平潭海峽大橋連續剛構主橋基礎設計

■洪錦祥

(福建省交通規劃設計院，福州 350004)

1 概述

平潭海峽大橋跨越福建省海壇海峽，項目起于福清市的小山東岸，經北青嶼，終于平潭縣的娘宮岸，大橋與省道305順接，路線全長約4976m，其中橋梁總長3510m，主橋560m，引橋2950m。主橋橋型布置如圖1所示，橋跨布置為100+2×180+100m，采用變高度預應力混凝土連續剛構箱梁。大橋按雙向兩車道二級公路設計，設計速度80km/h，橋梁寬度17m，設計荷載為公路—Ⅰ級，地震基本烈度Ⅶ度。橋下通航5000噸級海輪，單孔通航凈空為123×38m，雙孔單向航道。

海壇海峽自然條件惡劣，水深、潮差大、風浪大、夏季多受臺風影響，覆蓋層厚度變化較大，殘積類土及強風化巖厚度及埋深變化也較大，中風化-微風化基巖面除少數地段埋存較淺外，一般均較深，這造成大橋的基礎規模大，設計難度高。

2 主要建設條件

2.1 地形地貌

通航主橋位于海峽主航道所處的沖刷溝槽的槽底平坦段。沖刷溝槽寬800余米，走向近南北向，槽底平坦寬闊，達500余米，海底高程一般為-25～-28m，最深處海底高程為-29.2m。

2.2 地質

主橋區段工程地質條件較復雜，各土層物理力學性質和厚度變化均較大，軟土層分布較厚。

42#墩上部海積層主要為粉砂、亞粘土和粘土，海積層底標高一般分布于-45m附近，基巖強風化層厚度約25m，基巖面起伏變化較大，巖性為凝灰熔巖，局部夾有風化巖核。

43#主墩上部海積層主要為淤泥質粘土、中粗砂、粘土，海積層底標高一般分布于-56m左右，基巖強風化層厚度約10～20m，基巖面標高主要分布在-68～-75m之間，巖性為凝灰熔巖，局部夾有風化巖核。

44#主墩上部海積層主要為含砂淤泥、細砂、粘土、亞粘土，海積層底標高一般分布于-50～-52m之間，基巖風化層厚度約9～17m，巖面起伏大，基巖面標高主要分布在-59～-70m之間，巖性為凝灰熔巖，局部夾有風化巖核。

圖1 平潭大橋連續剛構主橋橋型布置示意圖

45#主墩上部海積層主要為含砂淤泥、細砂、淤泥質粘土、亞粘土，海積層底標高一般分布于-42～-49m之間，基巖風化層厚度較厚，約25m左右，基巖面標高主要分布在-67～-71m之間，巖性為凝灰熔巖，局部夾有直徑近10m的風化巖核。

46#墩上部海積層主要為含砂淤泥、淤泥質粘土、含淤泥砂，海積層底標高一般分布于-41m左右，基巖風化層厚度約10m左右，基巖面標高主要分布在-59～-60m之間，巖性為凝灰熔巖。

根據地質勘察報告：對工程場地穩定性而言，區內發育的構造和巖脈帶不會構成太大影響，但對工程設計施工過程中的工程地質問題應予以考慮；場區海域20m內部分飽和砂類土，在Ⅶ度地震作用下，存在砂土液化現象；場區海域中第四系軟土層淤泥、含砂淤泥，在地震基本烈度為Ⅶ度作用下，局部可能會產生震陷，海域第四系沉積的軟土為欠固結土，樁基設計時應考慮負摩阻力影響。

2.3 氣象

歷年最大風速39m/s，成橋狀態100年重現期基本風速43.3m/s，施工階段20年重現期基本風速38.8m/s；年平均臺風影響次數3.5次(≥8級)。

2.4 水文

工程海域潮位為正規半日潮，設計水位和水文條件見表 1～表 4。

表1 設計高、低水位(單位：m)

表2 主橋設計流速(單位：m/s)

表3 主橋橫橋向設計波浪要素

表4 主橋順橋向設計波浪要素

2.5 沖刷

主橋基礎沖刷深度列于表5。

表5 主橋基礎沖刷深度(單位：m)

2.6 波流力

在波浪和水流共同作用下，主橋42#交界墩和44#主墩基礎所受波流力分別見表6和表7。

表6 42#交界墩波流力計算結果(單位：kN)

表7 44#主墩波流力計算結果(單位：kN)

2.7 船撞力

主橋橋下通航5000T級海輪，單孔雙向通航，主墩和交界墩的船撞力列于表8。

表8 主墩和交界墩船撞力(單位：MN)

3 基礎設計和計算

3.1 基礎設計

平潭海峽大橋主橋基礎受水流和波浪力的影響，且建設條件差、水深、沖刷深，是大橋設計的重點和難點。在保證結構受力需要和滿足構造要求的前提下，設計上以盡量減小基礎尺寸，降低水流和波浪力的影響作為指導原則。

主墩采用鉆孔灌注樁和菱形承臺基礎(圖2)，承臺平面尺寸為34.7m×21.5m，厚5m，另設墩座厚2.5m，封底厚2.0m。樁基布置為22根變直徑鉆孔灌注樁。強風化層以上部分樁基直徑2.8m，強風化層及強風化層以下部分樁基直徑2.5m。交界墩采用鉆孔灌注樁和矩形承臺基礎(圖3)，承臺平面尺寸32.7m×15.9m，厚5m，另設墩座厚2m，封底厚2.0m。樁基布置為15根變直徑鉆孔灌注樁。強風化層以上部分樁基直徑2.8m，強風化層及強風化層以下部分樁基直徑2.5m。

圖2 主墩基礎構造尺寸(單位：cm)

為降低船舶撞擊基礎可能造成的人員傷亡及財產損失程度，主墩、邊墩基礎防撞采用承臺套箱作為防撞消能結構。承臺套箱采用外掛方式與承臺連接，外側安裝橡膠件(圖 4)。

主墩和交界墩，樁頂15m范圍內鋼護筒和樁基共同受力，形成組合受力樁，護筒采用Q345C鋼材，外徑Φ3.0m，壁厚25mm。樁頂15m以下鋼護筒采用Q235B鋼材，護筒壁厚根據穿過土質及護筒壁受力情況合理確定，具體壁厚由施工單位根據工程實際情況合理取用。采取切割鋼護筒的措施來保證鋼護筒頂端深入承臺部分與承臺結合良好。按約30cm間距將鋼護筒切割成最小寬度不小于12cm的條型鋼帶，鋼帶外扳和樁身成15°夾角，每根鋼帶外側焊接2根Φ36mm的HRB400鋼筋。

圖3 交界墩基礎構造尺寸(單位：cm)

圖4 主墩鋼套箱布置(單位：cm)

3.2 基礎計算

根據 《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)[1]和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)[2]規定，分別對短暫狀況、持久狀況和偶然狀況三種設計狀況下順橋向和橫橋向各自的作用效應組合計算并進行相應的極限狀態設計(注：本橋現已運營通車，設計時上述兩本規范尚為有效版)。

短暫狀況考慮最大懸臂階段不均衡施工荷載、20年一遇風荷載、波浪力和水流力參與作用(工況1)。持久狀況不僅考慮常遇風荷載(橋面風速25m/s)、常遇波浪力和常遇水流力參與作用效應組合的工況(工況2)，還考慮百年一遇的風荷載、波浪力和水流力參與的工況(工況3)。由于100年一遇風、浪和流在結構使用期間出現的概率很小，一旦出現其持續的時間也較短，對該工況只進行強度驗算，不進行裂縫寬度驗算。偶然狀況則分別考慮船舶撞擊力(工況4)和地震作用參與作用的工況。其中，地震作用工況考慮了兩級地震水準：50年超越概率10%的地震(E1地震，工況5)和50年超越概率2%的地震(E2地震，工況6)。表9～12分別給出了交界墩和主墩在上述工況作用下墩身和樁基最不利截面的內力及驗算結果，其中，對于工況6作用下樁基的強度也進行了驗算。

表9 交界墩墩身最不利截面驗算

表10 主墩墩身最不利截面驗算

表11 交界墩樁基最不利截面驗算

表12 主墩樁基最不利截面驗算

對于E2地震作用下結構的地震反應分析，需要考慮結構的非線性行為。根據抗震概念設計，連續剛構體系橋梁在E2地震作用下，結構的非線性行為應主要出現在橋墩上。按照抗震設防目標的要求，此時應保證整體結構在大震下不發生嚴重破壞和倒塌，為此，采用截面M-φ分析方法對各橋墩的變形能力(主要是延性)進行驗算，結果列于表13。

表13 工況6各墩變形能力驗算

4 耐久性設計

平潭海峽大橋處于海洋環境中，下部基礎極易遭受風浪、海水鹽度等多種不利因素影響，造成結構損傷，縮短使用壽命。根據橋址區的實際情況，海峽的東面有平潭島，西面有福清小山東半島為屏障，南北口門均有眾多的島嶼掩護，具有一定的掩護條件，但由于橋址處的環境比較惡劣，仍按無掩護條件的海水環境來劃分環境分區：大氣區(高程 7.5m 以上)、浪濺區(高程 7.5～0.1m)、水位變動區(高程 0.1～-4.00 m)及水下區(高程-4.00m 以下)。 設計根據大橋所處環境條件和使用功能要求，對不同部位根據環境不同采取相應的耐久措施：

(1)墩身

采用海工高性能混凝土，增加保護層厚度到75mm，處于浪濺區和水位變動區的墩身采用混凝土表面涂裝并添加阻銹劑，涂層保護年限不小于20年，裂縫寬度按0.1mm控制。

(2)承臺

采用海工高性能混凝土，增加保護層厚度到85mm，采用混凝土表面涂裝并添加阻銹劑，涂層保護年限不小于20年。

(3)樁基

采用海工高性能混凝土，增加保護層厚度到85mm，鋼護筒在施工完成后作為犧牲厚度保護鉆孔樁上段混凝土不被侵蝕，樁頂15mm范圍內鋼護筒采用涂層防腐，涂層保護年限不小于30年，裂縫寬度按0.1mm控制。

5 結束語

平潭海峽大橋跨越海壇海峽，所處的自然條件比較惡劣，下部結構的建設規模較大，應在安全可靠的結構受力和合理的經濟指標之間尋求平衡。本文簡要介紹平潭海峽大橋連續剛構主橋基礎設計的建設條件、設計要點和采取的耐久性措施，并對基礎在各種可能最不利荷載工況作用下的受力進行分析，可供類似工程設計和計算參考。