黄河上游地区跨黄河主桥主塔墩基础围堰设计与施工

黄河上游地区跨黄河主桥主塔墩基础围堰设计与施工

王玉玺

中铁十局集团第一工程有限公司  山东省济南市  250000

摘  要：黄河上游地区大部分处于寒冷地区，大多数河段均受河道宽度季节性变化及凌汛影响，冬季结冰，春季流凌，对主河槽范围内的桥墩基础施工存在较大影响。本文以乌海黄河特大桥主墩围堰设计施工为例，通过对黄河上游地区水文、地质、气候条件综合对比分析，对主墩围堰施工方案进行优化比选，利用通用有限元软件结合围堰施工方案对围堰结构进行数值模拟分析和计算，并制定合理施工方案用于指导施工。实践表明，该桥主墩围堰设计施工方案合理有效，确保了主墩围堰施工安全，取得了较好的效果，并为今后类似工程提供了一定的借鉴和参考。

关键词：黄河上游地区；凌汛；围堰设计与施工

0引言

近年来，随着我国铁路交通网络建设规模的不断扩大和深入发展，在黄河上游地区跨越黄河的大型桥梁工程也越来越多。因此，黄河上游地区进行桥梁工程建设面临的问题也逐渐得到了广泛的关注。

黄河上游地区相比其他地区，整体气候条件大部分处于中温带亚干旱~半干旱气候区，气候干旱少雨，雨量多集中在七、八月份，蒸发量远大于降水量，夏季炎热，冬季严寒，昼夜温差大，四季变化明显，无霜期短，按照气候分区大部分处于寒冷或高寒地区。黄河上游地区大部分河段均受凌汛影响，冰期长，大多数年份都会发生不同程度的凌情。凌汛期对桥梁涉水结构存在较大安全影响，因此黄河上游地区的桥梁结构在凌汛影响范围内均需设置一定的防冰凌措施以保证桥梁结构安全。与此相同，在桥梁施工期间，凌汛对桥梁施工的影响也同样显著。当桥梁处于下部结构施工期间，对主河道范围内的桥墩基坑进行施工时，不仅要考虑基坑开挖施工所需的各种安全防护措施，还需充分考虑凌汛期对施工的不利影响，有针对性的采取合理应对措施，以确保工程建设的顺利推进。

本文以新建包头至银川高铁包头至惠农段乌海黄河特大桥45#主墩围堰设计施工为例，对黄河上游地区跨黄河主桥的主墩围堰设计和施工进行研究。

1工程概况

1.1主桥设计概况

新建包头至银川高铁包头至惠农段乌海黄河特大桥位于内蒙古自治区乌海市和宁夏回族自治区石嘴山市交界处。桥址位于海勃湾水利枢纽库尾段的上游，下距海勃湾坝址约36.3km，上距石嘴山水文站约17.0km，下距 G6 京藏高速跨黄河大桥约 5.5km。如图1所示。

图2 大桥平面方位示意图

桥位右岸为宁夏石嘴山市惠农区，地势较为平坦，有河漫滩。左岸为内蒙鸟海市海南区头道坎村，地势陡峭为天然陡坎，与右岸高差超过8m。

桥位处黄河河段顺直，河道宽度约600m，主河槽宽度200m~300m。主桥采用2×80m+310m+2×80m的半漂浮体系钢混混合梁斜拉桥和2×80m预应力混凝土T构跨越黄河主河道。桥式立面布置如图2所示；

图2 主桥桥式立面布置图（单位：m）

斜拉桥主梁采用气动性良好的单箱五室宝石型截面，主梁总长度632.4m。其中，中段钢箱梁长度390.0m，两侧混凝土梁长度均为121.2m。斜拉桥共设置两个主塔，每个主塔两侧均布置有14对斜拉索。两个主塔均为钢筋混凝土结构，每个主塔横向共两肢塔柱，采用花瓶型布置，分别设置两道横梁。左岸44#墩桥塔因地势较高，基础相对右岸主塔抬高3.5m，主塔总高度为114.5m，右岸45#墩主塔总高度为118.0m。斜拉桥布置见图3。

图3 斜拉桥桥式布置图（单位：m）

1.2主塔墩基础设计概况

44#和45#主塔基础采用C50混凝土，尺寸均为26m×37.5m×5m，如图4~6所示。承台分两次浇筑，第一次浇筑高度为3.0m，第二次浇筑高度为2.0m。

图4 主塔基础立面图（单位：mm）

图5 主塔基础侧面图（单位：mm）

图6 主塔基础平面图（单位：cm）

由于工程河段地处高寒地区，冰期最长可达 4 个月，几乎每年都会发生不同程度的凌情。多年平均流凌时间为12月初，封河时间为翌年1月初，开河时间为3月初，多年平均流凌天数为35天，封冻天数为57天。两个主塔基础顶面上游侧均设置有破冰棱结构，以抵抗凌汛期流凌对主塔结构的影响。如图7所示；

图7 塔柱破冰棱结构图（单位：cm）

1.3地质条件

桥址区地质以第四系全新统人工堆积层、第四系全新统冲积层和第四系上更新统冲洪积层为主，地层层状分布特征明显。表覆第四系全新统人工堆积层（Q4ml）填筑土。第四系全新统冲积层（Q4al）粉土，粉质黏土，黏土，粉砂，细砂，中砂，粗、砾砂，细圆砾土，粗圆砾土。第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）粉质黏土，黏土，粉砂，细砂，中砂,粗、砾砂，细圆砾土，粗圆砾土。

1.4气象条件

工程项目位于中温带亚干旱～半干旱气候区，气候干旱缺雨，降水量多集中在 6 月～10 月份，雨季强降雨易形成山洪，蒸发量远远大于降水量，夏季炎热，冬季严寒，昼夜温差大，四季变化明显，无霜期短。

1.5水文条件

桥位地表水以黄河径流为主，水量随季节性变化较大。地下水为第四系孔隙潜水，主要以黄河水渗透补给为主，大气降水入渗、侧向径流补给为辅。洪水的变化基本与降雨的季节变化一致。洪水一般发生在6月～10月，年最大流量多发生在7月或9月，以9月份居多。7、8月洪水一般涨落较快，历时较短；9、10 月洪水一般涨落平缓，洪量大，持续时间较长。桥位处设计防洪标准为100年一遇，设计洪峰量为 6100m/s，相应洪水位为 1083.91m， 施工水位为10年一遇，洪峰流量为5460m/s，洪水位为1083.5m，非汛期最高水位不超过1081.0m.

1.6凌汛条件

本工程位于黄河石嘴山～磴口河段，河道自西南流向东北，从低纬度区进入高纬度区，为常年封冻河段。工程河段流凌日期最早在 11 月中下旬，流凌至封冻一般为 20 天左右，最长为 30 天，最短为 6 天，开河日期约在 3 月上旬。

2 围堰方案比选

45#主墩临近黄河主河槽，承台外侧距河岸线最小距离仅10m。墩位附近地势平坦，原地面标高~+1083m，45#主墩承台底设计标高+1070.808m，基坑深度超过10m。考虑到基坑地下水位埋深较浅，拟采用钢围堰进行基坑开挖防护施工。

常用的钢围堰有钢板桩围堰、钢管桩围堰、钢吊箱围堰和钢套箱围堰等形式。

根据地勘资料显示，45#墩范围内河床地质以砂类土、粘性土、砾石土为主。如表1所示。

表1 45#墩地层参数表

考虑到45#墩围堰入土深度较大，围堰支护结构需穿越较密实的圆砾、砾砂和粗砂层，围堰下沉就位需克服较大的侧摩阻力，选用锁口钢管桩作为45#墩围堰的基坑开挖防护。

常用的锁口钢管桩止水一般采用IO、IC和C9锁口等形式，IO、IC型锁口止水性能较差，因此选用C9锁口钢管桩作为45#主墩钢管桩围堰的围护桩结构。C9锁口钢管桩结构如图8所示。

图8 C9锁口钢管桩结构图（单位：mm）

根据现场施工进度安排，45#主墩桩基施工在9月底以前结束。考虑到桥位出每年10月至次年5月处于非汛期，施工期非汛期最高施工水位不超过1081m。同时，流凌影响期在每年11月中下旬至次年3月上旬之间。若在围堰上游设置堆土拦冰坝，将凌汛期的流冰导流至主河槽内，则围堰施工期最高水位可控制在1081m以下。因此，按照1081m作为45#墩主墩围堰的设防水位进行围堰设计。

3 围堰设计

3.1结构布置

45#墩围堰采用锁口钢管桩围堰进行承台施工。设计施工水位为+1081.0m，钢围堰桩顶标高按+1081.5米设置。钢管桩采用φ720mm锁口钢管桩，钢管桩材质为Q235B。

围堰布置如下；

（a）围堰立面（单位：mm）

（b）围堰平面（单位：mm）

图9 45#主墩围堰布置图

为减少45#墩围堰基坑深度，基坑开挖前，预先将基坑边线外5m范围内的河床面按照1:1坡率放坡整平至1081m。整平后，基坑最大开挖深度减少至13m，45#墩围堰总高度为24m。

为保证基坑开挖到位后，围堰内基坑底的稳定性和闭水性，在承台底设置厚度2.8m的封底混凝土，封底混凝土采用C30水下混凝土。围堰沿高度方向共设置两层支撑。上层内支撑圈梁采用双拼HN700×300型钢，下层内支撑圈梁采用三拼HN700×300型钢，内支撑杆件均采用Φ820×12mm螺旋钢管。

45#主墩围堰平面尺寸为40.472m×28.989m。围护桩由178根带C9锁口的直径Φ720钢管桩组成，钢管围护桩长度为24m，壁厚10mm。围护桩结构如图8所示。各根钢管桩之间通过C9锁口逐一相扣，形成钢管桩围堰的锁水条件。围堰两边相交处设置角桩，转角钢管桩的C9锁口正对围堰两边分别设置，如图10所示。

图10 转角钢管桩连接示意图（单位：mm）

3.2施工步骤

45#墩围堰施工按照以下步骤进行：

桩基施工完毕→插打围堰钢管桩→围堰内抽水、开挖至+1079.5m高程→安装第一层圈梁和支撑杆件→围堰内抽水、开挖至+1074.5m高程→安装第二层圈梁和支撑杆件→围堰内清淤至+1068.0m→封底施工，封底厚度2.8m→围堰抽水完成→第一层承台（3.0m厚）施工完成后，在承台外侧填筑2.6m砂和浇筑0.4m混凝土→拆除第二层支撑→第二层承台（2.0m厚）施工完成后，在承台外侧填砂并浇筑0.4m混凝土→施工墩身至水面以上，围堰内回填黄砂至第一层内支撑以下1m→拆除第一层支撑→围堰内回填黄砂至河床面→拔除钢管桩，基础施工完成。

3.3围堰结构计算

采用通用有限元分析软件建立有限元模型，结合围堰基坑开挖施工过程，对围堰主要受力结构进行模拟计算。

根据现场试验以及查阅相关文献得到围堰结构有限元模型的相关参数如表2所示。

表2 有限元分析模型相关参数表

仿真模型能够准确地模拟围堰结构在实际施工中的变化过程，因此，在建立模型时充分考虑了不同基坑开挖深度下，土体对围护桩结构的作用，分5种典型工况对围堰施工过程进行模型计算。计算工况如表3所示。

表3 典型计算工况

主要计算结果如下：

（1）围护桩

围堰基坑开挖过程中，围护桩最大弯矩出现在工况3围堰开挖至基坑底时，围堰最大剪力和最大水平位移均出现在工况4封底施工后围堰抽水完成的状态。

围护桩弯矩最不利工况弯矩分布见图11，围护桩变形最不利工况变形分布见图12。

图11 围堰桩最不利工况弯矩、剪力分布图（单位：kN-m）

图12 围堰桩最不利工况变形分布图（单位：kN-m）

各典型工况围堰桩最大弯矩和变形计算结果见表4.

表4 典型工况围护桩计算结果

围堰施工过程中，围护桩最大弯矩454.4kN-m，最大剪力358.4kN，最大变形47.9mm。围护桩对应的最大应力91.2MPa，最大剪应力18.9MPa，满足规范要求。

（2）内支撑

综合各典型工况计算结果，最不利状态下，第一层内支撑圈梁最大应力121.3MPa，第二层内支撑圈梁最大应力136.0MPa，均小于规范允许值。圈梁应力分布见图13。

图13 第一、二层圈梁应力分布图（单位：MPa）

最不利状态下，内支撑钢管最大轴力2439.6kN，考虑稳定影响的应力为136.6MPa，小于规范允许值。内支撑钢管最大轴力分布见图14。

图14 第一、二层圈梁应力分布图（单位：MPa）

（3）封底混凝土

封底混凝土施工后，围堰内完成抽水状态下，封底混凝土受力最为不利。此工况下封底混凝土最大拉应力为0.74MPa，小于规范允许值。封底混凝土应力分布如图15所示。

图15 封底混凝土应力分布图（单位：MPa）

根据计算结果，围堰主要结构受力均符合规范要求。

4围堰施工

4.1围堰桩插打

主墩处地质条件以较密实的圆砾、砾砂和细砂层为主，围堰钢管桩入土深度达到23.5m，为确保围堰桩插打施工效率，现场采用旋挖钻预引孔，再插打钢管桩的方法进行围护桩插打施工，实践证明采用引孔方式进行围护桩插打可有效保证围护桩插打深度满足效率，同时可提供工效，缩短插打施工时间。围堰桩引孔插打示意图施工如图16所示。

图15 围堰桩引孔插打示意图（单位：mm）

图16 围堰桩施工

4.2内支撑安装

由于内支撑需随围堰基坑开挖进度逐步安装，围堰基坑开挖过程中，围堰桩将发生一定水平位移，导致围堰内支撑安装时，对应高度的围堰桩内轮廓尺寸较设计值偏小。现场安装时，将内支撑圈梁按设计理论尺寸减少100mm进行加工，可有效避免内支撑安装受围堰桩变形的影响。内支撑圈梁与围堰桩之间空隙现场采用钢板抄垫密实即可保证围堰桩与内支撑可靠传力。内支撑施工如图17所示。

图17 内支撑施工

4.3封底混凝土施工

封底混凝土施工质量关系到围堰抽水完成后的安全性，实际施工过程中应从基坑开挖深度控制、混凝土配合比、混凝土供应保障、下料方式和浇筑面展开方式合理化等方面进行精细化控制。

基坑开挖深度完成后，对基坑标高采用高精度扫描仪对坑底实际标高进行测量，确保开挖深度不小于设计标高。优化混凝土配合比，确保用于封底的水下混凝土扩展度和初凝时间满足封底施工要求。建立科学可靠的混凝土供应保障体系并制定应急保障措施，确保封底混凝土浇筑期间混凝土供应。结合现场混凝土生产、运输能力和场地条件，合理选择封底混凝下料方式、优化下料点布置，制定合理的封底混凝土浇筑展开顺序，有效保证了封底混凝土施工质量。

图18 封底混凝土施工

4.4监控监测

选用有丰富经验的监测单位对围堰施工全过程的围护桩变形及应力、内支撑变形计应力、基坑周边沉降、地下水位变化、温度变化等因素进行实时监测，建立了有效的监测预警机制和组织，有利保障了围堰施工过程中结构受力安全。

图19 围堰施工现场监测

5结论

目前，45#主墩围堰已完成封底抽水施工，现场已经进入承台及主塔上部施工阶段。实践证明，本桥主墩围堰的设计施工实施效果显著，有效满足主墩承台施工的需要，有力保障了后续施工的顺利进行。

本文以新建包头至银川高铁包头至惠农段乌海黄河特大桥乌海黄河大桥45#主墩围堰设计施工为依托，结合现场条件调查、有限元软件仿真，对主墩围堰进行了方案优化比选和结构设计，并结合现场实际情况对围堰施工的主要控制点进行了系统研究，综合分析结果，可以得出以下结论：

（1）受黄河流域地形、气候等因素影响，黄河上游地区主河道范围内进行基础施工普遍面临河面宽度季节性变化大、基坑开挖深度大、水位季节性变化大、低温和凌汛影响，基础施工方案设计时应充分考虑其影响。

（2）黄河上游地区临近主河道范围内，受河床冲刷淤积影响，以较密实的圆砾、砾砂和砂层为主的地质条件较为普遍，围堰结构形式选择时应充分考虑地质因素对围堰下沉就位的影响，采用锁口钢管桩围堰可较好的解决围堰下沉就位的问题。。

（3）在凌汛影响期间，可采用在上游堆土做坝的形式，对流凌进行导流，确保围堰施工不受流凌的影响，降低安全风险。

（4）围堰方案设计应充分考虑水文、地质及工期进度等因素，在进行充分调查研究的基础上合理选择围堰形式和施工方法，确保实施效果。

（5）本文以乌海黄河大桥45#主墩围堰为例对典型的黄河上游地区主河道范围内桥梁基础围堰设计施工进行了系统研究，其成功经验可为今后类似工程提供借鉴和参考。

参考文献：

[1] 《钢结构设计标准》（GB 50017－2017)

[2] 《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）