復雜海域條件下淺覆蓋層深水基礎施工方案設計

何錦章

（1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西高速公路投資有限公司，廣西 南寧 530021）

隨著國內跨海通道建設的提速，跨越海峽的大跨徑橋梁也越來也多，而跨海橋梁施工的重難點在水下部分，即深水基礎的施工。尤其是在海域條件復雜，橋位處海床面極不平整，高差起伏大，覆蓋層不均，或淺覆蓋層，甚至是裸巖基底的情況下，水下基礎施工難度極大，其施工方案設計已成為制約跨海橋梁建設成敗的關鍵因素。

0 引言

國內東南沿海某跨海大橋為公鐵兩用特大橋，跨越某海峽北東口海域。鐵路部分設計標準為國鐵I級雙線鐵路橋，設計旅客列車最高行車速度為200km／h，限制坡度為13‰，電力牽引，牽引質量3 000T；公路部分設計標準為雙向6車道高速公路，設計行車速度100km／h，設計荷載公路－Ⅰ級，公路橋梁標準寬度35.5m。大橋全長3 712m，公鐵主跨均采用92m＋2×168m＋92m預應力混凝土連續剛構，其余橋跨鐵路為64m、40m簡支梁；公路左右幅各5聯連續箱梁，孔跨與鐵路簡支梁跨度相對應。全橋59個墩臺中55個為水中墩臺，樁基最大水深達42m；26＃～55＃墩位于深水區，為高樁承臺，27＃～42＃墩覆蓋層平均僅為1～2m的超淺覆蓋層，海床面高差起伏約5m，43＃～56＃墩無覆蓋層高強度光板花崗巖裸巖基底，海床面高差起伏達8m，見圖1。

圖1 橋位區覆蓋層分布示意圖

1 施工條件概述

橋位區風大、浪高、流急，航運繁忙，施工受風、浪、流、航運和臺風的影響大，工程建設的組織和安全控制難度極高，特別是施工棧橋及鉆孔樁施工平臺的搭設，鋼護筒的沉放，以及鉆孔樁施工過程中棧橋與鋼平臺的整體穩定性和安全性要求極高。

1.1 水文條件

該項目施工期按5年考慮，施工方案設計時棧橋與鉆孔平臺等大型臨時設施均按5年正常使用期進行設計，相應水文條件分析論證時主要參考5年期的數據。

橋位海域潮型屬正規半日潮，漲潮歷時平均為5h59min左右，落潮平均為6h26min左右，海峽內海流呈往復流形態。橋位處設計年極值高潮位最大值為4.88m，對應重現期為300a，頻率為0.33%；最小值為3.79m，對應重現期為2a，頻率為50%；重現期5a對應的高潮位值為4.02m，頻率為20%。設計年極值低潮位為－3.89m，重現期為2a時頻率為50%；重現期為5a時頻率為20%（潮位基準面采用1985國家高程基準面）。

根據地方海洋站1988－2008年逐年最大天文潮差資料和波浪資料分析報告，橋址處2a重現期對應的潮差南岸為6.38m，北岸為6.54m，頻率為50%；5a重現期對應的潮差南岸為6.52m，北岸為6.69m，頻率為20%。

根據橋址附近5個觀測站的數據，橋位水域百年一遇設計流速值在1.69～3.09m之間，平均設計流速為2.388m。橋位水域百年一遇設計波浪要素參見本項目施工圖設計文件和指導性施工組織設計。

1.2 地質條件

大橋部分墩位處典型地質情況見表1。

1.3 氣象條件

根據橋位處地方氣象和海洋部門常年觀測積累的數據，橋位處登陸及影響區域的臺風主要出現在6～9月份，年平均3.8次；超強臺風（臺風中心風力＞16級，風速＞51m／s）年登陸次數為0.6次；橋位處大風天氣主要集中在10月至次年2月，其中：6級以上大風天數為309d，7級以上大風天數為234d，8級以上大風天數為123d，9級以上大風天數為35d。橋位處平均浪高為2.7m，歷史曾現最大浪高為16m。

表1 部分墩位處典型地質情況表

2 施工方案設計

根據橋位處施工條件及通航需要，擬定B39＃～B41＃墩采用獨立鉆孔平臺進行施工，B42＃～B56＃墩采用棧橋加鉆孔平臺的施工方案。

2.1 鉆孔平臺總體設計

鉆孔平臺采用鋼管樁組成支撐體系，根據水深采用不同直徑的鋼管樁，水深35m以上采用φ2 000×22mm鋼管、水深25m以上采用φ1 700×18mm鋼管、水深18m以上采用φ1 420×16mm鋼管、水深18m以下采用φ1 200×14mm鋼管；鋼管樁間采用連接系縱橫連接；鋼管樁頂設置橫梁，橫梁上放置鐵建特種桁梁作為主梁，主梁上鋪設分配梁，分配梁頂鋪設花紋鋼板形成整體平臺結構。鋼護筒下放完后，鋼護筒之間采用φ1 020×10mm鋼管連接成整體確保鋼護筒的穩定性。鉆孔平臺需滿足吊放插打鋼護筒、旋轉鉆成孔、吊放鋼筋籠、樁基混凝土灌注等施工作業。設置原則圍繞承臺邊線形成作業平臺供100t履帶吊行駛及作業，見圖2～3。

圖2 獨立鉆孔平臺與棧橋＋平臺鉆孔平臺平面布置圖（單位：mm）

圖3 鋼護筒連接布置圖（獨立平臺）

2.2 鉆孔平臺結構設計

鉆孔平臺結構主要由平臺鋼管樁、樁間連接系、樁頂橫梁、鐵建特種桁梁主梁、平臺面板等組成。在每個承臺橫軸線兩側分別設置兩排鋼管樁，鋼管樁之間縱橫向間距為8 000mm，橫軸線兩側鋼管樁采用鐵建特種桁梁一跨跨越，跨越間距根據承臺順橋向的寬度控制，兩側鋼管樁中側內排中心與承臺邊緣線的間距≥2 000mm。鋼管樁插打完成后，在鋼管樁內沖孔施工混凝土錨樁。采用直徑φ630×10mm鋼管和雙枝［］40a槽鋼組拼成整體作為樁間連接系。樁頂橫梁采用三枝HN600×200mm H型鋼，主梁采用鐵建特種桁梁，分配梁采用工20b，面板采用δ＝10mm花紋鋼板，見圖4。

圖4 鉆孔平臺結構布置圖（單位：mm）

根據鉆孔平臺所在墩位處地質條件及49＃墩試樁情況，上述基礎處鋼管樁插打深度均無法達到設計要求，因此方案設計在鋼管樁內增設錨固樁，以確保鋼管樁的穩定性。鋼管樁選用及錨固深度見表2。

表2 鉆孔平臺鋼管樁選用及錨固深度表

2.3 棧橋總體設計

橋位處風向與洋流方向為由北向南，綜合考慮靠船舶通航、施工船只通行、墩身施工時棧橋上行人及車輛安全，將棧橋布設于橋位北側；同時，為滿足鋼圍堰沉放作業要求和鉆孔平臺的布置，棧橋中心至橋中心線距離設置為30m。為保證施工的便利性，在主棧橋上沿每個橋墩兩側引申布設支棧橋，用作主橋橋墩鋼護筒沉放施工時吊機作業站位點，見圖5～6。

圖5 棧橋平面布置圖（單位：mm）

圖6 棧橋側向布置圖（單位：mm）

2.4 棧橋結構設計

因橋址處水深大，漲落潮引起的水流力、波浪力對棧橋結構及棧橋施工影響大，故在棧橋設計時，下部結構采用大直徑鋼管樁，上部結構采用鐵建特種桁梁，以加大棧橋跨度，減少水中基礎。

棧橋上部承重結構采用鐵建特種桁梁，橫向布置12片，間距為3×0.45＋5×0.9＋3×0.45＝7.2m，為增強棧橋的橫向穩定性和整體性，設計時將棧橋鋼管樁與鉆孔鋼平臺相連，在樁基施工完成后，鉆孔鋼平臺靠近棧橋側的最外排鋼管樁不拆除，保證在后期棧橋使用過程中棧橋的橫向穩定。為保證棧橋能滿足150t履帶吊通行或兩輛混凝土運輸車錯車，棧橋總寬度設計為8.5m＝8m（橋寬）＋0.5m（水管、泵管區），墩位處支棧橋和材料堆放小平臺亦設計可以臨時錯車。

根據鉆孔平臺所在墩位處地質條件及49＃墩試樁情況，上述基礎處鋼管樁插打深度均無法達到設計要求，因此方案設計在鋼管樁內增設錨固樁，以確保鋼管樁的穩定性。故在進入強風化層后，棧橋下部結構采用同鉆孔平臺一樣的錨固樁。

為控制棧橋頂在施工過程中樁頂位移≤H／400，棧橋在不同水深處采用不同直徑鋼管樁及錨固樁，各個墩位處鋼管樁選用及錨固樁情況見表3。

表3 棧橋鋼管樁選用及錨固樁表

2.5 棧橋輔助結構設計

棧橋欄桿按現行安全規范設置，立柱采用12＃槽鋼，上下三層橫桿采用φ48×3.5mm鋼管從立柱中穿過，立柱間距根據單塊橋面板縱橋向寬度按2m設置。

棧橋橋面板設計為C30鋼筋混凝土橋面板，尺寸為（8×2×0.2）m，在每塊橋面板的底部兩邊預埋件上焊接20cm長的等邊∠63角鋼橫向限位，主梁上鋪一層寬25cm、厚10mm膠皮，再放置橋面板，橋面板與主梁豎向不連接。橋面板縱向不設置安裝間距，安裝時將橋面板順序擺放，用鋼板將相鄰兩塊板的預埋件焊接固定。但橋面板構造上預留有泄載縫，防止波浪頂托。水管、泵管不設置在橋面板上，通過在橋面板一側焊接懸臂型鋼，將水管、泵管布置于欄桿外側的懸臂型鋼上。

棧橋位于海水區域，區域海水浪高流急，設計采取措施進行鋼管樁防腐，涂裝范圍為海床面底2m以上。涂裝標準為：一道環氧富鋅底漆涂層，厚度60μm；兩道環氧（云鐵）漆中間涂層，厚120μm；兩道丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆，厚80μm。除采取防腐涂裝外，棧橋管樁在計算時考慮2mm銹蝕量及負公差。

3 設計參數計算

3.1 標高計算

3.1.1 棧橋、鉆孔平臺頂標高

式中：H——棧橋、平臺頂標高（m）；

h1——20年重現期5%高水位（根據相關水文資料取4.33m）；

h2——50年重現期5%波高（根據相關水文資料取4.3m）；

h3——上部結構高度（m）；

h4——預留安全高度（取1.0m）。

上部結構高度h3：

棧橋：h3＝2.14（鐵建特種桁梁）＋0.01（膠皮厚度）＋0.2（橋面板厚）＝2.35m；

鉆孔平臺：h3＝2.14（鐵建特種桁梁）＋0.2（分配梁）＋0.01（面板厚）＝2.35m。

3.1.2 鋼吊箱圍堰頂標高

式中：H——鋼吊箱圍堰頂標高（m）；

h1——10年一遇高水位，取4.18m；

h2——10年一遇波高，取2.71m；

h3——預留安全高度，取1.0m。

3.2 鋼管樁壁厚計算

鋼管樁設計使用年限為5年，鋼管樁計算壁厚包括有效厚度和預留腐蝕厚度。有效厚度為管壁在外力作用下所需要的厚度，滿足強度計算和穩定性驗算；預留腐蝕厚度為建筑物在使用年限內管壁腐蝕所需要的厚度。鋼管樁壁厚計算時，使用期管壁計算厚度應取有效厚度，根據現場實際考慮計算厚度＝設計壁厚－1mm。

3.3 結構設計計算

棧橋設計應滿足混凝土運輸罐車雙向行使及150t履帶吊通行（總重≤150t），但禁止混凝土運輸罐車和履帶吊同時在一跨通行；鉆孔平臺根據鋼護筒自重設計滿足100t或150t履帶吊通行、吊裝作業；鋼吊箱圍堰設計滿足抽水后承臺施工的需要。

棧橋、鉆孔平臺結構采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，用分項系數的設計表達式進行設計。結構設計應保證7級風及以下滿足結構自身施工需要，8級風及以下結構處于正常工作狀態，13級風及以下在風荷載、水流力及波浪力等荷載作用下，主體結構具有可靠的安全度，14級風及以下在風荷載、水流力及波浪力等荷載作用下，主體結構不被破壞。

3.4 荷載組合與計算

3.4.1 荷載類型

棧橋恒載主要是棧橋結構自重，按實際取值。棧橋承受的活載包括：汽車荷載公路－Ⅰ級，車輛限速按10km／h考慮，不計汽車沖擊作用荷載；150t履帶吊行駛荷載；管線荷載；行人荷載；風荷載；水流力、波浪力與船舶及漂浮物撞擊荷載等。

鉆孔平臺恒載與棧橋類似，主要是鉆孔平臺的結構自重，按實際取值。鉆孔平臺承受的活載包括：平臺上的沖擊鉆，按每個平臺布置4臺沖擊鉆考慮；150t或100t履帶吊，用于起吊鋼筋籠和鋼護筒；管線及附加荷載；施工人員和機具荷載；風荷載；水流力、波浪力與船舶及漂浮物撞擊荷載；泥漿池荷載，按每個平臺布置4個考慮；廢渣集裝箱荷載，按每個平臺布置4個考慮；儲料斗荷載等。

3.4.2 荷載工況

結構設計計算時綜合考慮以下工況，各種工況下參數的取值見表4。

表4 荷載工況參數取值表

3.4.3 荷載組合與驗算

對棧橋、鉆孔平臺結構的極限狀態，按荷載效應的基本組合進行荷載（效應）組合，并應用邁達斯軟件建模進行驗算。施工狀態下，結構應滿足自身施工過程中的安全；工作狀態下，棧橋和平臺應滿足正常車輛通行的安全和適用性的要求；鋼圍堰應滿足正常水流、波浪、風荷載和施工荷載作用下的安全和適用性的要求，并具有良好的安全儲備；在正常非工作狀態下，棧橋、平臺、鋼圍堰應能滿足整體安全性的要求，在極限非工作狀態下，棧橋、平臺、鋼圍堰主體結構不被破壞。7級風以上應停止棧橋、平臺、鋼圍堰上的吊裝施工作業，8級風以上棧橋、平臺禁止通行、鋼圍堰停止施工。

經檢算，棧橋和鉆孔平臺設計完全滿足施工期各種工況下的需要，結構設計經濟合理、安全可靠。

4 結語

作為國內首座跨海公鐵兩用特大橋，大橋施工面臨諸多難題。大橋跨越條件復雜的海峽區域，橋址處海床面高差起伏大，淺覆蓋層深水基礎共有16個，占全橋水下基礎的29%，還有部分無覆蓋層的高強度光板花崗巖深水基礎。橋位區十年一遇波高2.71m，百年一遇波高4.3m，最大潮差達7m，施工受風、浪、流和臺風的影響大，年有效施工時間僅180d。加之大橋一端的大練島是一個孤島，交通十分不便，當地資源極其缺乏，所有施工資源完全依靠船運。這些都給大橋施工帶了極大的困難和制約。本橋深水基礎施工方案設計緊密結合橋位處現場海域條件，對比鋼護筒的受力方式及鋼管樁結構布置，優化了棧橋和鉆孔作業平臺結構設計，增加棧橋長度使海上施工陸地化，縮短了施工時間，降低了大量施工成本和海上施工風險。

目前，該特大橋棧橋與鉆孔平臺搭設已經完成超過70%，樁基施工完成30%以上，基礎施工的鋼吊箱圍堰已經完成20%；并經受住了2014年7～10月份臺風期的考驗，期間共經歷臺風8個，尤其是經受住了2014年第9號超強臺風“威馬遜”的檢驗，確保了大橋各項施工的順利進行。實踐證明本橋深水基礎施工方案的設計是完全成功的。本方案適用于現場條件復雜的海峽區域，結構設計安全可靠，方案經濟科學，有效減少了施工工序間的干擾，為工程按期完工贏得了時間儲備，取得了良好的經濟效益和社會效益。

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