浅析大型水上桥梁主墩承台围堰方案

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摘要：大桥结构形式为提篮式箱型拱，主墩承台埋置于河床中，属低桩承台基础，本文重点介绍主墩承台围堰方案施工过程中的重点、难点，为此类工程提供借鉴经验。

关键词： 承台 围堰 封底混凝土

中图分类号：TU473.5文献标志码：A

Abstract： The structure form of basket type box arch, main pier embedded in the riverbed, belong to low pile cap foundation, this paper focuses on Main Pier cofferdam construction process in focus, difficulty, for this kind of engineering to provide reference.

Keywords： Pile cap Cofferdam Sealing concrete

1 工程概况

本桥主拱结构为提篮式钢箱拱，跨度308米，矢高约68.44米，主拱矢跨比为1/4.5，拱轴线采用m=1.25的悬链线，主拱肋按1/5角度内倾。主墩承台为哑铃型结构，厚6m，哑铃两端为半径10.8米的圆台，中间为连接两个圆台的矩形系梁，系梁全长26.76米，高6米、宽9米，系梁采用C45混凝土现场浇注，系梁内设预应力，钢束采用27Фs15.24-1860级低松弛环氧填充钢绞线。具体桥式布置见图（1）。

2水文、地质情况简介

桥位地处河流下游河口地带，河水受潮水影响明显，具半日潮、潮时潮差不等的特点，施工时按最高潮位考虑。

主墩基础位于河床两侧，河床面高程+1.0m左右，承台底面标高为-2.0m，施工最高潮位为+7.5m。河床标高-21.5m以上为覆盖层，主要为人工填筑土及全新统河流相新近沉积物，从上往下分布依次为淤泥粉粘土及粉砾砂等，无明显分层，标高-21.5m以下为基岩，桩基按照摩擦桩设计。

3承台围堰方案比选

由于主墩承台埋置于河床中，承台施工必须采用围堰方案，经过分析比较，主要有两种方案可供选择，即双壁钢套箱围堰与钢板桩围堰。结合主墩承台外形及地质条件限制，最终采用双壁钢套箱与钢板桩围堰相结合的混合型围堰方式。具体来说，承台两端圆形部分采用双壁钢套箱，中间矩形系梁采用钢板桩，钢板桩与钢套箱之间通过锁口结构相连形成整体，见图（2）。

该混合型围堰有如下优点：

第一：结构受力合理，构造既简单又整体性好。承台两端圆形部分采用钢套箱，钢套箱承受河水径向压力，受力明确，封闭性好，施工时整体下放至河床吸泥到位；承台中间矩形系梁部分采用钢板桩，钢板桩内设置两道内支撑，两道内支撑分别设置于承台分次灌注线之上，以便于体系转换。钢板桩通过锁口与事先已经下放就位的钢套箱之间连成整体。

第二：节省钢料，施工快，质量及经济效益好。承台系梁所采用的钢板桩围堰属于可周转材料，租期短，插拔方便，相比于钢套箱成本优势明显，而承台圆形部分如采用钢板桩，则插打困难，围堰整体性与密闭性均不如混合型结构，承台圆形部分与系梁分开施工既缩短了围堰制造加工时间也有利于围堰下放时能及时、快捷的纠偏，确保钢套箱精确就位。

4承台混合型围堰方案设计与施工

承台围堰方案成功与否关键在于两方面。第一方面就是必须确保围堰结构设计的可靠性；第二方面就是围堰方案实施过程中的重点、难点控制。以下就这两方面结合国内某桥的主墩承台围堰施工实例作详细介绍。

4.1围堰设计

按照大桥所在河道水文资料，主墩承台围堰须按最高+7.5m水位进行设计，设计主要考虑两个工况。工况一：围堰内吸泥完成，封底混凝土还未灌注；工况二：封底混凝土灌注完毕，围堰内无水。

当然，除了这两个工况以外，还需要考虑承台系梁分两次施工而进行的钢板桩内支撑结构的体系转换等工况，这些工况比较常规，而且受力明确，在此不作叙述。任何一个工况计算，都需要考虑对应工况的施工时间、围堰内外水位、土压力、水流力、波浪力、钢板桩约束边界条件等因素的动态影响，只有进行充分的前期水文地质资料调查及实事求是地安排施工进度计划，才能使围堰结构设计做到既安全可靠也科学合理，不浪费。

4.1.1工况一：围堰内吸泥完成，灌注封底混凝土之前。

本工况主要是计算承台系梁钢板桩的锚固深度是否满足要求，而承台钢套箱是圆形结构，理论上只受径向压力，可不作入土深度计算，满足施工要求即可。此工况围堰内外的水位是平衡的，故内外水压力可以不予考虑。围堰压力差主要是由于围堰内外被、主动土压力及水流力、波浪力产生的，由于主墩处在河口下游且靠近岸滩，水流流速很小，故水流力与波浪力对围堰的整体稳定影响不大，可忽略不计，此时只要围堰钢板桩的入土深度足够，即可保证围堰整体安全。具体设计入土深度时必须考虑钢板桩截面参数及主墩处各土层特性，根据相关规范要求，钢板桩采用锁口连接时，计算时其截面参数须将参数值乘以0.8的折减系数。主墩河床表面以下20米土层主要由淤泥粉质粘土及粉砾砂构成，为透水性土层，必须进行混凝土封底设计。围堰外河床标高整体按+1.5考虑，由于河沙在围堰处的淤积作用，时间久会形成一些堆积物，出于安全原因围堰外局部堆积物保守按附加堆载2m处理，围堰内河床吸泥完成后按标高-4.5m（封底混凝土厚度为2.5m）考虑。钢板桩围堰计算采用理正基坑软件进行计算。

经计算得知，钢板桩入土锚固深度为8米，按照相关规范要求，实际插打时，钢板桩入土深度控制在理论计算的1.2倍以上，即不少于9.6米。

4.1.2工况二：封底混凝土灌注完毕，围堰内水抽干。

本工况主要是计算围堰钢结构及封底混凝土安全与否，根据水文资料，设计考虑围堰外水位标高+7.5m，而封底混凝土厚度为2.5m，底标高为-4.5m，水头差为12m。考虑到封底混凝土是水下灌注施工并且面积超大，施工时难以控制其顶底面高差的均匀性，故设计取2.0m有效厚度。

1、围堰钢结构计算：钢结构部分主要包括钢板桩及内支撑体系，所有结构采用MIDAS建模，节点处根据计算结果进行细化设计，所建模型经过计算分析后统计如（表一），所有结果均满足相关规范要求，围堰钢结构部分安全可靠。

（表一）围堰钢结构模型计算结果统计表

2、围堰封底混凝土计算：计算主要包括两方面的内容，第一就是封底混凝土的抗浮能力是否满足要求；第二就是封底混凝土自身强度检算。

（1）混凝土抗浮检算：围堰钢料总重640t，总封底面积为A＝957.8m2m，承台桩基共26根，其中圆形部分24根直径为φ2.5m，系梁下两根直径为φ1.6m，另外系梁区另外插打24根φ0.63m钢管桩，围堰内外水头差12m，封底混凝土所受浮力大小为：

钢围堰与封底混凝土自重（取有效厚度2.0m）之和:

封底混凝土与桩基钢护筒之间粘结力（取15t/m2，未考虑与钢板桩间的粘结力）为:

封底混凝土抗浮安全系数为：满足安全要求。

（2）封底混凝土强度检算：在混凝土整体抗浮满足安全要求的情况下，桩基之间的混凝土还必须进行主拉应力计算，C30水下混凝土主拉应力允许值查规范为0.5MPa，一旦超过此值，将很可能导致封底混凝土大面积开裂，失去阻水功能，因此封底混凝土的主拉应力值的控制非常重要。由于封底混凝土是素砼结构，且混凝土属于脆性材料，其抗拉压比值的影响不可忽略，故设计时采用材料力学里面的莫尔强度理论计算。如果将承台24根桩基看作封底混凝土的固定约束，则可偏安全地任取其中两个相邻桩基作为其之间混凝土板梁的固端，桩基之间的距离6.5m即是板梁的跨度L和宽度B，系梁钢管桩因为间距小，不考虑。具体计算如下：

板梁线荷载由水浮力和重力差值产生，不考虑系梁区的钢管桩作用，大小为：

桩基约束处板梁固端弯矩与剪力大小为：

故有：

则封底混凝土的最大主拉应力为：

由以上计算可知围堰结构设计是科学合理的，满足施工全过程的安全要求。

4.2 围堰施工

主墩承台围堰施工包括两步骤，第一步是承台圆形钢套箱就位与系梁部分钢板桩插打；第二步是围堰内吸泥及灌注封底混凝土。施工中的要点、难点详细介绍如下。

4.2.1 承台围堰就位

根据现场实际情况，圆形钢套箱在现场拼装整体下放，钢板桩插打则在钢套箱就位后进行。

1、每个圆形钢套箱围堰分为上下两节，每节又分4块段制造，每块段重约15吨，底节在钻孔平台上拼装，拼完后起吊，拆除钻孔平台然后整体下放，下放吊点共设置4组，当底节围堰下放到其顶口与原平台标高齐平时，再接高第二节围堰，同样的方法下放着床。见图（4）。下放过程中，为保证围堰准确就位，在围堰内壁与钢护筒之间设置4组导向结构，以使围堰下放时不至于过大倾斜。

2、圆形钢套箱就位后，在钢板桩插打处先整体下放两道钢板桩内支撑结构，到设计位置后兼作钢板桩插打导向架。开始插打钢板桩，从与两侧圆形钢套箱连接处开始向中间合拢。连接处设置有事先焊接在钢套箱外壁的锁口，锁口与钢板桩锁口相匹配。插打过程中尽量一次插打成功，避免来回拔出反复插打，防止钢板桩槽口内的止水胶泥在反复插打过程中流失，影响止水效果。

4.2.2围堰内吸泥及封底

围堰内吸泥及封底都是隐蔽工程，完全处在水下进行，看不见摸不着，是整个围堰成功与否最关键的环节，是围堰施工中的重点、难点，必须确保万无一失。按照围堰设计要求，吸泥标高在-4.5m，施工时按±0.2m控制，而河床标高在+1.0m，吸泥方量约5300立方，采用带射水管的高压吸泥泵7台和自制气举法吸泥泵4台进行吸泥施工，同时用两台300立方的抽水泵往围堰内补水以配合吸泥施工。

吸泥工作的关键控制内容有两点，第一点是吸泥完成后河床的平整度，即封底底面标高是否达到设计要求；第二点是桩基钢护筒及钢板桩与封底混凝土的接触面是否清理干净，以保证设计所要求的握裹力。针对第一点，施工时在围堰全范围内安放70个标高测量点，在围堰平面内均匀布置，另外为确保钢护筒及钢板桩与混凝土接触的有效高度，在每根钢护筒周围单独均匀布置8个测量点，钢板桩则是每根都测量，另外再由潜水工对整个围堰内的河床面摸排一遍，以确定是否有局部突起，然后人工射水清除。针对第二点，须派潜水工进行人工刷洗，人工刷洗可以采用高压射水或者直接用钢丝刷刷洗两种办法。清洗完毕后再由潜水工进行详细检查，确保清洗干净。

吸泥完成后进行围堰封底混凝土的施工，围堰封底分三部分进行，即承台两个圆形部分和中间系梁部分，封底后再将钢板桩之间的双壁钢套箱部分割除，形成一个混合型整体围堰，进行承台钢筋绑扎等工作。由于每部分围堰面积大且围堰内无隔舱，每个钢套箱封底混凝土约为800多方，所以封底混凝土导管的布置及首批灌注方量、导管灌注顺序均很重要，另外封底混凝土的顶面标高控制也是关键，标高低了，达不到封底有效高度，标高高了，以后承台施工时必须凿除，增加工作量。针对以上这些情况，在围堰范围内采取梅花形布置灌注导管，待前面一个导管周围灌注到设计要求标高以后，即进行下一个导管的灌注。

导管拔球前，还需要做好两个工作，第一就是首批混凝土方量的计算，与桩基不同的是，围堰内导管混凝土首批拔球方量因为无隔舱的原因，混凝土在水中的摊铺范围要比桩基大的多，另外考虑到封底混凝土的实际坍落度（20～22）、初凝时间（13小时）、以及骨料（双级配）、外加剂等因素的影响，混凝土的和易性和流动性比以往大大提高，参考其它类似工程资料，计算时混凝土摊铺坡度保守按1：10计算，得出首批拔球方量为9方。封底完成后，经过对混凝土灌注数据的统计分析，混凝土实际摊铺度为1：9，与事先预计情况基本相符。灌注混凝土前还需要做的一项工作是，必须确保第一批拔球导管底口下方没有淤泥，以免首批混凝土下落的冲击力将淤泥翻起，形成夹层，最好是采取在导管口下方摊铺一定厚度的砂石料或者细密钢筋网等措施，确保封底混凝土质量。

围堰封底混凝土顶面标高的控制也是施工的重点，为保证封底有效高度及施工测量方便，封底混凝土测量点与吸泥测量点数量布置一样，并且每个测量点均配置一根测量绳，不允许倒用，测量锤比重设计为3.0左右，扣除水的浮力比混凝土比重稍小，以便快速精确地测量封底混凝土顶面标高，减小人为误差，误差控制在-30厘米以内。测量结果每两小时汇总一次，形成标高平面图，根据平面图所示将围堰内不到设计标高的地方另外增加灌注点，所有灌注点的标高均是混凝土顶面的最高点，控制好了灌注点的标高，就能确保封底混凝土顶面不会超过设计要求。

5结语

（1）水中低桩承台围堰方案有多重形式，不拘一格，是否合理必须结合具体工程情况，充分论证，做到既安全方便又节约增效。

（2）大面积灌注水下封底混凝土，无论是灌注方案本身还是现场工、料、机的组织都须仔细考虑，尤其是混凝土的一些特性，与以前相比有很多有利的改善，一些经验公式或许不适用，现场应该根据实际情况作修改。另外，方案施工过程中任何可能出现的意外均应做好相关预案，一旦发生即有应对措施，这也是围堰方案成功实施必不可少的环节。

参考文献：

[1]大桥设计图纸.

[2]杨文渊，徐. 桥梁施工工程师手册[M]. 人民交通出版社，1995.

[3]《钢结构设计规范》GB 50017━2003

[4]《混凝土结构设计规范》GB 50010━2002

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。