荆岳长江公路大桥双壁钢围堰的构造与分析 白 凯 丁望星 （湖北省交通规划设计院 湖北 武汉摘４３００５１） 要：介绍了荆岳长江公路大桥北塔双壁钢围堰的构造，并对其结构进行了分析。得出了该结构的 应力和位移分布，依据分析结果，优化了原设计尺寸，同时对钢围堰的设计要点和施工要点进行了系统的 论述，对提高产品的强度、刚度及安全性能具有一定的指导意义。 关键词：双壁钢围堰；构造；强度 中图分类号：Ｕ４４ 文献标识码：Ａ 荆岳长江公路大桥桥址位于湖北、 桥约２５６ｋｍ．下距武汉军山长江大桥约 直径均为３３．００ｍ的围堰其堰脚穿越覆 堰高度为Ｈ＝３３．００ｍ．沿高度方向分成 了５个节段，即：刃脚段７．５０ｍ（刃脚段） 湖南两省交界处．上距荆州长江公路大 盖层置于基岩面并入岩一定深度．刃脚 底标高为一１．００ｍ：围堰顶面高于多年月 ＋７．８０ｍ（标准段）＋２ｘ６．４０ｍ（加强段）＋ 等分为８个环块。围堰制作材料均采用 Ｑ２３５钢材，内外壁板采用６ｍｍ钢板，壁 １８９ｋｍ．它是湖北省“六纵五横一环”骨 平均最高水位＋２７．２８ｍ．其标高为＋ ４．９０ｍ（堰顶段）；每个圆环形围堰节段 架公路网规划中随州至岳阳高速公路 ３２．ＯＯｍ：在围堰隔仓内浇注砼至承台顶 跨越长江的控制性工程 随岳高速公路 面＋１４．７１ｍ标高位置处．围堰封底砼的 在鄂中地区纵贯全境．北起随州市淮河 厚度为６．８ｍ．封底砼顶面浇注２０ｅｍ厚 镇．与河南省的焦作至桐柏高速公路相 连，经随州、京山、天门、仙桃、监利，在 监利县白螺跨越长江至湖南省岳阳市． 接湖南省的岳阳至临武高速公路（随岳 高速公路湖南段起点）。大桥桥址位于 湖北、湖南两省交界处．北岸为湖北省 荆州市监利县白螺镇．南岸为湖南省岳 的调平层砼．其顶面标高是＋６．７１ｍ。钢 板竖肋为Ｌ７５ｘ６角钢．其间距为：内壁 板上的间距是ａｌ＝３２．７ｅｍ．外壁板上的 围堰现场总体布置（见图１）。 间距是ａ２＝３６ｃｍ：水平托架竖向间距ｂ 阳市云溪区道仁矶镇 本项目建设总里 程为５４１９．６ｍ．其中长江大桥长度为４ ３０２．５ｍ．北岸引道长１ ０５９．１１３ｍ．南岸引 道长５８ｍ 主桥布置为３９８＋８１６＋２３０ｍ 的双塔不对称混合梁斜拉桥．长 １ ４４４ｍ：长江滩桥布置为１００＋５Ｘ１５４＋ １００ｍ的七跨连续预应力混凝土变截面 图１钢围堰总体布置 箱梁，长９７０ｍ；北岸引桥采用１６ｘ３０ｍ 先简支后结构连续装配式预应力混凝 一 ｉ — 土小箱梁．北过渡孔桥采用３ｘ６７．５ｍ预 ，￡秘喳 笾妞 ｉ Ｉｔ￣１，１１１，ｔ●●■｝４，１０一 — ＝ 应力混凝土现浇连续箱梁．共长 ６８５．５ｍ：南岸引桥和过渡孔桥采用（４× ６７．５ｍ＋３１ｘ３０ｍ）预应力混凝土现浇连续 一ｌ ‘ 一 ＝ 一 箱梁。长１ ２０３．０ｍ。 １ 钢围堰结构简介 １．１钢围堰总体布置 荆岳长江公路大桥北塔基础钢围 堰采用分离式圆形双壁壳体结构．两个 收稿日期：２０１１—Ｏｌ一１８ 图２钢围堰总体结构 １．２钢围堰总体构造 单个圆形围堰的外径为Ｄ＝３３．００ｍ，值为０．８０ｍ～１．２０ｍ，其水平斜撑杆采用 Ｌ８０ｘ６角钢。钢围堰总体构造（见图 内径ｄ＝３０．００ｍ，堰壁厚度Ａｄ＝１．５０ｍ；围 ２）。 １６４ 科技创业月刊２０１１年第５期 荆岳长江公路大桥双壁钢围堰的构造与分析 起注意。 是围堰嵌岩深度范围内岩石 工程地质性状差异大．对此．需拟定合 理的施工方法和施工丁艺。 ２北塔位工程地质条件以及 评价 ２．１北塔位工程地质条件 北塔中心桩号为Ｋ３＋１１３．位于长 面的面积为Ａ ，角钢截面面积为Ａ自， 对组合截面形心轴取矩则有： Ａ ×（７．０－ｙｃ＋０．３）－Ａ￣ｘ（ｙｃ一１．９５）＝０ ３钢围堰工作状态结构计算 钢围堰在其自身拼装形成过程中 和其下沉就位后的各种工作状态下．均 受到流水土体、风力等外界的作用，为 了满足在各种外界力的作用下．钢围堰 结构能够完好的工作．处于良好的工作 其中Ａ ＝２４ｘ０．６＝１４ｅｍ Ａ ８．１６ｃｍ 江主泓以北．枯水期水深约８ｍ．１９９８年 历史最高洪水位时水深约２６ｍ．水下地 形较平缓．地面高程ｌ０．４ １２．６ｍ，覆盖 南上式可得ｖ ５．３６ｃｍ 则Ｚｃ＝７．０ｃｍ＋０．６ｃｍ一５．３６ｃｍ＝２．２４ｃｍ 设矩形截面对自身形心轴的惯性 矩为Ｉ ，角钢截面对自身形心轴的惯 层厚度为８．４～１１．７ｍ．上部主要为松散 状细砂，下部为含卵石、砾石粗砂，卵 石、砾石直径１～３ｃｍ，厚４．３～６．０ｍ。基岩 性矩为Ｉ ．则组合截面对自身形心轴 的惯性矩为： 状态．从而实现它的各种功能．需要对 面较为平缓．高程一１．４～０．９１ｍ。基岩为坚 硬状向云岩．饱和单轴抗压强度保证率 平均值６７ＭＤａ．岩体风化壳厚度差异 大．微风化带顶面高程一３．２７～３７．０７ｍ． 起伏很大 岩体中岩溶现象比较普遍， 存在多段裂隙溶蚀发育带．局部有岩溶 洞穴（在ＺＫ３２、ＳＺＫ４４孑Ｌ各揭示溶洞一 个，垂向遇洞深度分别为２．１６ｍ、６．７３ｍ， 岩溶率０．８％） 塔位北侧顺流向展布Ｆ２ 断层．该断层倾角陡立，构造岩胶结差． 真厚度约０．６ｍ ２．２塔基工程地质评价 塔位偏离主泓２４０余米．长江水流 流速较缓．近年来表现为淤积特征．基 岩面平缓．枯水期水深不大．上述对基 础施丁较为有利 覆盖层厚度１０ｍ左 右，为松散状细砂及粗砂，透水性强，且 为可液化层．会带来基础施工时的涌水 涌砂问题 微风化带基岩（高程一４０．Ｏｍ 以下）为相对可靠的桩端持力层．塔基 可采用嵌岩桩．但要注意局部溶蚀裂隙 发育带对持力层完整性及施丁的不利 影响 对于Ｆ２断层．因其真厚度不大． 倾角近直立．走向明确．其对桥基的影 响可通过桩位的调整来回避或削弱．对 难于回避的桩．其桩端下一定深度范围 内的断层带应采用局部高压灌浆处理 另外．该断层延伸到基岩面处会造成施 工时的集中点涌水涌砂问题．亦需加以 注意。 双壁钢围堰有如下不利施丁条件： 一是主泓区水流流速大．围堰就位难度 大．分离式围堰后者就位时受前者就位 后水流条件改变的影响：二是覆盖层中 已发现有树干（ＳＺＫ８９孑Ｌ在高程＋６．Ｏｍ 左右见一直径１３ｃｍ平卧树干．轻微腐 烂），可能影响围堰下沉就位．在ＳＺＫ８９ 孑Ｌ施丁时有ｑｏ１６８ｍｍ套管掉脱落在孔 内高程３．６８～１．３２ｍ．围堰就位时要引 其在各种状态下进行结构计算 Ｉ组＝Ｉ矩＋Ａ矩×（ｚｅ一０．３）２＋Ｉ角＋Ａ角Ｘ ３．１ 围堰堰壁在静水压力作用下的强 （ｙ 一１．９５） 度验算 ＝—— —２４ ￣ 一０．６２：— 十 ・＋１４． ４Ｘ （２．・ ２４一ｕ・—Ｏ．３）ｊ， ＋ 十 钢围堰在堰内抽水完成以后．由于 内外水头差较大．此时其处于不利的受 ３７．７７＋８．１６ｘｆ５．３６—１．９５） 力状态下．应对无填壁砼的围堰壁进行 ＝１８７．２８ｃｌ＇Ｉ１ 强度计算 围堰外壁竖向角钢最大间距 通过以上计算可以知道．在堰内抽 为ａ２＝０．３６ｍ．水平托板间距为ｂ＝０．８０ｍ 水达到最大水头差时．围堰壁竖向肋角 （见图３） 钢处于良好的受力状态．结构安全 … 、 一ａ） ｂ） 图３ 围堰外壁板受静水压力时支撑情况简图 经过计算围堰外壁在堰内抽水达 到承台顶面标高＋１４．７ｌｍ时．围堰隔仓 ４钢围堰设计要点 内最小注水高度为２．０５ｍ．即达到＋ （１）钢围堰在施工期间．既为主墩 １６．７６ｍ标高：对于围堰内壁其容许水头 基础施工的围水结构又兼作施工平台 差为１２．７５ｍ．因此为减小围堰外壁的压 的承重结构 为保证围堰的正常使用和 力．可以在隔仓内适当提高注水高度 安全性．设置于顶部的施工支承平台须 建议隔仓内注水高度控制在７．Ｏｍ 设置尽量多的支承点．并以面均匀支承 ３．２壁板竖向角钢受力计算 的方式支承于钢围堰顶上 施工部门应 水平托架问距为０．８０ｍ．竖向角钢 根据采用的平台重量．检算出各支承点 按三跨连续梁验算。梁跨径为０．８ｍ．其 的最不利应力．并在具体实施前反馈给 断面形式．当考虑４０倍壁板厚度竖肋 设计部门核定 共同受力时（见图４）。 （２）钢围堰采用分离式双壁白浮钢 断面惯性矩计算： 围堰．平面为两个的圆形．总长度 角钢的截面参数可查得．设矩形截 为７５．８ｍ．圆形外径为３３ｍ．内径为 角钢截面形心轴 ７０ｒａｍ 图４竖肋角钢与堰壁的组合截面 ＰＩＯＮＥＥＲｌＮＧ ＷＩＴＨ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ ＭｏＮＴＨＬＹ』ｖ０．５ ２０１ １ １６５ 荆岳长江公路大桥双壁钢围堰的构造与分析 ３０ｍ：两个圆形钢围堰外壁间距为 行探伤检验，对节间、水平斜撑与环板 性。标高在２７．１ｍ以下为一期构造．在 间、竖肋与环板间角焊缝的１０％焊缝长 度作探伤检查，若发现有不合格者．则 ９．８ｍ。每个圆形钢围堰平面分为八个环 块，各环块类型均相同。在浮运、定位、 圆形钢围堰下沉前分段焊接接高． ２７．１ｍ以上为二期构造．其应视施工进 度和施工水位情况决定是否需要焊接 沉要求分舱、对称、等速浇注隔舱内混 凝土，每次浇注高度不大于４．Ｏｍ。隔舱 接高、下沉中要求有较强的自浮能力． 保证其水密性 （３）钢围堰总高度为３３ｍ，根据各 施工阶段的受力情况圆形钢围堰立面 分成１个刃脚段、１个标准段、２个加强 段、１个堰顶段四种类型共五个节段．刃 脚段高度为７．５ｍ．标准段高度为７．８ｍ． 该类型焊缝应作１００％探伤检查 加工 工艺评定试验 因此，钢围堰内、外壁及隔舱板等必须 前．对以上所提的焊缝类型均应作焊接 钢围堰着床并精确定位后．即须根据下 （２）环块竖向拼接焊缝十分重要。为 了确保焊缝的焊接质量．在两环块临时 混凝土应浇到规定高程．其顶面的高差 不大于３０ｃｍ．以保证上部钢围堰顺利 切割。 定位后．应先完成外贴钢板与壁板的焊 接．然后再熔透焊接环块竖向接缝．以 确保其水密性。在施工各个环节中．由 钢围堰就位时．建议进行下沉跟踪 加强段高度为６．４ｍ．堰顶段高度为 ４．９ｍ．节段最大吊装重量控制在２００ｔ左 右。 （４）现有的地质钻孔资料揭示：墩位 上游处基岩面标高在＋０．９１ｍ一０．４６ｍ之 间．下游处基岩面标高在一０．Ｏｌｉｎ～ １．４０ｍ之间．因此钢围堰暂按同一刃脚 高程考虑：为了方便钢围堰着床，钢围 堰刃脚段设有ｌｍ高的单壁刃脚：图中 设计的刃脚高程。在施工过程中可能因 地质条件变化等因素而发生变动．施工 单位可根据实际地质情况决定是否采 用高低刃脚以及最终刃脚底部高程．在 具体实施前．慎重研究钢围堰下沉着床 定位的具体对策．并报请相关单位认 可。 （５）钢围堰着床并精确定位后，在高 程＋１４．７１ｍ以下的壁舱内应分次浇注 Ｃ１５水下混凝土 若施工平台需要设置 于钢围堰顶部．为保证钢围堰的正常使 用和安全．施工平台应以面接触方式均 匀支撑于钢围堰顶上．并设置尽量多的 支承点：同时，施工单位应对支撑的局 部受力进行强度验算．保证钢围堰的受 力要求 （６）由钢围堰制造部门负责的工艺 设计文件．须通过业主组织审查后方可 实施 ５施工要点 （１）钢围堰采用分块制造的方法，试 拼后运输至现场．在拼装船或岸上焊接 成节段．浮运至北塔墩位处，逐节接高 下沉：钢围堰制作单位在加工或拼装过 程中．对有水密性要求的焊缝均应严格 做水密性检验 为了确保钢围堰的正常 使用和安全．加工中应严格保证钢围堰 各部分焊缝的质量 对所有焊缝均应进 行外观检查．对所有的对接焊缝均应进 ｌ６６ 科技创业月刊２０１１年第５期 于施工需要或为了避免钢围堰发生变 形。经设计单位同意后．施工单位可根 据施工要求对钢围堰作局部加强处理 或设置临时构造 （３）钢围堰在加工、拼装、浮运、定 位、接高、下沉等各施工阶段和钻孑Ｌ桩 施工过程中．应采取措施避免过大的集 中荷载。如不可避免时，应进行钢围堰 及其构件的强度和稳定性验算．必要时 应进行局部加强处理 钢围堰加工拼装 完毕后．应采用在平面内对称的一组 （两个）隔舱内等速进行注水的方法逐 组依次对其进行水压水密性试验 试验 时．相邻隔舱问的水头差不大于５．０ｍ。 钢围堰若采用整节吊装接高的施工方 案．吊装方案由施工部门根据起吊设备 的具体情况并进行强度及变形计算后 确定 每节钢围堰的吊点应分散均匀布 置：施工各个环节均应确保钢围堰的正 常使用和安全 施工起吊中应严格控制 冲击动力的影响 （４）钢围堰吊点可设置在隔舱板处 和需要的位置（但应作加固处理）：施工 单位应根据吊装方案对钢围堰作强度 和变形计算分析。钢围堰锚（系）缆的锚 耳宜设于隔舱板处 钢围堰第一节拼装 完毕后．刃脚内部应干浇０．８ｍ高的Ｃ１５ 混凝土 钢围堰拼接接高时．应保证节 间焊缝离水面一定的距离．必要时应采 取夹持措施．防止江面波浪溅湿焊缝． 保证节间焊缝质量。钢围堰锚（系）缆与 钢围堰的连接．应避免应力集中：钢围 堰与导向船应采用柔性连接．且应避免 船只对钢围堰的直接碰撞 （５）钢围堰下沉时应设置必要的纠 扭、纠偏装置，以保证钢围堰的精确定 位。钢围堰到达基岩面标高后．应尽量 使刃脚进入基岩内并保证钢围堰着床 平稳 填塞刃脚缝隙以保证封底的可靠 观测，以指导钢围堰定位。确保着床成 功。钢围堰着床后整体偏移不大于 ２０ｅｍ。钢围堰在下沉着床后为确保其稳 定性，刃脚周边须均匀、对称受力；此 外．刃脚支承点的数量及区域长度应满 足刃脚局部强度的要求 （６）封底混凝土顶面应预留厚度为 ２０ｃｍ的Ｃ３０调平层混凝土先不浇筑． 待承台施工时一起完成浇筑 根据施工 安排，工程完毕后．切割标高１４．９６ｍ以 上部分所有钢围堰。本桥北塔钢围堰为 分离式圆形钢围堰。上、下游各一个。两 围堰之间间距仅为９．８ｍ．施工单位应根 据施工实际情况编制详细的施工方案 和组织设计．并结合施工过程对钢围堰 及其锚固件进行安全性验算．保证施工 方案安全可靠．通过业主组织审查后方 可实施 参考文献 １郭抗美．工程地质学［Ｍ］．北京：中国建材 工业出版社．２００ｌ６ ２竺维彬．鞠世健．复合地层中的盾构施工 技术［Ｍ］．北京：中国科学技术出版社。 ２０ｏ６ （责任编辑戴钧张芝）
