【正文】 土施工工藝 36 圍堰封底 36 封底后抽水 37 第 4 章 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ——有限元分析方法 38 有限元分析方法簡(jiǎn)介 38 圍堰有限元模型 39 單元類(lèi)型 39 約束類(lèi)型 42 荷載施加 42 計(jì)算結(jié)果 44 面板 44 應(yīng)力 44 變形 45 豎肋 46 應(yīng)力 46 變形 47 水平環(huán)板 48 水平桁架 49 內(nèi)支撐 49 結(jié)果比較與 分析 50 第 5 章 結(jié)論 51 參考文獻(xiàn) 52 致謝 53 附錄 54 第 1 章 緒論 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 橋梁深水基礎(chǔ)的修建，關(guān)鍵是如何克服深水的影響。因?yàn)樯钏h(huán)境不僅對(duì)它產(chǎn)生許多直接影響，還對(duì)其設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)都會(huì)提出一些特殊問(wèn)題。從近代的沉井、沉箱技術(shù)措施，到現(xiàn)代的樁基礎(chǔ)、管柱基礎(chǔ)、鋼板樁圍堰技術(shù)的應(yīng)用，再到當(dāng)代的雙承臺(tái)鋼管樁基礎(chǔ)，甚至設(shè)置基礎(chǔ)等，核心問(wèn)題都是如何去克服因深水而帶來(lái)的一系列問(wèn)題。然而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，解決深水施工的技術(shù)措施亦得到迅速地提高和發(fā)展。 橋梁基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工技術(shù) 就是深水施工中的一種新技術(shù)。雙壁鋼圍堰是一個(gè)帶有單斜面刃腳的圓形雙壁全焊水密鋼結(jié)構(gòu)圓筒，有自浮力，有強(qiáng)度更高的雙壁鋼殼，圓筒的內(nèi)、外壁形成的空間稱(chēng)之鋼殼。內(nèi)、外壁由鋼板圍焊而成，圓筒上、下均不設(shè)底板或蓋板，鋼殼下口以環(huán)形單斜面刃腳封閉，鋼殼上口敞開(kāi)，以方便施工時(shí)往鋼殼內(nèi)灌注混凝土或注水。雙壁鋼圍堰同其它基礎(chǔ)施工方法和工藝相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，也是橋梁基礎(chǔ)施工的一個(gè)重大突破。雙壁鋼圍堰施工的優(yōu)勢(shì)是深水、巖石河床，并且河床覆蓋層薄，這樣。圍堰易趨于穩(wěn)定，輔助措施少、費(fèi)用低。 雙壁鋼圍堰施工技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)： (1)有強(qiáng)度更高的雙壁鋼殼，可受更大的圍堰內(nèi)外水位差； (2)施工時(shí)，在圍堰混凝土封底以前的工序簡(jiǎn)單；抽水及渡洪均不受施工水位限制，任何季節(jié)都能施工； (3)雙壁鋼圍堰施工基本上不受墩位處水深的限制，若配合使用空氣幕下沉工藝，還可將圍堰下沉到更深的覆蓋層內(nèi)。即雙壁鋼圍堰能在深水、厚覆蓋層的條件下采用； (4)雙壁鋼圈堰完全下沉就位后，不僅可作為鉆孔樁基礎(chǔ)的施工輔助設(shè)施，也可作為大面積承載的直接基礎(chǔ)； (5)在同一座橋上，在不同地質(zhì)條件情況下，也可以用相同的施工方法修建深水基礎(chǔ)。這不僅有利干設(shè)備的利用，還能重復(fù)使 用雙壁鋼圍堰的上部，可充分發(fā)揮材料的利用率，降低成本，也便于施工管理。這也是為什么雙壁鋼圍堰技術(shù)這些年來(lái)運(yùn)用越來(lái)越多的主要原因。 在國(guó)內(nèi)，雙壁鋼圍堰的施工方法，仍以浮運(yùn)施工和纜索吊機(jī)吊運(yùn)施工最為常見(jiàn)，尤其是浮運(yùn)法施工。山長(zhǎng)江大橋已使用異型雙壁鋼圍堰和矩形雙壁鋼圍堰。湖北省軍山長(zhǎng)江公路大橋主橋?yàn)?48m+204m+460m+204m+48m 的五跨連續(xù)雙塔雙索面半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋。由于橋面很寬，對(duì)于索塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案，若按常規(guī)設(shè)計(jì)，鋼圍堰的直徑將達(dá)到 44m。為了減小鋼圍堰的規(guī)模，方便施工，節(jié)省造價(jià)，同時(shí)又能保 證索塔造型的美觀(guān)，設(shè)計(jì)首次創(chuàng)造性地提出了異形鋼圍堰結(jié)構(gòu) ,即在圓形鋼圍堰上焊接兩個(gè)簸箕形構(gòu)造，如圖 11 所示。 該結(jié)構(gòu)在承臺(tái)施工高水位差 (圍堰內(nèi)外設(shè)計(jì)水位差為 22m)的情況下為圓形結(jié)構(gòu)受力，這樣就充分發(fā)揮了圓形鋼圍堰結(jié)構(gòu)受力條件好的特點(diǎn)。同時(shí)，雙壁鋼圍堰的使用方法有了新的變化，已不局限于先將雙壁鋼圍堰下沉就位封底混凝土，接著施工鉆孔樁，最后再抽水施工樁基承臺(tái)這一傳統(tǒng)施工工藝了。現(xiàn)在有些做法已改成先施工鉆孔樁，用鉆孔樁的鋼護(hù)筒，作為雙壁鋼圍堰定位下沉的導(dǎo)向、支撐裝置，最后再做混凝土封底、抽水施工樁基承臺(tái)，杭州下 沙大橋即是如此。 同時(shí)，雙壁鋼圍堰的使用方法有了新的變化，已不局限于先將雙壁鋼圍堰下沉就位封底混凝土，接著施工鉆孔樁，最后再抽水施工樁基承臺(tái)這一傳統(tǒng)施工工藝了。 圖 11 異形鋼圍堰結(jié)構(gòu)平面圖 (單位： mm) 該橋的鋼圍堰平面尺寸為 ，壁厚 (鋼殼厚 )。雙壁鋼圍堰外型尺寸見(jiàn)圖 12。雙壁鋼圍堰同其它基礎(chǔ)施工方法和工藝相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，也是橋梁基礎(chǔ)施工的一個(gè)重大突破。雙壁鋼圍堰施工的優(yōu)勢(shì)是深水、巖石河床，并且河床覆蓋層薄，這樣。圍堰易趨于穩(wěn)定，輔助措施少、費(fèi)用低。 蚌埠市朝陽(yáng)淮河 公路大橋利用高壓旋噴樁豎直帷幕止水技術(shù)加固地基，減少大型雙壁鋼圍堰人土深度進(jìn)行水中承臺(tái)施工的技術(shù)則是另一成功的范例。高壓旋噴樁結(jié)合鋼圍堰施工承臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，一是施工簡(jiǎn)便，止水效果好、加固地基穩(wěn)定，一次成形，未出現(xiàn)涌砂、穿底、漏水等意外問(wèn)題，避免了為解決圍堰下沉困難而采取的其它措施。 圖 12 雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)平面圖 (單位： mm) 并且樁體、圍堰有效堵水后，省去了水下混凝土封底。排水后干處挖土，工效高、速度快，井壁不用支撐。同時(shí)。施工對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染、無(wú)噪音。二是進(jìn)度快，多工序平行作業(yè)。有效縮短施工工期。該橋 原方案鋼圍堰需下沉人土 6m，圍堰下沉占用工期時(shí)間 90d，再水中混凝土封底、鉆孔樁施工，接著干法施工承臺(tái)。而旋噴樁方案圍堰僅下沉人土 ，旋噴樁施工同主墩樁基施工同步，縮短工期 60d。三是成本低，效益明顯。旋噴樁方案減少一節(jié) (人土 )及水下混凝土封底的費(fèi)用，可節(jié)約成本 70萬(wàn)元，高壓旋噴成本 30萬(wàn)元，兩項(xiàng)相抵，還節(jié)省 40 萬(wàn)元。此外，還可節(jié)約了原鋼圍堰下沉過(guò)程中處理涌砂、漏水等問(wèn)題產(chǎn)生的費(fèi)用。因此，只要我們因地制宜，廣開(kāi)思路，雙壁鋼圍堰再結(jié)合其它的地基基礎(chǔ)處理方法會(huì)有新的收獲。 蕪湖長(zhǎng)江大橋 為公鐵兩用橋，其主橋?yàn)?180m+312m+180m 斜拉索加勁的連續(xù)鋼桁梁橋， l0號(hào)和 11 號(hào)主墩采用外徑 ，壁厚 。 10 號(hào)墩圍堰采用平刃腳，圍堰高 ， 11 號(hào)墩圍堰采用高低刃腳，圍堰高 (～ )m，封底混凝土厚度為 9m。 溫州甌江二橋主橋?yàn)殡p塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主孔跨徑 270m。其北航道主塔采用削角矩形 (八角形 )雙壁鋼圍堰，長(zhǎng)邊 m，短邊 m，削角 ，圍堰高 。內(nèi)外壁板間距 。采用水平刃腳，封底混凝土厚度 3m。 黃 石長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)?+3245m+ 五跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。其 2 號(hào)～ 5 號(hào)墩采用外徑 28 m、壁厚 、高 的圓形雙壁鋼圍堰。在 5 號(hào)墩處，堰面最大高差達(dá)?？紤]到上避隋況，圍堰采用高低刃腳。封底厚度設(shè)計(jì)為 7m，為了使圍堰在無(wú)嵌巖樁的情況下安全渡洪，實(shí)際封底厚度為 。 榆懷鐵路印家坡梅江 1 號(hào)大橋?yàn)?932m+24m 簡(jiǎn)支梁橋，其 3 號(hào)、 4 號(hào)墩位于深水中，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁加雙壁鋼圍堰。鋼圍堰外徑 ，壁厚 ，高 。由于 3 號(hào)墩處基巖高差大。圍堰 下沉到基巖后，對(duì)圍堰底面進(jìn)行支墊并采用外鋼插板堵漏，確保圍堰穩(wěn)定并防止封底混凝土外漏。 在國(guó)外，越來(lái)越多的施工業(yè)者采用雙壁鋼圍堰來(lái)建設(shè)深水橋梁基礎(chǔ)、長(zhǎng)度較短的碼頭和其他水中結(jié)構(gòu)物的施工。現(xiàn)在的雙壁鋼圍堰的高度累計(jì)可達(dá) 25m，寬度可達(dá) 30m，甚至更多。使用的類(lèi)型有兩種，一是我們國(guó)內(nèi)普遍采用的即上述介紹的用鋼板圍焊的雙壁鋼圍堰，只是使用比較少而已；另一種是鋼板樁雙壁鋼圍堰，即將打入水中平行的兩列鋼板樁進(jìn)行橫向以及縱向連接和鎖定，并在兩層之間的間隙填人砂石或其他合適的材料就成了雙壁鋼圍堰。鋼板樁雙壁鋼圍堰作為雙壁 鋼圍堰的一種類(lèi)型在歐洲和美洲，以及亞洲的日本和中國(guó)的臺(tái)灣地區(qū)應(yīng)用最為廣泛。如位于美國(guó)加利福尼亞州的海峽大橋 (Carquinez StraitBridge)采用了在陸地上預(yù)先制作雙壁鋼圍堰，然后采用駁船浮運(yùn)就位來(lái)施工橋墩基礎(chǔ)。該雙壁鋼圍堰就是上述的第一種類(lèi)型。此外，圍堰不僅用于結(jié)構(gòu)物的新建，而且也經(jīng)常用于既有結(jié)構(gòu)物的修復(fù)。 工程背景 某橋梁深水承臺(tái)雙壁鋼圍堰，水深 8m，承臺(tái)為正方形，尺寸，厚 3m，河床為密實(shí)細(xì)砂。本設(shè)計(jì)承臺(tái)基礎(chǔ)平面圖如圖 13 所示，鋼圍堰平面圖如圖 14 所示。 圖 13 承臺(tái)平面 圖 (單位： m) 圖 14 鋼圍堰平面圖 (單位： mm) 鋼圍堰施工工藝簡(jiǎn)介 雙壁鋼圍堰主要由井壁、隔艙、刃腳、頂部支座和一些其他配置組成，其主要施工工序?yàn)?:在拼裝船上拼裝雙壁鋼圍堰、浮運(yùn)、起吊下沉、鋼圍堰接高、并在鋼殼內(nèi)灌水、澆筑承臺(tái)及墩身、拆除上部鋼圍堰。 深水基礎(chǔ)施工方案主要取決于當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件。從施工方面看，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的施工有分為先下鋼圍堰后成樁和先成樁后下鋼圍堰兩種施工方案。 (1)先下鋼圍堰后施工鉆孔方案 先下鋼圍堰后施工鉆孔樁方案具有以下優(yōu)點(diǎn)： ① 鋼護(hù)筒厚度及長(zhǎng)度減少易于準(zhǔn)確定位 ； ② 節(jié)省鉆孔平臺(tái)鋼管樁鋼材也可節(jié)省加工焊接及施工樁的的費(fèi)用； ③ 節(jié)省鉆孔平臺(tái)的穩(wěn)定措施費(fèi)。 若無(wú)覆蓋層或覆蓋層很淺時(shí)宜采用先下鋼圍堰后施工鉆孔樁方案。 先下鋼圍堰后施工鉆孔樁方案流程如圖 15 所示。 圖 15 先下鋼圍堰后施工鉆孔樁方案流程圖 (2)先成樁后施工鋼圍堰方案 先成樁后施工鋼圍堰具有以下優(yōu)點(diǎn)： ① 施工快，從施工鉆孔平臺(tái)鋼管樁、架設(shè)平臺(tái)至開(kāi)鉆時(shí)間短； ② 可降低鋼圍堰高度，節(jié)省工期，降低造價(jià)；減少雙壁鋼圍堰夾壁混凝土量； ③ 避免巖面高 低不平時(shí)，鋼圍堰不規(guī)律的高低刃腳著巖難度； ④ 清除鉆渣難度減少； ⑤ 封底混凝土量可減少。 因此，先成樁后施工鋼圍堰方案常被用于覆蓋層較厚，且覆蓋層較軟、承載能力較小，工期和造價(jià)有要求的工程中。 先成樁后施工鋼圍堰施工流程如圖 16 所示。 圖 16 先成樁后施工鋼圍堰流程圖 本設(shè)計(jì)圍堰施工為分節(jié)下沉，雙壁鋼圍堰修建的施工程序?yàn)椋? (1)在拼船上拼裝底節(jié)鋼殼； (2)將拼船和導(dǎo)向船拖拽到墩位拋錨定位； (3)吊起底節(jié)鋼殼撤除拼裝船，將底節(jié)鋼殼吊放下水，漂浮在水中； (4)逐層 (焊接 )接高鋼殼，并向中空的鋼殼雙壁內(nèi)灌注素混凝土，使它下沉到河床定位； (5)在圍堰內(nèi)吸泥使它下沉，直到刃腳下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高； (6)潛水工下水將刃腳底空隙用墊塊填塞并清基； (7)在圍堰頂部安裝施工平臺(tái)，在底部安裝鉆孔鋼護(hù)筒； (8)灌注水下封底混凝土； (9)鉆孔嵌巖，在孔內(nèi)安裝鋼筋籠，再在孔內(nèi)灌注水下混凝土； (10)圍堰內(nèi)抽水后灌注基礎(chǔ)混凝土，再修筑墩身。 雙壁鋼圍堰受力分析 所有圍堰構(gòu)件均采用 Q235 鋼材，鋼圍堰在下沉到位后，承受靜水壓力和流水壓力，入土部分外壁板承受主動(dòng)土壓力，內(nèi) 壁板承受被動(dòng)土壓力，圍堰超出水面部分會(huì)承受可能的波浪力和風(fēng)力，風(fēng)力采用規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算，波浪高取 ，波浪力水壓采用均布。圍堰為水工建筑物，本設(shè)計(jì)中材料容許應(yīng)力取值和有效寬度計(jì)算所用參數(shù)均取自《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)規(guī)范》。 對(duì)于圍堰而言，它一般是由桁架和鋼板組成的殼體結(jié)構(gòu) ,其傳力途徑如下：水壓力 圍堰側(cè)板 側(cè)板角鋼加勁肋 桁架。 鋼圍堰的受力分析包括下沉階段和承臺(tái)施工前堰內(nèi)抽水狀態(tài)。鋼圍堰受力的主要計(jì)算荷載有水流力、風(fēng)荷載、船舶撞擊力、施工 荷載等，在冰凍地區(qū)還包括冰壓力。圍堰自重包括其本身重量、填充物重量、圍堰上搭設(shè)的工作平臺(tái)重量及其他附屬重量。有時(shí)，也要計(jì)及封底混凝土的重量。鋼圍堰的穩(wěn)定性包括抗滑、抗傾覆和抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。當(dāng)驗(yàn)算圍堰的穩(wěn)定性時(shí)，如果底面位于水中或透水性地基上，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)水位的浮力。圍堰嵌入不透水性地基時(shí)，不考慮水的浮力。封底混凝土的重量是否參與圍堰穩(wěn)定性驗(yàn)算，取決于其與圍堰結(jié)合的緊密程度。如果在澆注封底混凝土前，在圍堰封底段內(nèi)壁上焊接一些鋼筋或鐵件，使其與圍堰緊密結(jié)合，則封底混凝土應(yīng)參與圍堰穩(wěn)定性驗(yàn)算。否則，應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。 第 2 章 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ——結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 圍堰構(gòu)造 從力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，雙壁鋼圍堰的形狀以圓形最優(yōu)，且制作與下沉著床都易于控制。但受承臺(tái)形狀限制，為便于施工，可能造成圍堰尺寸過(guò)大，從而提高造價(jià)。圍堰要為承臺(tái)和墩 (塔 )身施工創(chuàng)造無(wú)水作業(yè)條件；因此，圍堰的平面形狀應(yīng)與承臺(tái)相協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和水密性應(yīng)與施工條件相適應(yīng)。實(shí)際工程中雙壁鋼圍堰在平面上較多設(shè)計(jì)成圓形，一部分也設(shè)計(jì)成其他形狀，如矩形、扇形及各種多邊形等。圓形結(jié)構(gòu)在早期得到較多應(yīng)用。隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，其他結(jié)構(gòu)形式也日益受到重視。綜合考慮圍堰的力 學(xué)性能、施工方便性及工程造價(jià)等幾方面的因素，在雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)選形時(shí)，應(yīng)首先考慮圓形方案，然后再根據(jù)承臺(tái)結(jié)構(gòu)提出其他方案，進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)綜合比較，從而選定最佳結(jié)構(gòu)形式。 大型深水雙璧鋼圍堰是焊接鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)要盡量發(fā)揮材料的承載能力，使圍堰造價(jià)降到最低。圍堰內(nèi)外壁之間的空間，應(yīng)通過(guò)設(shè)置若干隔板，組成相互封閉的隔艙。這樣，在圍堰施工下沉?xí)r可以采取充水、填砂或灌注混凝土等措施，分艙加載，維持其平衡或助沉。當(dāng)下沉著床偏差較大時(shí)，還可減載上浮，重新著床。 鋼圍堰高度的設(shè)計(jì)主要決定于施工區(qū)域的水深和圍堰嵌入土層的厚度。 圍堰的頂高程一般應(yīng)在水下結(jié)構(gòu)施工水位以上 ～ 。圍堰頂面標(biāo)高過(guò)高，會(huì)造成費(fèi)用增加并可能導(dǎo)致樁基礎(chǔ)施工困難。圍堰的底高程應(yīng)按基礎(chǔ)受力要求和施工期穩(wěn)定等要求來(lái)確定。當(dāng)滿(mǎn)足施工要求時(shí)，可以在確保圍堰穩(wěn)定、具有足夠的豎向和橫向承載能力、能保證合理的封底厚度等條件下，盡可能提高其底高程。 本設(shè)計(jì)中深水承臺(tái)尺寸為 ，圍