多邊界約束下的鐵路斜拉橋深水基礎優化設計分析

作者簡介：楊萬鵬（1989—），碩士，工程師，研究方向：橋梁工程。

摘要：深水基礎施工時由于受流水壓力和水浮力的作用，風險性很大，且在多因素的耦合下，其施工更為復雜。為了探究此類橋梁深水基礎設計及施工的可行性，文章結合柳梧鐵路盤龍柳江特大橋實例，通過對其深水基礎約束條件進行分析，提出了優化設計方案：承臺基礎采用尖端形形狀，開挖采用靜態裂解工藝，封底混凝土與鋼圍堰接觸面采取增加抗浮措施，從而使該橋深水基礎設計滿足規范要求，施工工期滿足工程計劃工期。

關鍵詞：鋼混結合梁；多邊界；尖端形承臺；靜態裂解；抗浮

中圖分類號：U448.13

0 引言

隨著全國交通網絡的完善，新建鐵路橋梁靠近既有鐵路或既有高速公路的情況將不斷涌現，此類項目在施工及設計中會出現多邊界條件的約束，如通航凈高凈寬的約束、在既有橋梁一定范圍內不得采用爆破工藝、既有橋梁橋墩疊加的綜合阻水比影響、地質復雜情況對深水基礎基坑開挖工藝的影響等^[1-3]。

為了研究靠近既有公路或鐵路橋梁的深水基礎項目設計及施工的可行性，本文對盤龍柳江特大橋深水基礎參數設計進行優化分析，以期為同類項目提供參考。

1 工程概況

盤龍柳江特大橋位于既有柳北高速公路柳江橋下游，二者相距50 m。主橋全長629.012 m，孔跨布置為（51.4+100+326+86.5+63）m鋼-混凝土混合箱梁斜拉橋，為柳梧客運共線鐵路控制性工程。橋址距柳江紅花水利樞紐約84 km，距象州縣城12.8 km，距石龍三江口16 km，距大藤峽水利樞紐（在建）約129 km。通航孔跨度為1×326 m，通航凈寬為280 m，通航凈高為18 m。

兩個主塔下塔柱高度分別為46.5 m、49.5 m，橋塔主墩及承臺采用尖端型構造，20年一遇水位與承臺底高差35 m，按常規的深水基礎圍堰設計，雙壁鋼圍堰高度達40 m。河床覆蓋層為0.7～5 m的卵石土，下為灰巖，巖溶發育。按深水水壓計算的承臺封底混凝土厚度需要6 m。

2 約束條件

2.1 行洪阻水比

阻水比受水流流速、水深及結構物形狀的影響，該橋由于靠近既有柳北高速公路，且僅有50 m的距離，所以在計算阻水比時還需考慮上游既有高速公路橋梁的疊加阻水影響。為了能在疊加阻水比后滿足行洪要求，需在基礎選型時更為嚴格。

深水基礎中，大多數承臺都是采用矩形或圓形，在規范^[4]中行洪阻水比計算受承臺露出河床時形狀系數影響，承臺尖頭時形狀系數最小。

2.2 承臺基坑開挖工藝

該橋基礎承臺嵌入灰巖中，受規范制約不得采用爆破工藝，且在選擇承臺基礎施工工藝時調研發現，常規的850型液壓破碎錘液壓破碎受水深的影響無法作業，大型的液壓破碎機械受通航巷道和水庫匝道影響無法運至橋位處，采用鑿巖棒鑿除施工效率低，滿足不了工期要求。

2.3 地質條件

橋位主河槽處覆蓋層為黏土、細角礫土、卵石土，覆蓋層薄，約為0.7～5 m，巖層中巖體裂隙及溶蝕現象極為發育，充填黏土，多分布于基巖面附近。由于橋位覆蓋層薄且基巖表面溶槽發育，承臺嵌入巖層，在深水中施工極其困難。

2.4 承臺封底厚度

在深水基礎中，為了確保承臺施工時的抗浮要求，封底一般都做得比較厚，如商合杭鐵路蕪湖長江公鐵大橋主橋水深30.6 m，承臺封底厚度為5.4 m；宜昌香溪河大橋主橋^[5]4號橋塔在高水位時水頭差29.32 m，承臺封底厚度為5.0 m，蒙華鐵路洞庭湖特大橋主橋^[6]5號橋塔設計水深19 m，承臺厚度為3.5 m。而該橋圍堰按20年一遇水位設計，水深達約35 m，則按常規的滿足抗浮計算的封底厚度需6 m，這意味著承臺開挖量增加，工期加長。

3 優化設計

3.1 承臺基礎形狀優化

該橋若是采用常規的矩形或圓端形橋墩承臺，自身橋梁的阻水比雖然滿足防洪評價要求，而由于上游柳北高速公路既有橋梁橋墩阻水比的疊加影響，計算出的阻水比不滿足防洪評價的要求。基于此，該橋主墩及承臺形狀采用尖頭型，基礎采用樁基礎，如下頁圖1所示。

經過對橋墩及承臺尺寸和形狀的優化，在5%、1%、0.33%設計頻率洪水條件下，運行期擬建橋梁橋墩基礎與上游50 m處的柳北高速公路盤龍特大橋橋墩基礎的疊加計算綜合阻水比分別為5.18%、5.40%、5.36%。橋址上游水位有所抬升，擬建工程與上游柳北高速公路盤龍柳江特大橋最大綜合壅高值分別為0.038 m、0.049 m和0.056 m，滿足了防洪評價阻水比要求。

3.2 基坑開挖工藝選擇

承臺基坑開挖施工工藝經過綜合比選，結合工期、造價和可行性因素選擇了靜態裂解工藝，基坑開挖工藝比選如表1所示。

由于兩個橋塔在基坑開挖工序中必須在2.5個月內完成，經過調研及對比分析，只有靜態裂解滿足工期要求，且經濟性也最優。

3.3 承臺封底厚度優化

深水基礎中承臺底封底厚度對抗浮起著至關重要的作用，而抗浮既取決于結構及外加的自重，還與封底混凝土與樁基及鋼圍堰底部的摩阻作用有關，抗浮計算根據規范^[7]4.6.1條要求，抗浮安全系數應滿足如下3個公式：

式中：τ₂——鋼圍堰與封底混凝土的粘結力，規范中鋼圍堰與混凝土封底取值為200 kPa。

該橋增加鋼圍堰與封底混凝土的接觸面，把規范^[8]中的抗剪措施運用到本橋深水基礎的抗浮設計中，以增加粘結力，如圖2所示。

優化鋼圍堰與封底混凝土接觸面設計后，不同封底混凝土厚度的抗浮系數及封底混凝土受力如表2所示。

通過比選，承臺封底混凝土厚度選用3.8 m時，圍堰隔艙所需配重、封底混凝土拉應力、承臺基坑開挖工程量都相對較優。

4 結語

本文通過對盤龍柳江特大橋的深水基礎約束條件進行分析，采取了對應的措施對基礎進行優化設計，可為類似靠近既有橋梁的新建橋梁深水基礎工程提供參考：

（1）采用尖頭型承臺及橋墩，對減小綜合阻水比起到很好的效果；

（2）如果水深＞30 m，巖層為灰巖而又不得采用爆破開挖工藝時，可采用靜態裂解工藝，其工效及經濟性都相對較優；

（3）承臺底基巖溶槽發育，可在鋼圍堰與封底混凝土接觸面增加抗滑構造措施以提高抗浮系數，減小承臺封底混凝土厚度及基坑開挖工程量。

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