公鐵合建跨海橋梁裸巖區(qū)深水基礎設計

李桂林 文望青 嚴愛國 王鵬宇 崔苗苗

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.中國鐵建股份有限公司橋梁工程實驗室，武漢 430063）

1 工程概況

一公鐵合建跨海大橋跨越寬4～18 km 水道，采用（1 050+980）m雙懸索橋方案，其中主航道孔跨1 050 m，如圖1 所示。橋下通航區(qū)長900 m，凈空高62.65 m。水下地形北淺南深。

該橋為公鐵分層鋼桁梁懸索橋，節(jié)段鋼桁梁采用全焊接結構。大橋下層為雙線客運專線（兼顧預留開行少量輕快貨物列車的條件），設計車速為250 km/h，設計荷載為ZK 活載，橋梁加載采用牽引質量控制及加載長度控制包絡計算［1-2］；上層為雙向6 車道高速公路，設計荷載為公路-Ⅰ級，設計車速為100 km/h。主橋采用2 根直徑1.301 m 的主纜。主塔為H 形，塔柱為鋼筋混凝土結構，橫梁為X形鋼結構。

小里程側主墩4#墩設置于水深45 m 區(qū)域，基礎工程面臨風大、浪高、水深、流急等多方面技術挑戰(zhàn)，且地質條件特殊，為海域裸巖區(qū)。若采用常規(guī)的樁基方案，則平臺設置、樁基鋼護筒插打難度大。為選擇適用于該深水裸巖區(qū)基礎合理結構形式，本文對4#墩基礎方案進行比選研究。

圖1 跨海大橋立面布置（單位：m）

2 建設條件

2.1 氣象條件

工程區(qū)域年平均氣溫16.9 ℃，極端最高、最低氣溫分別為40.6，-6.6 ℃。設計最大風速40.4 m/s，建議風隨高度的變化系數(shù)（地面粗糙度系數(shù)α）在100 m（含）以下取0.14，100 m 以上取標準值0.12。年平均出現(xiàn)8級和7級大風的天數(shù)分別為18.1，53.3 d。

2.2 水文特點

橋區(qū)海流介于規(guī)則半日潮和不規(guī)則半日潮之間，工程水域具有較強的淺水效應。百年一遇最高、最低潮位分別為+3.65，-2.64 m，最大潮差6.29 m。平均浪高3.74 m，平均周期9.5 s，平均浪長133.5 m。百年一遇最大設計浪高8.65 m，最大設計流速3.27 m/s；20年重現(xiàn)期浪高6.96 m。

2.3 通航及防撞

水道通航代表船形為7 萬t級集裝箱船和8 萬t 級油船。設計最高、最低通航水位分別為3.35，-2.18 m；海港工程設計高水位為2.09 m，設計低水位為-1.42 m。主墩基礎按8 萬t（兼10 萬t）船舶標準進行防撞設計，最大船撞力橫橋向為128.8 MN，順橋向為64.4 MN。

2.4 地質特點

橋址區(qū)出露地層主要為侏羅系上統(tǒng)陸相火山巖系，次為白堊系火山-沉積巖系、燕山晚期和喜馬拉雅期侵入巖，海積平原區(qū)及谷地區(qū)分布有第四系松散地層。橋址區(qū)域主要為強風化及弱風化凝灰?guī)r。4#墩基礎位置原始海床面高程-48 m，無覆蓋層，其地質條件：①上層為強風化凝灰?guī)r，灰黃色、褐紫色、灰青色，凝灰質結構，塊狀構造；主要礦物成分為石英、長石等，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯碎塊狀，局部短柱狀；厚度為6.8～12 m，平均9.4 m；基本承載力［σ0］=400 kPa；②下層為弱風化凝灰?guī)r，褐紫色，熔結凝灰結構，塊狀構造；主要礦物成分為石英、長石等，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖芯呈柱狀，局部呈碎塊狀，錘擊不易碎，未揭穿，［σ0］=2 000 kPa。

3 裸巖區(qū)深水基礎方案比選

沉箱基礎基底需設碎石墊層，基床基本承載力僅為600 kPa，基礎位置基巖的高承載力得不到充分發(fā)揮，故不采用。結合工程區(qū)域水文、氣象等自然條件及橋址處水深、地質情況，4#墩基礎可采用設置沉井基礎、鉆孔樁基礎。

3.1 設置沉井基礎方案

設置沉井基底持力層為弱風化凝灰?guī)r。設置沉井總高65 m，底面、頂面標高分別為-61.5，3.5 m。施工過程中沿高度方向分為9 個節(jié)段，底節(jié)高9 m，其余節(jié)段高7 m。

設置沉井基礎斷面應采用慣性矩較大、核心半徑較大、模板制作簡單的結構形式。因橋塔為門式結構，縱橫向尺寸相差較大，為更好適應橋塔截面，設置沉井基礎可選用圓端形截面或圓環(huán)形截面［3］。

圓端形設置沉井基礎平面尺寸為68.9 m×39.5 m，設2 道順橋向、4 道橫橋向的隔艙，分為15 個井孔，截面布置如圖2所示。

圓環(huán)形設置沉井內、外直徑分別為32，56 m；沿圓環(huán)設置12 道隔艙，分為12 個井孔；標準段內、外側圓環(huán)壁厚分別為1.8，2.0 m，隔墻厚1.3 m，截面布置如圖3所示。

圖2 圓端形設置沉井基礎截面布置（單位：m）

圖3 圓環(huán)形設置沉井基礎截面布置（單位：m）

3.2 鉆孔樁基礎方案

為降低施工難度，樁基礎采用自由長度大的高樁承臺，承臺底距巖面約43 m。樁基礎設計受船撞力控制（橫向船撞力約128.8 MN），須采用大直徑樁孔灌注樁或鋼管復合樁。經比選，采用樁孔直徑為4 m 的灌注樁基礎。樁基布置如圖4所示。

圖4 鉆孔樁基礎截面布置（單位：m）

3.3 方案比選

3種基礎方案的工程量及施工工期比選見表1。

表1 3種基礎方案工程量及工期比選

圓端形設置沉井基礎的特點：①結構緊湊，剛度大，整體性和穩(wěn)定性好，承受水平荷載能力強；②比圓環(huán)形設置沉井基礎縱向尺寸小，承受波流力小；③施工流程相對簡單，臨時輔助工程較少，主要涉及定位船、錨固定位系統(tǒng)等；④滿足同樣承載力的前提下，比樁基礎平面面積小。

圓環(huán)形設置沉井基礎的特點：①施工流程相對簡單，臨時輔助工程較少；②滿足同樣的承載力時，比樁基礎平面面積小；③內環(huán)封底混凝土直徑達30 m，傳力范圍不明確；④平面定位比圓端形設置沉井簡單。

鉆孔樁基礎的特點：①對水下地形、地質條件適應性強；②施工化整為零，風險略小；③施工占用水域范圍小，對航道影響小；④水深較深，地質覆蓋層薄，海上鉆孔平臺施工難度較大；⑤工期長，臨時設施多。

綜上，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(yōu)于鉆孔樁基礎方案。其中圓端形設置沉井縱向尺寸更小，工程區(qū)域對水流適應性更好，沖刷深度更小，基底傳力更為明確。

經綜合比較，對于4#墩基礎，推薦圓端形設置沉井基礎方案。

4 圓端形設置沉井基礎設計

4.1 持力層選擇

4#墩處基巖裸露于海底，巖面縱向傾角約15°，上層強風化凝灰?guī)r厚薄不均，且基本承載力較低。參考國內外經驗并根據地質條件進行計算分析，最終選擇下層的弱風化凝灰?guī)r為設置沉井的持力層，最小嵌巖深度按3 m設計，基礎底部整體嵌入持力層3～13 m。

4.2 海床防沖刷措施

由于設置沉井是直接放置在弱風化凝灰?guī)r層上，其周圍及下方的巖層可能被強潮流沖刷，威脅基礎的穩(wěn)定性，所以必須采取一定的防沖刷措施。國外已實施的采用設置基礎的橋梁防護方案以底濾層+拋石為主［4-6］，回填深度為0.75～12.00 m。根據4#墩處水流及沖刷強度，設計回填深度5 m。

4.3 基坑開挖方案

水下基礎爆破總體施工方案為單層全斷面分區(qū)段分次鉆孔，當日成孔當日一次性爆破，全部爆破后分區(qū)依次清渣。國內外典形裸巖區(qū)設置基礎基坑開挖方案［5］見表2。

4#墩基坑底平面尺寸按總余裕寬度4 m 設計，即基礎平面尺寸分別向外擴展2 m；巖石區(qū)域按1∶0.5放坡；基坑開挖巖石爆破量為52 433 m3。4#墩基礎水下爆破施工基坑如圖5所示。

表2 典形裸巖區(qū)設置基礎基坑開挖方案示例

圖5 4#墩基礎水下爆破施工基坑示意（單位：m）

4.4 設置沉井結構設計

設置沉井鋼殼采用Q355C 鋼；井壁填充和水下封底采用C35 混凝土，沉井蓋板采用C45 混凝土。為方便承臺及橋塔底部在無水狀態(tài)下施工，設置沉井上接8 m 高雙壁鋼圍堰，圍堰頂高程為+11.5 m。承臺厚8 m，封底混凝土厚11 m。

設置沉井標準段鋼沉井井壁厚1.8 m，隔墻厚1.3 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1.8 m。為保證封底混凝土和井壁之間有效聯(lián)結，更好地傳遞封底混凝土基底反力，將第2 節(jié)鋼沉井刃腳上方外壁和隔墻斷面設計成下窄上寬的楔形，沉井外壁楔形斷面寬2.6 m，隔墻楔形斷面寬2.5 m。設置沉井結構布置見圖6。

圖6 圓端形設置沉井結構布置（單位：m）

4.5 基礎結構檢算

4.5.1 荷載工況

4#墩基礎荷載組合工況見表3。其中工況1 為主力工況，工況2—5 為主力+附加力工況，工況6—7 為特殊荷載工況。

表3 4#墩基礎荷載組合工況

4.5.2 穩(wěn)定性檢算

根據TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》［7］第3.1.1—3.1.2 條進行設置沉井基礎的穩(wěn)定性檢算，計算其在不同工況下的傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0和滑移穩(wěn)定系數(shù)Kc，結果見表4。計算時考慮到基底持力層為弱風化凝灰?guī)r，摩擦因數(shù)取0.6。

表4 設置沉井基礎穩(wěn)定性計算結果

根據 TB 10093—2017，K0和Kc限值分別為 1.5，1.3。由表4可知，設置沉井基礎使用階段的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4.5.3 地基承載力檢算

計算各工況下設置沉井基底應力的最大值σmax和最小值σmin，并與該工況下的容許承載力［σ］對比，結果見表5。計算時不考慮井壁四周巖體對設置沉井基礎的嵌固有利作用［7-9］，按擴大基礎計算。

由表5 可知，各工況下基底承受的最大應力均小于該工況下的容許承載力，且未出現(xiàn)基底受拉脫空產生應力重分布的情況，滿足規(guī)范要求。

表5 設置沉井基底應力計算結果

4.5.4 抗浮檢算

在封底及井壁混凝土灌注完成而蓋板混凝土尚未灌注時，檢算此時的沉井抗浮安全系數(shù)，結果為1.55，大于1；鋼沉井偏心距檢算由極限橫風工況控制，e/ρ（合力偏心矩/基底截面核心半徑）為0.939，小于1.500。抗浮檢算結果滿足TB 10093—2017要求。

4.6 鋼沉井浮運

滿足鋼沉井整體拼裝的船廠距離橋址約35 km，途經2座大橋，其通航凈高分別為51.0，49.5 m。無任何措施的情況下鋼沉井浮運干舷高度為42 m，考慮潮汐波浪等因素，實施過程中可采取灌注底節(jié)混凝土、真空加壓等措施調整鋼沉井干舷高度，整體運輸條件滿足要求。

浮運過程中在牽引力、風力等作用下，鋼沉井浮心處產生彎矩，發(fā)生傾斜。為保證安全托運，要求傾斜后鋼沉井頂面露出水面0.5～1.0 m，傾斜角度不應大于6°。施工過程中須結合實際牽引力、風力等進行檢算［10］，將鋼沉井安全浮運至橋址位置。

4.7 指導性施工組織方案

施工順序：①鋼沉井于船塢內拼裝；②采用鉆爆法進行基坑水下爆破，使其整體成形；③基坑水下清渣完成后，對基底進行整平施工，并將鋼沉井運輸至墩位附近進行臨時錨泊；④進行基坑槽驗收；⑤將鋼沉井溜放至墩位處，采用錨碇系統(tǒng)進行初步定位，注水下沉，精確定位后著床；⑥沿鋼沉井外周圍拋石回填，澆筑柱體部分井壁混凝土；⑦最后施工箱蓋板。

5 結語

一公鐵合建跨海大橋采用（1 050+980）m 雙懸索橋方案，結構新穎，造形美觀，對通航影響較小。主通航孔橋小里程側橋塔基礎位于裸巖區(qū)，建設環(huán)境復雜，是該橋設計的關鍵技術難題。從結構受力、施工、經濟性等方面對圓端形設置沉井基礎、圓環(huán)形設置沉井基礎、鉆孔樁基礎方案比較，推薦采用圓端形設置沉井基礎。圓端形設置沉井基礎剛度大、整體性和穩(wěn)定性好，施工方便、經濟性好，很好的適應了裸巖區(qū)、水深大、水流急、沖刷深、荷載大等復雜建設環(huán)境。