甬舟鐵路金塘水道雙懸索橋方案共錨碇深水基礎研究

崔苗苗,文望青,嚴愛國,王鵬宇,李桂林

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063； 2.中鐵建大橋設計研究院,武漢 430063)

1 概述

1.1 工程概況

甬舟鐵路可行性研究階段，重點研究了寧波楊公山、經大小黃莽島至舟山金塘島的公鐵合建橋梁方案，跨海段長5.2 km。根據通航安全、防撞合理、技術可行、經濟性等要求，金塘大橋跨越蛟門水道采用主跨1 036 m鋼桁梁懸索橋方案，跨越金塘水道主航道橋推薦采用兩大跨共錨碇鋼桁梁懸索橋方案，主通航孔跨度組成為(112+224+1 050+238+42) m，甬舟港北側深水區跨度組成為(42+238+980+336+84) m(圖1)。

圖1 金塘大橋橋式立面布置(單位：m)

金塘水道區域水深流急、風大浪高、地質及通航條件復雜，科學合理的選擇橋梁基礎方案是本橋的設計關鍵[1-5]。雙懸索橋共用錨碇高64 m，長68 m，寬70 m，錨碇底部的平面尺寸為60 m×60 m，共錨碇基礎受力大，建設條件復雜，設計難度大。

圖2 工程區域附近水下地形示意(單位：m)

1.2 技術標準

甬舟鐵路金塘大橋為雙線鐵路、六車道公路公鐵合建橋梁，其中鐵路標準為客貨共線鐵路，設計速度200 km/h。甬舟高速公路復線為雙向六車道，設計速度100 km/h。

2 建設條件

2.1 海域地形

金塘水道海域海底地形總體上為東低西高，金塘水道窄而深，狹窄處寬度約為3 km，平均高程-50 m，底部剖面呈中部低、兩端高的馬鞍形態，中部最低高程可達-110 m，共錨碇基礎位置水深45 m(圖2)。

2.2 氣象條件

工程區域年平均氣溫16.9 ℃，年極端最高氣溫40.6 ℃，年極端最低氣溫-6.6 ℃。設計最大風速V10=42 m/s，年平均7級以上大風天數53 d，8級以上大風天數18 d。

2.3 海域水文

300年一遇最高潮位+3.92 m，最低潮位-2.69 m；300年一遇最大設計流速3.14 m/s；20年一遇最高潮位+3.19 m，最低潮位-2.41 m，最大設計流速2.98 m/s；百年一遇最大浪高8.89 m。共錨碇墩位處原始海床面高程-45 m，一般沖刷后高程-58.3 m，局部沖刷后高程-79.6 m(沉井基礎)。

2.4 通航及防撞

金塘水道通航代表船型為7萬t級集裝箱船和8萬t級油船，通航尺度為900 m×62.65 m，最高通航水位3.35 m，最低通航水位-2.18 m；共錨碇基礎按照大浦口碼頭10萬t級集裝箱船斷纜飄移標準進行防撞設計，最大船撞力橫橋向為56.3 MN、順橋向為28.15 MN。

2.5 工程地質

根據地質鉆探資料，共錨碇墩位處地層從上至下依次為：流塑狀淤泥，厚約3.4 m；稍密-中密粉土，厚約51 m；密實粉砂厚約2 m；密實中砂，厚約13.5 m；硬塑粉質黏土，厚約1.5 m；全風化凝灰巖，厚約9.1 m；強風化凝灰巖，厚約2.2 m；最底部為弱風化凝灰巖，覆蓋層總厚達82 m。

2.6 地震

抗震設防標準為Ⅶ度，地震動峰值加速度0.10g，基本地震動加速度反應譜特征周期0.35 s。

3 基礎方案比選

共錨碇基礎承受荷載大，根據其受力特點，結合橋址區域水文、地質條件及防撞要求，基礎的選擇應滿足以下條件：滿足必要的剛度要求，能夠有效減小因基礎本身變形而導致散索鞍位置處的變形；基礎受力明確，傳力途徑直接；滿足船撞力和地震力作用下安全要求；可實施性好，投資省[6-12]。結合本工程的自然條件，共錨碇基礎可采用的形式主要有高樁承臺大直徑鉆孔樁基礎、復合基礎和沉井基礎。

3.1 大直徑鉆孔樁方案

本工程持力層埋置較淺且承載力高，樁基礎宜采用柱樁設計。受水深及局部沖刷影響，樁自由長度較長，采用小直徑鉆孔樁，抗水平力較差，為提高基礎整體剛度及經濟性，宜盡可能采用較大直徑鉆孔樁[6]。經調研，目前國內已實施的最大鉆孔樁直徑為4.5 m，可研制適用于凝灰巖地層，能鉆直徑5 m、深度130 m以上鉆孔樁的鉆機，因此，共錨碇樁基礎方案推薦采用直徑5 m鉆孔柱樁，經計算分析該方案需要51根直徑5 m鉆孔樁，梅花形布置，樁間距10 m，樁長132 m，承臺厚9 m，平面尺寸為67.2 m×88.8 m(圖3)。

圖3 大直徑鉆孔樁方案布置(單位：m)

3.2 復合基礎方案

共錨碇基礎位置覆蓋層較厚，可參考希臘里翁一安蒂里翁大橋及伊茲米特海灣大橋采用復合基礎方案，整個基礎主要由預制沉箱、防沖刷層、墊層和打入樁組成。采用559根長49 m、φ2 m、壁厚25 mm的鋼管樁進行地基加固。在鋼管樁上方鋪設3 m厚礫石層(50 cm厚反濾沙層，2 m厚粒徑10～80 cm的鵝卵石層，50 cm厚的碎石層)；φ136 m預制沉箱基礎直接放置在3 m厚礫石層上，基礎和砂礫層間沒有連接(圖4)。

圖4 復合基礎方案布置(單位：m)

3.3 沉井基礎方案

目前常用的沉井截面形式主要有圓形、矩形和圓端形[1-5]，根據上部錨碇的結構形式，分別研究了圓形沉井和矩形沉井。

圖5 圓形沉井方案平面布置(單位：m)

(1)圓形沉井基礎方案。沉井平面外徑75 m，內徑43.4 m(圖5)，鋼沉井段沉井壁厚1.8 m，隔墻厚1.3 m，混凝土沉井段壁厚1.6 m，隔墻厚1.1 m。為方便吸泥取土下沉，周邊均勻布置16個帶倒角扇形大井孔；為方便封底混凝土施工，在沉井中間圓形井孔內布置十字形隔墻[8]，隔墻厚1.3 m。沉井頂高程為3.5 m，沉井底高程為-106.5 m，沉井總高110 m。

(2)矩形沉井基礎方案。沉井平面尺寸為64.8 m×64.8 m，四周倒圓角半徑為5 m(圖6)，鋼沉井段沉井壁厚1.8 m，隔墻厚1.3 m，混凝土沉井段壁厚1.6 m，隔墻厚1.1 m。為方便吸泥取土下沉，沉井平面布置25個11.2 m×11.2 m矩形大井孔，沉井頂高程為3.5 m，沉井底高程為-106.5 m，沉井總高110 m。

3.4 基礎方案比選

對鉆孔樁基礎、復合基礎及沉井基礎方案進行詳細的對比分析，比選結果如表1所示。

圖6 矩形沉井方案平面布置(單位：m)

表1 共錨碇基礎方案比選

復合基礎結構緊湊、剛度大，施工周期較短、風險低，但其防沖刷性能、受力特性等需開展系列專題試驗研究驗證，沉井基礎相對成熟且在結構受力、工程造價、施工工期等方面均優于鉆孔樁基礎方案。圓形沉井和矩形沉井工程造價及施工周期基本相當，考慮到圓形沉井方案對水流適應性好，沖刷深度小。經綜合比較共錨碇基礎推薦采用圓形沉井基礎方案。

4 沉井基礎設計

4.1 沉井持力層選擇

錨碇基礎位置覆蓋層上部為流塑狀淤泥和中密粉土，承載力低，不適合作為基礎持力層。覆蓋層下部為飽和密實中砂，主要礦物成分為石英、長石，含粒徑3～20 mm礫石，個別達到40～60 mm，含量10%～30%，中砂層具有一定厚度且埋深適中，可作為基礎持力層[13-14]。因此最終將沉井持力層選擇在中砂層一定深度處。

4.2 沉井埋深選擇

橋梁基礎建成后長期運營過程中應能經得起海水沖刷的考驗，基礎的埋置深度需全面考慮沖刷的影響，因此沉井基底應在最大沖刷線以下留有一定的富余量，以保障錨碇和上部結構安全。TB10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》規定對于特大橋(或大橋)，屬于技術復雜、修復困難或重要者，基底埋深安全值為3 m加沖刷總深度的10%，根據此條規定基底埋深高程應不大于-80.5 m。

JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》中規定對于特大橋，總沖刷深度大于20 m基底埋深安全值為4 m，根據此條規定基底埋深高程應不大于-78.5 m。

根據鐵路和公路關于沉井基礎最小埋置深度的有關規定，并結合沉井持力層位置和圓形沉井的受力特點，本橋沉井基底高程確定為-106.5 m。

4.3 鋼沉井高度確定

考慮到沉井擬采用船塢制造浮運至橋址位置接高下沉的總體施工方法，沉井采用鋼混組合沉井，下部采用鋼沉井，上部采用混凝土沉井。鋼沉井高度主要依據海床高程、施工潮位、施工沖刷、井壁灌注混凝土并接高一節混凝土沉井后的沉井入土穩定深度而確定[2]，根據此原則計算鋼沉井入土穩定深度并保留一定的干舷高度，鋼沉井總高需62 m。

4.4 沉井結構設計

沉井底面高程為-106.5 m，基底持力層為中砂，為防止船舶撞擊錨碇，沉井頂面位于最高通航水位以上，頂面高程為3.5 m，沉井總高110 m。鋼沉井標準段平面外徑75 m，內徑43.4 m，混凝土沉井標準段平面外徑75 m，內徑43.6 m，為方便吸泥取土下沉，周邊均勻布置16個帶倒角扇形大井孔，井孔外側弧長10.72 m，內側弧長5.73 m，扇徑10.7 m，為方便封底混凝土施工，在沉井中間圓形井孔內布置十字形隔墻，隔墻厚1.3 m，見圖7。

混凝土沉井總高48 m，分為7個節段，標準段高6 m，頂節段高12 m。混凝土沉井標準段壁厚1.6 m，隔墻厚1.1 m。沉井基礎按自身承受船撞力設計，為滿足防撞需要[2-3]，承臺底以下、通航海輪最低吃水深度以上12.3 m范圍內井壁向外側加厚1.4 m。為滿足錨碇基礎構造要求，頂節沉井外徑增大3 m，承臺厚9 m。

鋼沉井10個節段，底節高8 m，其余節段高6 m，標準段鋼沉井井壁厚1.8 m，隔墻厚1.3 m。為減少側壁摩阻力、便于下沉，底節鋼沉井平面外徑較標準節段增加0.4 m。沉井刃腳高1.8 m，刃腳踏面寬0.2 m，內隔墻底面距刃腳底面1.65 m。

封底混凝土厚14 m，為保證封底混凝土和井壁之間的有效聯結，更好傳遞封底混凝土基底反力，將第二節鋼沉井刃腳上方外壁和隔墻斷面設計成下窄上寬的楔形[2]，沉井外壁楔形斷面寬2.4 m，隔墻楔形斷面寬2.5 m。

圖7 沉井結構布置(單位：m)

4.5 主要計算結果

對共錨碇圓形沉井基礎的基底應力及穩定性進行檢算，基礎結構受力均滿足規范要求，主要計算結果如表2所示。

表2 共錨碇沉井基礎主要計算結果

4.6 指導性施工組織

結合橋位附近的建設條件，共錨碇沉井基礎可采用以下總體施工方案：(1)對沉井周圍20 m范圍內海床采用拋填防護層的方法進行預防護[15-17]；(2)鋼沉井在橋位附近船塢內整體制造成型，出塢浮運至橋位[18-19]；(3)利用定位船或錨樁錨碇定位系統精確定位，注水下沉著床至穩定深度[20]；(4)灌注井壁及隔墻內混凝土；(5)沉井吸泥下沉與混凝土接高交替進行，直至沉井刃腳到達設計高程；(6)沉井清孔，封底混凝土灌注；(7)承臺混凝土施工。

5 結語

甬舟鐵路跨越金塘水道，金塘水道主航道橋采用1 050 m+980 m兩大跨共錨碇懸索橋方案，結構新穎，造型美觀，對通航影響較小。共錨碇基礎荷載大，建設環境復雜，是該橋設計的關鍵技術難題，結合共錨碇基礎的建設條件，采用圓形沉井基礎，剛度大、整體性和穩定性好，施工方便、經濟性好，很好地適應了共錨碇基礎水深大、水流急、沖刷深、荷載大等復雜建設環境。