3种不同钻头配合使用，分别为双层筒钻、双底双门截齿旋挖斗和截齿筒钻。1）清除卵石层。在清除卵石层时，因卵石层质地坚硬、岩层密实且粒径较大（200500 mm粒径居多），故先使用适用于卵石层的双层筒钻，将大小不一的卵石在筒内挤密后带出孔外，释放岩层围压，使卵石层松动并初步成孔。随后，换用双底双门截齿旋挖斗钻进，将卵石挖出成孔。因施工过程中水流流速大，易导致卵石塌落，现场使用空压机接通气管，将高压空气泵送至孔口，使孔口范围内易塌落的卵石提前塌落入孔，随后采用旋挖机配合旋挖斗对塌落的卵石进行二次清除，防止成槽后卵石塌落入槽影响施工质量。2）泥质粉砂岩层开槽。在泥质粉砂岩层内开槽时，先使用旋挖机搭配双底双门截齿旋挖斗钻进，后使用截齿筒钻修孔，防止钻杆打滑。3）槽底沉渣清理。使用旋挖机在泥质粉砂岩中钻进，易造成槽底沉渣堆积，若不清除沉渣，将导致沟槽混凝土浇筑质量不佳，进而影响围堰基底止水效果。为防止上述情况出现，开槽完成后，使用空压机配合吸泥器，将空压机的气管与吸泥器的泵口组合形成抽渣装置，由空压机泵送空气进入水中，扰动沉渣，使渣土与河水混合为泥浆，同时在吸泥器泵口处形成负压，吸出泥浆排出沟槽。2.2 围堰拼装完成桩基础施工后，拆除桩基础临时施工平台，采用30 cm钢管将原有预留钢护筒平联焊接形成整体，并将8个钢护筒焊接接长作为吊点钢护筒。钢围堰拼装平台采用双拼45b#工字钢，由横梁、下斜撑、刃脚底托和限位块组成（图4），在外围钢护筒上焊接45b#工字钢，形成钢围堰施工平台，横梁一端连接在外围钢护筒上，另一端连接在钢栈桥上，下斜撑一端焊接于横梁下方，另一端焊接于钢护筒上，与钢护筒面呈45夹角