卧龙湖大桥围堰方案比选的有关设计检算.docx

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卧龙湖大桥围堰方案比选的有关设计检算

卧龙湖大桥围堰

方案比选的有关设计检算

中铁十四局集团三公司向建彬吴春朝

【摘要】卧龙湖大桥水中桥梁基础及下部结构在施工中采用围堰作为挡水结构，根据现场条件并依据4～7＃墩采用水中桩基础和高桩承台的设计要求，进行了一系列方案的设计、施工比选，并结合以往施工中采取的一些有益措施和经验，对类似结构的设计与施工有较高的借鉴价值。

【关键词】墩围堰　　比选　设计检算

一、工程概况

宁常高速公路溧水一标段卧龙湖大桥横穿卧龙湖水库，卧龙湖大桥左右幅分离设计，上部构造采用现浇预应力砼V型支撑连续箱梁，跨径组合为30+12×40+30m，全长547.88m。

全桥14孔一联，箱梁顶宽除右幅第1～3孔宽度由23.055～20.75m过渡外，其余箱梁单幅顶宽均为20.75m，箱梁底宽不加宽段为15.75m，右幅1～3孔为加宽渐变段，横向设计为单箱三室截面。

箱梁距路线中心线10.875m处梁高170㎝，墩顶处梁体总高为716.9㎝，呈空心“V”型，梁底设盆式支座。

桥梁下部构造为实体式墩和肋板式桥台，基础为直径1.50m和1.20m嵌岩桩（群桩）。

水库常年水位为15.3m,最高洪水为16.3m（实际调查），常水位时水深最深达6.0m左右，卧龙湖水库为溧水县两镇的饮用水源，又兼有泄洪、农田灌溉和淡水养殖，环保要求较高。

该水库为封闭式内陆湖泊，无大型船只可利用，大型的水上设备进出场非常困难。

1、卧龙湖地质资料：

河床以下10m范围内以亚粘土为主，容许承载力[σ]＝110～140kPa，极限摩阻力[τ]＝30～35kPa，局部粘土，容许承载力和极限摩阻力均较亚粘土高，其下为硬质安山岩，由上至下按风化程度划分为全、强、弱、微风化层，大桥桩基础设计均为支承桩，选择弱风化层作为持力层；

2、卧龙湖常水位标高+15.3m，最高洪水位+17.88m。

根据近年来水文资料显示，以常水位计算即可，偏于安全，采用常水位提高1.0m为计算依据；

3、大桥4～8＃墩承台顶标高+14.30m，底标高+12.30m，即承台高2.0m，平面尺寸16.75×6.40m，工程量C25砼214.4m3，合重5360kN；

4、依据设计资料和现场收集资料显示，该段河床呈锅底形，标高4＃、7#、8＃墩较高约为+11.4m，5＃、6＃墩较低约为+10.7m。

综合以上资料显示，常水位高于承台顶1.0m，承台底高于河床0.9m～1.6m，常水位距河床深度3.9～4.6m。

二、方案比选

方案制定总体思路：

水中施工桥梁基础及下部结构常规方案采用填土筑岛围堰作为挡水结构，根据现场条件确定该方案不可行。

依据4～8＃墩采用水中桩基础和高桩承台的设计要求拟采用以下方案：

方案一：

钢板桩围堰

钢板桩围堰是一种施工简单、快捷、综合成本较低的围堰形式。

但是，该围堰也有其很大的局限性，其一，由于是组拼式结构，整体刚度较小，因此其抗水流及冲刷能力差，不宜于在流速较大的情况下使用；其二，由于其本身强度、刚度局限，在承台较深时，需设置强而密的支撑，对后续的承台及墩身施工干扰很大，因此，不宜于在水位较高的情况下使用；其三，因为要重复使用，封底混凝土不宜厚，因此，在既要满足底部支撑力，又要满足较小渗流的情况下，对河床提出了较高的要求，因此，不宜在透水性强，承载力小的地层条件下使用。

本工程地质条件良好，粘土、亚粘土基本为不透水层，承载力高，卧龙湖水流冲刷影响非常小，水位较低，适宜选用钢板桩围堰作为挡水结构。

1、钢板桩选用德国产的“Larssen-Ⅲ”型钢板桩，该类型钢板桩刚度较高，适合本桥地质情况，B=400mm，h=123.5mm。

2、围堰尺寸确定及材料数量

4～8＃墩承台设计为左右幅分离式，单个承台平面尺寸为1675cm×640cm，考虑左幅先期施工以及插打合龙的精度考虑，按左右幅分别设置围堰，选择围堰净尺寸为1840cm×800cm，根据地质条件按入土4m考虑，选用12m长板桩。

单个围堰长边需板桩45根，短边需板桩19根，共需要普通板桩数量为128根，四角各设置角桩1根，再加4根导向桩，共计钢板桩132根，按62kg/m计算合重107.136T，10个围堰合计1071.360T，采用2[20a型钢做内支撑。

3、施工方案

钢板桩围堰插打合拢后，实测围堰四角及各边中点标高，取其平均值作为堰顶控制标高，高出堰顶控制标高5cm以上的板桩需再次锤击，同时为防止该块两侧的板桩随其下沉，将两侧板桩采用型钢点焊联接固定。

待同一个围堰的所有钢板桩顶高程满足控制标高要求后，安装顶层临时支撑，临时支撑由围檩、角撑及水平支撑组成，均采用2[32a型钢。

围檩顶面与钢板桩顶平齐，在考虑围檩高度预留量后，确定出支撑钢牛腿的高度位置。

钢牛腿采用I12工字钢预制正三角形，其焊加位置为：

在围堰各边距角隅50cm位置处及四分点处各焊加1个。

钢牛腿焊加时控制其顶面高程偏差在10mm以内，将预先按实测长度加工的2[32a型钢围檩放于钢牛腿上，与板桩墙采用点焊固定，围堰转角处连接采用焊接。

围檩安装完成后，加焊角撑及水平撑杆。

顶层围檩及撑杆焊接安装完成后，在围檩上顺桥向放出护筒位置（即桩位）中线及贝雷桁梁的位置边线，采用浮吊将已组拼好的贝雷桁梁安放于顶层围檩上，并采取临时固定措施防止桁梁侧滑。

在贝雷桁梁上摆放钻机，搭铺脚手板等机料摆放平台，即可开始钻孔桩施钻作业。

4、设计检算：

4.1土的物理性质采用ZK404钻探孔结果：

层数

岩性描述

层底标高（m）

厚度（m）

①

亚粘土

+7.8

2.6

②

亚粘土

+4.6

3.2

岩性描述

W（%）

Gs

ρ（g/cm3）

ρd（g/cm3）

e

C（Kpa）

Ф（0）

①亚粘土

25.3

2.71

1.95

1.56

0.741

43

13.0

②亚粘土

26.5

2.71

1.95

1.54

0.758

36

15.8

4.2荷载计算

拟采用拉森Ⅲ型钢板桩，长9.0m，顶标高+16.8m，底标高10.4m，取1m宽板桩计算其侧面荷载，计算至湖底处。

C=43

+10.4处水压力：

+7.8处水压力：

+7.8处土压力：

4.3围堰渗流检算：

本工程图质为不透水层粘性土，插入土中的长度为2.6米。

支撑条件为单撑，见桥涵第165～167页，荷载形式为第三种，板桩计算图示为第三种，查的α＝0.34，h＝αH＝2.006米。

实际入土深度为2.6米。

根据地质质料，不会发生坑底冒顶或涌水现象。

又根据地质质料，地下水类型为裂隙水，无承压水，假定岩层顶面含承压裂隙水，根据

有：

参考ZK404钻探孔的地质资料，h＝5.9米，土层顶的标高为10.4米，岩层顶标高为0.9米，有水深5.9米

（10.4-0.9）×19.5＝185.25kpa>（16.3-0.9）×10＝154kpa

4.4围囹、横向支撑设计及计算

4.4.1围囹设计：

采用两道围囹，布置如图：

求固端弯矩（取1m宽度）。

被动土压力为：

Kp=σtan2ψ+2c×tanψ＝16.154×tan2（45+13/2）+2×43×tan2（45+13/2）

＝133.64kpa

其荷载主要是水压力和被动土压力，加载求得弯矩值如下：

Mmax＝157.6KN

参考桥涵156、167插得拉森III型钢板桩的截面特性，对b边的每延米的抗弯模量1363cm3，其材料按照A3刚才考虑，其允许弯矩应力为[140Mpa]，板能够承受的最大弯矩为

[M]＝W[σ]＝1363×180×10-3＝190.8kN·m>157.6kN·m

故板桩能满足抗弯要求。

4.4.2计算各围囹，支撑面上的剪力：

2.3第①道围囹采用2[20a，布置如图：

18.4m长度上采用5道支撑，8m长度上采用2道撑。

q=113.1KN/m

18.4m长围囹支撑[20槽钢轴力及稳定性计算：

按照两边铰支计算，则有有效长度为8米，

=7.86,

Nmax=438.5kN,

8m长围囹支撑[20槽钢轴力及稳定性计算：

：

按照间距为2.8米布置3道支撑，则又每个支撑点的受力为308.6kN,其自由长度按照3.7米考虑，则有其轴向受力稳定：

=7.86,

，

支撑横梁按允许应力为140Mpa，由18.4米横向支撑最大弯矩为191.5KN·M,则有：

选用2I36a工字钢，则有其弯矩应力为：

最大剪力为230.4kN,则有剪应力

折算应力为：

4.4围堰抽水检算：

围堰只设置一道支撑，在水面以下1.5米处，设抽水1.5米时开始支撑，则在支撑前，设在坑底以下0.2～0.3米处为一固定支座，有单米宽钢板桩的受力情况为：

由上图可知其实际的弯矩为165.4kN·m<180Mpa×1363cm3＝190.8kN·m。

4.5采用此方案的优点：

4.5.1施工速度快，单个围堰从插打到内支撑安装完成工期为7～10天，插打入粘土和亚粘土层3m后可以边抽水边施工围檩和支撑，下道支撑安装在高于承台顶50cm位置，完全可以将围堰内水抽尽，如地下泉眼丰富可适当封底，否则无需封底；

4.5.2围堰顶部可以架设型钢或贝雷桁架纵梁，先期做为护筒沉埋的导向架，后期可以安放钻机进行钻孔施工，与后续工作衔接紧凑；

4.5.3内支撑全部采用[32a型钢，因设计图中要求合龙段施工时的体内劲性骨架全部采用该类型钢，全桥需35T，考虑四个围堰的用量正好合适，而且全部可以用做劲性骨架的施工；

4.5.4有专业的施工队伍，施工质量和安全性较高。

4.6缺点：

4.6.1市场上以12～21m长板桩居多，9m长的较少，本桥需求量较大，材料难以保证；

4.6.2填筑素土在抽水后施工，第一可以及时由人工配合整平夯实，第二干土填入防止与水混合经浸泡和扰动后成为承载力低的软土或稀泥，但填土时内支撑的干扰较大；

4.6.3卧龙水库不通航，施工机械进场困难，租用周期较长，费用高，钢板桩一般合0.5～0.6元/米·天，还需支付施工队进、退场费用。

方案二：

无底钢套箱方案

无底钢套箱在钢结构加工、运输和有施工机械配合的条件下沉埋方便等方面的优越性，根据本标段的水上施工特点，我们考虑在厂家分块预制，组拼验收合格后，再分块运至施工现场拼装下沉。

（一）单壁无底钢套箱：

1、考虑采用单壁结构是考虑便于拆除，套箱分上下节分别制作，整体高度5.0m，上节3.0m，下节2.0m，套箱上节可在墩身施工出水后拆除回收，依据该段河床起伏坡度较小，套箱的设计按以下参数取值：

（1）套箱顶标高：

+15.8m

（2）套箱底标高：

+10.8m

（3）套箱底至承台底距离：

130cm

（4）封底厚度：

30cm

套箱总高度按5.0m设计，下节高度2.0m，上节3.0m，采取委托厂家分块预制加工，拼装合格后运至施工现场再组拼下沉，套箱壁板结构见下图。

2、钢材的选用

本方案中所选用钢材钢号均为A3（Q235A），力学性能如下：

（1）弹性模量E=210GPa

（2）屈服强度σs=235MPa

（3）抗弯容许应力[σw]=140MPa

（4）抗剪容许应力[τ]=80MPa

（5）轴向容许应力[σ]=135MPa

3、套箱结构设计

（1）受力分析

卧龙水库不通航，水库内基本为静水，故不考虑水流冲击的影响，计算时以静水水头产生的压强计算套箱所受荷载按静水。

a、静力学分析

将套箱整体作为研究对象，则套箱为刚体，无变形。

b、水平方向

套箱所受的水平力基本保持平衡。

c、竖直方向

①套箱起吊时状态：

承受套箱自重。

②套箱下沉时状态：

水浮力与套箱重力相比很小，靠重力下沉。

③套箱封底抽水后状态：

底板与河床密贴，无上下水压差，无水浮力影响。

（2）材料力学分析

套箱在起吊状态下承受套箱自重荷载，靠水平支撑控制其变形，并允许套箱在此状态下产生局部的微小变形，故不做刚度检算。

套箱在下沉时、封底后、抽水后、浇筑混凝土后状态下其挠度应满足规范要求，防止因挠度过大丧失保持原来直线平衡状态的能力而导致失稳而破坏。

无底套箱（侧板在抽水后状态最不利）：

a、将侧板作为研究对象，因为封底混凝土顶面在河床面以下，故侧板受到的最不利荷载为河床面以上水压力，侧板的强度、刚度检算按水面到封底混凝土顶面范围产生的水压力计算。

b、将侧板作为研究对象，侧板简化为一受压杆件，侧板受到其相邻侧板的轴向压力和侧面的水压力、土压力，应计算其稳定性并考虑既为压杆又为受弯杆且受压截面为C类截面和结构为非完全简支的不利因素。

3、套箱的组成

套箱由侧板、水平内支撑、下沉吊点和定位系统组成。

（1）侧板（面板、肋带、加强肋带）

a、面板：

采用δ8mm的钢板。

b、肋带：

采用∠7.5×7.5×0.7cm的角钢。

c、加强肋带：

采用[10×4.8×0.53cm的槽钢。

d、竖缝、平缝位置采用∠16×16×1cm和∠18×11×1cm型钢组焊，便于设置螺栓孔以及对拼缝处加强。

2、水平内支撑

加设水平支撑将侧板不完全简支以增强套箱侧板的稳定性，并对侧板起到加固的作用，水平支撑采用2[20a型钢，因该类型钢拆除后全部可以用做上部结构合龙段劲性骨架，水平支撑布置尺寸见相应附图及说明。

3、钢套箱力学检算（施工水位+15.3m）

（1）底节套箱侧板（面板、肋带）

a、强度、刚度

肋带间距暂按0.3m布置，套箱底距水面4.5m处（贴近河床位置）：

①荷载

P静水压力=ρgh=1.0×103×9.8×4.5=44100Pa

　　②面板（取δ=8mm）

q=44100×0.3=13230N/m

Mmax=ql2/8=13230×0.32/8=148.9N·m

Qmax=ql/2=13230×0.3/2=1984.5N

A=bh=0.3×0.008=2.4×10-3m2

I=bh3/12=0.3×0.0083/12=1.2×10-8m4

W=bh2/6=0.3×0.0082/6=3.2×106m3

E=210GPa

σmax=Mmax/W=148.9/3.2×106=46.6MPa<[σw]=140MPa

τmax=3Qmax/2A=3×1984.5/（2×2.4×10-3）=1.3MPa<[τ]=80MPa

ƒmax=5ql4/384EI=5×13230×0.34/（384×210×109×1.2×10-8）

=0.6mm<[ƒ]=L/200=0.3/200=1.5mm

　③肋带（∠7.5×7.5×0.7cm）

q=44100×0.3=13230N/m

Mmax=ql2/8=13230×0.32/8=148.9N·m

Qmax=ql/2=13230×0.3/2=1984.5N

A=1.016×10-3m2

I=5.357×10-7m4

W=9.93×106m3

E=210GPa

σmax=Mmax/W=148.9/9.93×106=15.0MPa<[σw]=140MPa

τ平均=Qmax/A=1984.5/1.016×10-3=2.0MPa<[τ]=80MPa

ƒmax=5ql4/384EI=5×13230×0.34/384×210×109×5.357×10-7

=0.012mm<[ƒ]=L/200=0.3/200=1.5mm

依据以上计算，面板用8mm厚偏于保守，选用6mm厚钢板经计算（过程略），变形值较大，ƒmax=1.23mm，对肋带的焊接质量要求较高。

经计算面板按8mm，肋带间距按0.35m间距布置，经核算符合要求（计算略）。

（2）上节套箱侧板（面板、肋带）

a、强度、刚度

肋带间距暂按0.35m布置，计算位置距水面2.5m处（上节拼缝位置）：

①荷载

P静水压力=ρgh=1.0×103×9.8×2.5=24500Pa

②面板（δ=6mm）

q=24500×0.35=8575N/m

Mmax=ql2/8=8575×0.352/8=131.3N·m

Qmax=ql/2=8575×0.35/2=1500.6N

A=bh=0.35×0.006=2.1×10-3m2

I=bh3/12=0.35×0.0063/12=6.3×10-9m4

W=bh2/6=0.35×0.0062/6=2.1×106m3

E=210GPa

σmax=Mmax/W=131.3/2.1×106=62.5MPa<[σw]=140MPa

τmax=3Qmax/2A=3×1500.6/（2×2.1×10-3）=1.1MPa<[τ]=80MPa

ƒmax=5ql4/384EI=5×8575×0.354/（384×210×109×6.3×10-9）

=1.27mm<[ƒ]=L/200=0.35/200=1.75mm

　③肋带（∠7.5×7.5×0.7cm）

q=8575N/m

Mmax=131.3N·m

Qmax=ql/2=1500.6N

A=1.016×10-3m2

I=5.357×10-7m4

W=9.93×106m3

E=210GPa

σmax=Mmax/W=131.3/9.93×106=13.2MPa<[σw]=140MPa

τ平均=Qmax/A=1500.6/1.016×10-3=1.5MPa<[τ]=80MPa

ƒmax=5ql4/384EI=5×8575×0.354/384×210×109×5.357×10-7

=0.02mm<[ƒ]=L/200=0.35/200=1.75mm

依据以上计算，面板采用6mm厚可行，但肋带采用∠7.5×7.5×0.7型钢偏大，经计算采用∠6.3×6.3×0.6的型钢合适。

单壁无底钢套箱结构设计详见附图。

采用该方案的优点：

（1）材料节省，套箱上节可以拆除回收或周转使用；

（2）制作和加工的费用可控，套箱施工完成后能在下部结构施工期间使用，对施工进度计划无影响，不需额外增加成本；

（3）可以根据施工条件尽量回收上节套箱，具体做法是减小底节高度，上下节的拼缝可以设置在堰内填土面以下封底砼以上即可，在承台砼达到一定强度时，于承台周边支撑短圆木作为支撑，然后可采用射水吸泥的方法将填土清除，直至拼缝位置。

缺点：

（1）需要大型的起吊设备、悬吊设备配合定位及下沉；

（2）对河床平整度要求较高，且淤泥层必须清除，需要射水吸泥设备、浮式抓斗、千斤顶反压等措施配合下沉入土。

（二）双壁无底钢套箱

1、结构型式

（1）因水深较小，考虑内外壁间灌注砼形成钢混围堰，故对套箱面板材料要求不高，拟采用δ=3mm钢板做面板，壁间支撑采用∠5×5×0.5cm型钢做内外壁的主支撑，主要防止钢套箱在水中拖拽时变形，以Φ25螺纹钢筋做辅助支撑，使内外壁有良好联结，另在外壁内侧上采用[10型钢做环向龙骨，以增加围堰整体刚度。

（2）依据设计条件，套箱分上下两节，上节高度2.0m，下节高度3.0m，即拼缝位置按低于水面1.5m设计；

（3）为满足套箱浮运就位的要求，内外壁间距根据套箱总重量和灌注砼后的抵抗水压作用的强度确定：

a、套箱内净尺寸按1800×740cm，整体高度按500cm计算，为方便套箱钢支撑的焊接施工，内外壁间距暂取40cm；

b、内外壁之间体积：

V＝V外-V内＝（152.48-132.34）×1.0＝20.14m3

底节套箱入水后，按底部低于水面1.0m计算，则套箱所受水浮力为：

F浮＝20.14×10kN/m3＝201.4kN

内套箱周长L内＝49.1m，外套箱周长L外＝51.6m，面板δ＝3mm，则套箱面板总重量：

G1＝（49.1+51.6）×0.003×3×78.5＝71.14kN

壁间支撑及联结钢材G2＝31.5kN计算，则下节套箱总重量为102.61kN，小于计算浮力，实际套箱入水51cm，符合要求。

双壁钢套箱围堰结构布置见附图。

2、施工工艺

（1）为满足运输、上浮、下沉的要求，每节套箱均设计成封闭式箱体结构，并对称于纵横两轴，设置密闭隔舱，便于调整套箱注水下沉的平衡；

（2）钢套箱在厂家制作完成后，将上、下箱各块汽车运输到墩位处；

（3）采取在卧龙水库岸边制作钢平台，并铺设轨道，将底节各块焊接成整体；

（4）在墩位处打入定位桩，将底节牵引至桩位处临时固定，吊机配合将套箱上节与底节拼装完成；

（5）钢套箱组装就位后，用水泵往内外壁仓内注水下沉。

若发现注水过程套箱倾斜，可调节各舱的注水量，使其平稳下沉，调整四角高程，使其套箱均匀下沉；

（6）采用提升盖板法灌注底节套箱砼，使用HBT60砼输送泵将砼送入配料斗，当料斗装满混凝土后，提升盖板将混凝土通过导管灌入套箱底部。

导管根据套箱底面实测标高和拆管所需节段长度进行配管，对导管要逐根进行拉力、张力、泌水试验，并按编号顺序插放；

（7）浇筑围堰内50cm封底砼，待封底砼强度合格后抽水，填入素土夯实进行承台和墩身施工；

（8）当墩身高出水面以后即可上浮套箱，首先进行水下切割，使上节套箱四壁与底板分开。

采用此方案的优点：

（1）施工速度快，采取在厂家预制，在岸边滑槽上组拼成型后拖拽至施工墩位；

（2）围堰顶部可以架设型钢或贝雷桁架纵梁，先期做为护筒沉埋的导向架，后期可以安放钻机进行钻孔施工，与后续工作衔接紧凑；

（3）与单壁套箱比较可以减少大量内部支撑，减小工作量，加快施工进度；

（4）减少钢材用量，制作和加工的成本可控。

缺点：

（1）需要安排拼装场地和滑移入水设施；

（2）制作加工质量要求高，套箱底需取土以及反压措施配合入土；

（3）不同于无配重的双壁钢围堰，后期拆除困难大，受环保条件制约，方案很难通过论证；

（4）与单壁套箱相比，钢材回收率低，因拼缝位置不能过低，否则下节配重小影响入土深度，且上节套箱长细比增加大稳定性小，需增加大量内支撑。

方案三、有底钢吊箱

1、设计计算

（1）封底混凝土厚度计算

封底混凝土的作用不仅在于阻水，而且还在于它能平衡吊箱抽水后受到的浮力。

另外封底混凝土与护筒之间的粘结力可抵消一部分浮力，此时应满足以下平衡条件：

a、工况一：

F－（W1+G）≤n·πD·[τ]·h

F为吊箱所受的浮力，F＝KRWV，

其中：

K--安全系数，取1.2；

RW—水单位体积重，10kN／m3；

V--吊箱在水面以下的体积；

W1--吊箱的重量，260kN；

G--封底混凝土的重量；

n—钢护筒数量；

D--护筒的直径；

[τ]--钢护筒与封底混凝土之间的容许摩阻力，取280KN/m2；

h—封底砼厚度；

则：

F－（W1+G）＝1.2×10×-（260+18×8×h×24）＝4924-1728h

n·πD·[τ]·h＝6×π×1.7×280×h＝8968h

综合以上两式：

h≥0.46m

b、工况二：

在承台砼浇筑完毕时，应满足以下条件：

K（W1＋W2＋G）≤RW·V+n·πD·[τ]·h

其中，W2为承台砼的重量，其余符号意义同上，则：

K（W1＋W2＋G）＝1.2×（260+5360+18×8×h×24）＝67440+41472h

RW·V+n·πD·[τ]·h＝10×[18×8×（3+h）]+6×π×1.7×280×h＝4320+124080h

综合以上两式：

h≥0.72m

用

（1）、

（2）式计算出的最大h值，作为封底混凝土厚度的控制值，取h＝0.8m。

2、施工注意事项及安全措施

（1）搭设平台时须考虑到吊箱和系梁下沉时所需