北沿江公鐵兩用特大橋主塔基礎設計研究

唐斌

中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢430050

1 工程概況

北沿江公鐵兩用特大橋是滬渝蓉高速鐵路的控制性工程，雙向6車道，設計車速100 km/h。跨中設置變坡點，兩側采用6‰的對稱人字縱坡，考慮通航、水文及河道沖刷，其中主通航孔橋跨徑布置為（111.4+172+400+197+111.4）m，橋長991.8 m［1］。主通航孔橋為主跨400 m雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋，鐵路橋面采用無砟軌道結構體系，為國內外首次采用最大跨度無砟軌道結構的公鐵兩用斜拉橋，也是鋪設無砟軌道最大跨度的斜拉橋，主通航孔橋立面布置見圖1。

圖1 主通航孔橋立面布置（單位：m）

主塔基礎場區勘探深度范圍內無基巖，河床表層為松散粉砂，屬可液化砂土，局部地段為淤泥、可塑狀粉質黏土，該層厚度多在7～11 m；中上部主要為淤泥質粉質黏土，軟塑狀淤泥、稍密狀粉土及中密狀粉砂呈透鏡體狀分布其中，該層厚度為35～62 m；表層、中層承載力低，壓縮性高，工程性質差。中下部主要為密實砂層，局部夾軟塑狀粉質黏土透鏡體，該層厚度在75～85 m，分布廣泛、穩定，中等偏低壓縮性，承載力較高，是較好的基礎持力層。

橋址年平均溫度15.1℃，極端最低、最高氣溫分別為-12.1、40.2℃。100年一遇10 m高度處設計風速V10＝41.1 m/s，設計最低、最高通航水位分別為-2.15、4.38m。300年一遇最低、最高水位分別為-2.44、5.31 m。最大船撞力橫橋、順橋向分別為34.10、17.05 MN。3#墩一般沖刷后高程-14.67 m，局部沖刷后高程-39.9m；4#墩一般沖刷后高程-22.6 m，局部沖刷后高程-33.47 m。抗震設防標準為Ⅶ度。

該橋具有跨度大、荷載重等特點，橋塔基礎穿越土層較多，橋梁基礎無基巖，橋塔基礎設計、施工難度較大。

2 橋塔基礎方案比選

沉井基礎為整體剛性基礎［2-4］，整體性強、剛度大、穩定性優良，承載面積大，能承受較大的豎向荷載和水平荷載，結構受力性能較好。鉆孔樁基礎是橋梁深水基礎的常用形式。樁基進入地基較深，承載力可靠，樁基有較大的豎向剛度，沉降較小，低樁承臺群樁抵抗較大水平力能力較強，且樁長適應范圍廣。

主通航孔橋區域河床表層為厚度7～11 m的松散粉砂，其下為厚度35～62 m的淤泥質粉質黏土，再下面為厚度75～85 m的密實砂層。因表層松散粉砂和淤泥質粉質黏土的土體工程性質較差，而可作為持力層的密實砂層埋深較深。

經研究，主墩墩位處較適宜選用的基礎形式為鉆孔灌注樁基礎、沉井基礎。結合該橋建設條件，在進行橋塔基礎設計研究時，從地質和水文狀況的適應性、基礎受力的合理性、工程造價、施工難易程度、工期、環境的影響等方面，對沉井和鉆孔樁基礎進行綜合計算分析［5］。

2.1 沉井基礎方案

對于沉井基礎方案，采用圓端形鋼殼混凝土沉井［6］，圓端形截面輪廓有利于控制下沉和適應水流沖刷。沉井標準平面外輪廓尺寸為62 m×38 m（橫橋向×縱橋向）。為滿足橋梁阻水率要求，沉井頂面標高置于河床面以下-8.0 m，底面標高為-70.0 m，基礎持力層為飽和、密實的中砂。沉井整體總高度為62 m，其中鋼沉井高度為52 m，鋼筋混凝土段高度為10 m。承臺厚度6.0 m，塔座高度3.0 m。根據通航要求，沉井頂面須在河床面以下，沉井承臺須要做圍堰來進行施工，增加了工程量。主塔沉井基礎結構見圖2。

圖2 主塔沉井基礎結構（單位：cm）

對沉井基礎進行基底應力、下沉穩定性、抗浮穩定性、傾覆和滑動穩定系數的整體計算，同時進行刃腳外彎、刃腳內彎、刃腳根部及墻身、封底等局部受力驗算。經檢算，沉井滿足TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》［7］的受力要求，因此采用沉井基礎方案具有一定的可行性。

2.2 鉆孔樁基礎方案

該橋塔基礎須承受較大的水平荷載，若采用鉆孔樁基礎，單樁須具有較強的豎向及水平承載能力，因此鉆孔樁應盡量采用較大的樁徑［8］。對主墩基礎進行計算比選，選取φ2.2、φ2.5、φ2.8 m三種不同的方案進行分析，結果見表1。可知，φ2.5 m樁基礎方案的經濟性最優，而且其樁數少、樁徑大，更有利于保證施工工期和施工質量，主塔基礎推薦采用φ2.5 m方案，即方案二。

表1 鉆孔樁基礎方案比選

橋梁深水樁基礎是深水基礎中最為經濟的基礎形式。其承載力高，沉降變形小，能較好地適應復雜地質條件。橋梁上部結構的荷載通過樁基礎傳遞至很深的持力層上，受力明確，施工設備簡單、輕便、易于操作、造價較低。φ2.5 m大直徑鉆孔樁是目前國內外深水橋梁普遍采用的一種基礎形式，近年來在武漢青山長江大橋、武漢長江二橋等公路橋上已有成熟應用。

根據TB 10093—2017，鉆孔灌注摩擦樁的軸向受壓容許承載力為

式中：P為樁的容許承載力；U為樁身截面周長；fi為各土層的極限摩阻力；li為各土層厚度；m0為樁底支承力折減系數；A為樁底支承面面積；[σ]為樁底地基上的容許承載力。

根據式（1）進行檢算，主力、主力+附加力、主力+特殊荷載各種工況最不利單樁豎向承載力計算結果見表2。

表2 各工況下最不利單樁豎向承載力

由表2可知：采用φ2.5 m鉆孔樁基礎，各荷載工況最不利組合單樁豎向承載力小于容許承載力，可滿足TB 10093—2017受力要求。

2.3 方案比選

對樁基礎推薦方案二與沉井基礎方案從工程量、施工難度與風險、經濟性三方面進行充分比選，比較結果見表3。可見，樁基礎方案工期可控，工程量最省，經濟性較好，故推薦采用φ2.5 m鉆孔灌注樁基礎。

表3 主墩基礎方案綜合比選

3 橋塔基礎結構設計

主塔基礎采用整體式承臺配大直徑鉆孔樁基礎。3#、4#主塔基礎采用74-φ2.5 m鉆孔灌注樁，樁長130 m，樁基礎平面按照行列式和梅花形組合布置，基準樁間距6.25 m。承臺按照圓端形設計，厚度為6.5 m，承臺平面見圖3。

圖3 承臺平面（單位：cm）

4 橋塔基礎施工方案

橋塔基礎采用先架設鉆孔平臺施工鉆孔樁，然后采用鋼套箱圍堰施工承臺的施工方案。具體步驟如下：

①鉆孔樁施工完成后在平臺上安裝雙壁鋼套箱圍堰。

②接高支承鋼護筒并安裝吊掛系統。

③圍堰吊掛在支承鋼護筒上下放并取土下沉至設計標高。

④清基、水下灌注封底混凝土。

⑤抽水進行承臺施工。承臺施工時應采取布設冷卻管或其他有效措施以降低混凝土的水化熱，并加強養護，避免混凝土產生收縮裂縫，并注意橋塔預埋鋼筋的埋設。

5 結論

本文以北沿江公鐵兩用特大橋主塔基礎為工程背景，對主塔基礎結構設計進行了方案研究。得到以下主要結論：

1）橋址區存在的特殊性巖土主要為軟土及松軟土。軟土、松軟土天然含水量高，孔隙比大，強度低，壓縮性高且具有流變性和觸變性，工程性能差，建設條件惡劣。通過對沉井和樁基方案進行比選，推薦北沿江公鐵兩用特大橋主塔基礎均采用樁基方案。

2）根據該橋的氣象、水文、地質等建設條件，考慮基礎結構受力、經濟性以及施工便利性等方面，經不同樁徑基礎比選后，推薦受力性能好、經濟性優、施工工期短且技術相對成熟的φ2.5 m鉆孔樁基礎方案。

3）北沿江公鐵兩用特大橋具有跨度大、基礎水深、覆蓋層厚、沖刷深度大、地質條件復雜的特點，主塔樁基礎主力、主力+附加力、主力+特殊荷載各工況最不利組合單樁豎向承載力小于容許承載力，滿足規范受力要求。

4）該橋選擇了經濟、技術合理的樁基礎方案，有效地減小了橋梁基礎規模，控制了高速鐵路橋梁基礎沉降，節約了施工工期，對大跨度橋梁深水基礎超長鉆孔樁設計和施工具有指導意義。