大跨混凝土箱拱拱座圍堰施工技術研究

常星

(貴州交通建設集團有限公司, 貴州 貴陽 550000)

圍堰技術在工程施工中應用廣泛。常見的圍堰種類有土石圍堰、木圍堰、混凝土圍堰、鋼板樁圍堰、鋼筋混凝土板樁圍堰、套箱圍堰和雙壁鋼圍堰等。圍堰施工常遇到自然環境復雜、技術難度大、限制條件多、施工風險高等難點，對項目整體管理要求較高。土石圍堰多數是在黏性土質中應用，一般適合在水沖擊力不大以及水深不高的工程中應用，成本較低；木圍堰一般將木樁打進到河床里，在木樁與木樁內部設置一定的竹笆，再用土填充，其使用常受河床的高度和河流流速的制約；鋼筋混凝土圍堰適用于深水或深基坑，黏性土、砂類土及碎石土類河床，具有抗沖與抗滲能力強、擋水水頭高、施工完成后不能回收利用等特點；鋼板樁圍堰適合于水流比較大的河床或河流深度較大的地方，可重復使用，但成本較高，對施工機具要求較高；套箱圍堰和雙壁鋼圍堰目前主要用于深水低樁承臺，其施工工期長，對起重設備和施工組織要求高，常澆筑大量壓艙混凝土進行輔助入泥下沉，從而使得可回收部分鋼結構數量減少，增大了施工成本。該文結合貴州沙坨特大橋東西岸拱座基礎施工特點，運用多種圍堰結構形式，成功實現在山區溶巖地質條件下施工深水基礎，取得了較好的效果。

1 工程概況

沙坨特大橋位于貴州省銅仁市沿河縣淇灘鎮境內，主跨為240 m的鋼筋混凝土箱形截面拱橋，拱座結構尺寸為15 m×14.5 m×8.4 m。拱座均位于烏江水電站庫區蓄水范圍內，受水庫水位影響較大，拱座處于常規水位下。場區覆蓋層為殘坡積層黏土、人工填土填筑土、塊石土，下伏基巖為奧陶系下統桐梓組-紅花園組灰巖，存在有巖溶及涌水不良地質。根據現場實際地形地質條件，東西兩岸拱座施工均需要設置圍堰結構。東岸拱座前端8 m外是水下懸崖，拱座位置處存在大小不等的溶洞及裂隙，四周及底部涌水嚴重；西岸拱座存在溶洞及裂隙，且需在枯水季節施工下部基礎，再在基礎上設置鋼圍堰方便后期施工。

1.1 東岸拱座圍堰設計

東岸拱座圍堰主體部位由前墻、側墻、背墻和內支撐4部分構成。前墻、側墻和背墻采用混凝土結構，內支撐體系采用3I32a和2I32a，在蓄水位高程垂直距離下5 m處設置第1層內支撐、10 m處設置第2層內支撐，縱向側墻內支撐間距為4.5 m、橫向前墻內支撐間距為3 m；立柱為φ630 mm×12 mm螺旋焊管，布置間距為6 m，具體平面布置見圖1。底部采用C40水下抗分散混凝土進行拱座封底錨固。前墻設計高度為14 m，后墻設計高度為4.5 m。根據地形限制和水深控制，經計算分析，混凝土圍堰在無加固措施的情況下在圍堰內設置兩道支撐達到自穩要求，具體立面結構見圖2。

1.2 西岸拱座圍堰設計

根據西岸拱座附近地形條件，圍堰僅需要設置前墻與后墻，兩側面原地面高出沙坨電站蓄水位(365.0 m)，故不需要設置圍堰。為保證西岸拱圈1#節段施工需求，在距離拱座前沿14 m處設置圍堰Ⅰ，在距離拱背6 m處設置圍堰Ⅱ，前墻高度為7 m，后墻高度為4.5 m。在低水位期進行基礎開挖及混凝土澆筑、鋼板及骨架焊接，圍堰設計見圖3。圍堰Ⅰ由兩邊的圍堰Ⅰa和中間圍堰Ⅰb兩部分組成，圍堰Ⅰa采用C30混凝土基礎結合鋼圍堰結構，圍堰Ⅰb采用型鋼，便于2#節段施工需要時進行切割，圍堰Ⅰb結構為20 mm鋼板+[20a槽鋼,槽鋼間距為1 m。因施工點處于溶巖地區，裂隙發育，在前墻設置豎向錨索，圍堰Ⅰ巖錨每束長度為23 m或18 m，錨固段長為10 m，設計張拉力為100 t，每束巖錨由8根φs15.2 mm鋼絞線組成，注漿采用M50水泥漿。

圖1 東岸拱座圍堰平面圖(單位：cm)

圖2 東岸拱座圍堰立面圖(單位：除標高為m外，其余：cm)

圖3 西岸拱座圍堰立面布置圖(單位：除標高為m外，其余：cm)

2 圍堰受力分析

根據東岸和西岸圍堰的結構特點，結合工程實際，對其鋼圍堰部分受力進行有限元分析，確定其受力安全性、穩定性和合理性，混凝土擋墻圍堰部分，驗算其擋墻的抗傾覆和抗滑移穩定性。采用Midas分別建立東岸拱座前墻鋼圍堰Ⅰ、鋼圍堰Ⅱ、西岸拱座鋼圍堰Ⅱ等有限元分析模型，計算結果見表1，混凝土擋墻的計算分析結果見表2。

表1 東西岸鋼圍堰有限元計算分析結果

建立東岸拱座前墻鋼圍堰Ⅰ有限元模型，模型有25個節點，17個單元，結構截面特性4種，其中鋼管底部邊界條件為固結，型鋼端部為約束平動，混凝土變截面梁單元底部邊界條件為節點彈性支撐，使圍堰在抽水后產生微小轉動，釋放約束的大小為底部承擔的水平力，實測圍堰與基底的摩擦系數為0.5，剩余部分水平力由內支撐承擔?；炷梁托弯摬贾镁鶆?，選取一榀(3 m寬)進行有限元計算。2I32、3I32a和φ630 mm×12 mm鋼管均采用Q235鋼材，水壓力為靜力荷載，水壓力作用于前墻Ⅰ圍堰上。

建立東岸拱座前墻鋼圍堰Ⅱ有限元模型,模型有1 053個節點，1 248個單元(梁單元288個，板單元960個)，結構截面特性兩種，其中鋼板和斜撐型鋼的邊界條件均為固結。20 mm鋼板和2[20a槽鋼均采用Q235鋼材。

建立西岸拱座鋼圍堰Ⅱ空間梁和板單元有限元整體模型。模型有872個節點，1 020個單元(梁單元240個，板單元780個)，結構截面特性兩種，其中鋼板和斜撐型鋼的邊界條件均為固結。20 mm鋼板和2[20a槽鋼均采用Q235鋼材。

西岸拱座圍堰Ⅰ為鋼筋混凝土圍堰，抗傾覆驗算表明安全系數為2.2>1.4，抗滑穩定安全系數計算結果為1.36>1.2，滿足要求。其余混凝土圍堰部分，由表2可知均滿足安全系數要求。對巖錨的錨固長度、鋼絞線強度驗算表明均滿足規范要求。

對東西兩岸拱座前墻，上下側墻、拱座背墻等進行靜力和穩定性計算表明整體均滿足規范要求，說明整個圍堰設計安全合理。

3 圍堰施工

圍堰施工主要由測量、基礎開挖、圍堰混凝土澆筑及內支撐立柱施工等主要環節組成。開挖前的放樣是成功實施的前提，在東西兩岸拱座基礎開挖至設計基底以上4 m時，根據庫區水位變化情況設置土石圍堰，土石圍堰主要采用土袋，土袋尺寸約為60 cm×15 cm。當基坑水深小于2 m時，設置雙排土袋圍堰，當基坑水深為2～4 m時，設置4排土袋圍堰。選土時盡量選擇紅黏土，并采用補漏劑等專用防水材料對土袋層間縫隙進行封堵，以減小滲水量。當基坑開挖及清理完成后，及時進行混凝土澆筑。陸地澆筑時，模板采用大面積鋼模板，按照普通混凝土施工方法進行施工，后續墻身施工按照翻模進行施工，當基礎在水位以下時，采用水泵抽水，把土圍堰當做模板進行施工。水下施工圍堰時先逐層施工內支撐后進行圍堰內的抽水作業，抽水前設置圍堰觀測點，抽水過程中連續觀測，并及時記錄反饋。

4 結語

沙坨特大橋圍堰施工過程中采用了土石圍堰、混凝土圍堰、鋼筋混凝土圍堰、鋼圍堰等不同的圍堰形式，綜合采用了預應力錨索、鋼材、混凝土、土石等材料來施工。在綜合考慮自然環境、水文氣象、地形地貌、地質狀況、材料使用、設備運用、成本控制、技術水平等情況下，將此種圍堰方法運用于山區溶巖地質條件下的深水基礎施工，解決了基礎存在大小不等的溶洞及裂隙、四周及底部涌水嚴重等問題，多種圍堰方法組合避免了單一圍堰造成后續施工的不靈活性，結構安全穩定，取得了較好的經濟效益。