何錦章

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西高速公路投資有限公司，廣西 南寧 530021）

隨著國(guó)內(nèi)跨海通道建設(shè)的提速，跨越海峽的大跨徑橋梁也越來(lái)也多，而跨海橋梁施工的重難點(diǎn)在水下部分，即深水基礎(chǔ)的施工。尤其是在海域條件復(fù)雜，橋位處海床面極不平整，高差起伏大，覆蓋層不均，或淺覆蓋層，甚至是裸巖基底的情況下，水下基礎(chǔ)施工難度極大，其施工方案設(shè)計(jì)已成為制約跨海橋梁建設(shè)成敗的關(guān)鍵因素。

0 引言

國(guó)內(nèi)東南沿海某跨海大橋?yàn)楣F兩用特大橋，跨越某海峽北東口海域。鐵路部分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)鐵I級(jí)雙線鐵路橋，設(shè)計(jì)旅客列車最高行車速度為200km／h，限制坡度為13‰，電力牽引，牽引質(zhì)量3 000T；公路部分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向6車道高速公路，設(shè)計(jì)行車速度100km／h，設(shè)計(jì)荷載公路－Ⅰ級(jí)，公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度35.5m。大橋全長(zhǎng)3 712m，公鐵主跨均采用92m＋2×168m＋92m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，其余橋跨鐵路為64m、40m簡(jiǎn)支梁；公路左右幅各5聯(lián)連續(xù)箱梁，孔跨與鐵路簡(jiǎn)支梁跨度相對(duì)應(yīng)。全橋59個(gè)墩臺(tái)中55個(gè)為水中墩臺(tái)，樁基最大水深達(dá)42m；26＃～55＃墩位于深水區(qū)，為高樁承臺(tái)，27?！?2＃墩覆蓋層平均僅為1～2m的超淺覆蓋層，海床面高差起伏約5m，43?！?6＃墩無(wú)覆蓋層高強(qiáng)度光板花崗巖裸巖基底，海床面高差起伏達(dá)8m，見圖1。

圖1 橋位區(qū)覆蓋層分布示意圖

1 施工條件概述

橋位區(qū)風(fēng)大、浪高、流急，航運(yùn)繁忙，施工受風(fēng)、浪、流、航運(yùn)和臺(tái)風(fēng)的影響大，工程建設(shè)的組織和安全控制難度極高，特別是施工棧橋及鉆孔樁施工平臺(tái)的搭設(shè)，鋼護(hù)筒的沉放，以及鉆孔樁施工過(guò)程中棧橋與鋼平臺(tái)的整體穩(wěn)定性和安全性要求極高。

1.1 水文條件

該項(xiàng)目施工期按5年考慮，施工方案設(shè)計(jì)時(shí)棧橋與鉆孔平臺(tái)等大型臨時(shí)設(shè)施均按5年正常使用期進(jìn)行設(shè)計(jì)，相應(yīng)水文條件分析論證時(shí)主要參考5年期的數(shù)據(jù)。

橋位海域潮型屬正規(guī)半日潮，漲潮歷時(shí)平均為5h59min左右，落潮平均為6h26min左右，海峽內(nèi)海流呈往復(fù)流形態(tài)。橋位處設(shè)計(jì)年極值高潮位最大值為4.88m，對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期為300a，頻率為0.33%；最小值為3.79m，對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期為2a，頻率為50%；重現(xiàn)期5a對(duì)應(yīng)的高潮位值為4.02m，頻率為20%。設(shè)計(jì)年極值低潮位為－3.89m，重現(xiàn)期為2a時(shí)頻率為50%；重現(xiàn)期為5a時(shí)頻率為20%（潮位基準(zhǔn)面采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)面）。

根據(jù)地方海洋站1988－2008年逐年最大天文潮差資料和波浪資料分析報(bào)告，橋址處2a重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的潮差南岸為6.38m，北岸為6.54m，頻率為50%；5a重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的潮差南岸為6.52m，北岸為6.69m，頻率為20%。

根據(jù)橋址附近5個(gè)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，橋位水域百年一遇設(shè)計(jì)流速值在1.69～3.09m之間，平均設(shè)計(jì)流速為2.388m。橋位水域百年一遇設(shè)計(jì)波浪要素參見本項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)文件和指導(dǎo)性施工組織設(shè)計(jì)。

1.2 地質(zhì)條件

大橋部分墩位處典型地質(zhì)情況見表1。

1.3 氣象條件

根據(jù)橋位處地方氣象和海洋部門常年觀測(cè)積累的數(shù)據(jù)，橋位處登陸及影響區(qū)域的臺(tái)風(fēng)主要出現(xiàn)在6～9月份，年平均3.8次；超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)力＞16級(jí)，風(fēng)速＞51m／s）年登陸次數(shù)為0.6次；橋位處大風(fēng)天氣主要集中在10月至次年2月，其中：6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)為309d，7級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)為234d，8級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)為123d，9級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)為35d。橋位處平均浪高為2.7m，歷史曾現(xiàn)最大浪高為16m。

表1 部分墩位處典型地質(zhì)情況表

2 施工方案設(shè)計(jì)

根據(jù)橋位處施工條件及通航需要，擬定B39?！獴41＃墩采用獨(dú)立鉆孔平臺(tái)進(jìn)行施工，B42?！獴56＃墩采用棧橋加鉆孔平臺(tái)的施工方案。

2.1 鉆孔平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

鉆孔平臺(tái)采用鋼管樁組成支撐體系，根據(jù)水深采用不同直徑的鋼管樁，水深35m以上采用φ2 000×22mm鋼管、水深25m以上采用φ1 700×18mm鋼管、水深18m以上采用φ1 420×16mm鋼管、水深18m以下采用φ1 200×14mm鋼管；鋼管樁間采用連接系縱橫連接；鋼管樁頂設(shè)置橫梁，橫梁上放置鐵建特種桁梁作為主梁，主梁上鋪設(shè)分配梁，分配梁頂鋪設(shè)花紋鋼板形成整體平臺(tái)結(jié)構(gòu)。鋼護(hù)筒下放完后，鋼護(hù)筒之間采用φ1 020×10mm鋼管連接成整體確保鋼護(hù)筒的穩(wěn)定性。鉆孔平臺(tái)需滿足吊放插打鋼護(hù)筒、旋轉(zhuǎn)鉆成孔、吊放鋼筋籠、樁基混凝土灌注等施工作業(yè)。設(shè)置原則圍繞承臺(tái)邊線形成作業(yè)平臺(tái)供100t履帶吊行駛及作業(yè)，見圖2～3。

圖2 獨(dú)立鉆孔平臺(tái)與棧橋＋平臺(tái)鉆孔平臺(tái)平面布置圖（單位：mm）

圖3 鋼護(hù)筒連接布置圖（獨(dú)立平臺(tái)）

2.2 鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要由平臺(tái)鋼管樁、樁間連接系、樁頂橫梁、鐵建特種桁梁主梁、平臺(tái)面板等組成。在每個(gè)承臺(tái)橫軸線兩側(cè)分別設(shè)置兩排鋼管樁，鋼管樁之間縱橫向間距為8 000mm，橫軸線兩側(cè)鋼管樁采用鐵建特種桁梁一跨跨越，跨越間距根據(jù)承臺(tái)順橋向的寬度控制，兩側(cè)鋼管樁中側(cè)內(nèi)排中心與承臺(tái)邊緣線的間距≥2 000mm。鋼管樁插打完成后，在鋼管樁內(nèi)沖孔施工混凝土錨樁。采用直徑φ630×10mm鋼管和雙枝［］40a槽鋼組拼成整體作為樁間連接系。樁頂橫梁采用三枝HN600×200mm H型鋼，主梁采用鐵建特種桁梁，分配梁采用工20b，面板采用δ＝10mm花紋鋼板，見圖4。

圖4 鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)布置圖（單位：mm）

根據(jù)鉆孔平臺(tái)所在墩位處地質(zhì)條件及49＃墩試樁情況，上述基礎(chǔ)處鋼管樁插打深度均無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此方案設(shè)計(jì)在鋼管樁內(nèi)增設(shè)錨固樁，以確保鋼管樁的穩(wěn)定性。鋼管樁選用及錨固深度見表2。

表2 鉆孔平臺(tái)鋼管樁選用及錨固深度表

2.3 棧橋總體設(shè)計(jì)

橋位處風(fēng)向與洋流方向?yàn)橛杀毕蚰希C合考慮靠船舶通航、施工船只通行、墩身施工時(shí)棧橋上行人及車輛安全，將棧橋布設(shè)于橋位北側(cè)；同時(shí)，為滿足鋼圍堰沉放作業(yè)要求和鉆孔平臺(tái)的布置，棧橋中心至橋中心線距離設(shè)置為30m。為保證施工的便利性，在主棧橋上沿每個(gè)橋墩兩側(cè)引申布設(shè)支棧橋，用作主橋橋墩鋼護(hù)筒沉放施工時(shí)吊機(jī)作業(yè)站位點(diǎn)，見圖5～6。

圖5 棧橋平面布置圖（單位：mm）

圖6 棧橋側(cè)向布置圖（單位：mm）

2.4 棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因橋址處水深大，漲落潮引起的水流力、波浪力對(duì)棧橋結(jié)構(gòu)及棧橋施工影響大，故在棧橋設(shè)計(jì)時(shí)，下部結(jié)構(gòu)采用大直徑鋼管樁，上部結(jié)構(gòu)采用鐵建特種桁梁，以加大棧橋跨度，減少水中基礎(chǔ)。

棧橋上部承重結(jié)構(gòu)采用鐵建特種桁梁，橫向布置12片，間距為3×0.45＋5×0.9＋3×0.45＝7.2m，為增強(qiáng)棧橋的橫向穩(wěn)定性和整體性，設(shè)計(jì)時(shí)將棧橋鋼管樁與鉆孔鋼平臺(tái)相連，在樁基施工完成后，鉆孔鋼平臺(tái)靠近棧橋側(cè)的最外排鋼管樁不拆除，保證在后期棧橋使用過(guò)程中棧橋的橫向穩(wěn)定。為保證棧橋能滿足150t履帶吊通行或兩輛混凝土運(yùn)輸車錯(cuò)車，棧橋總寬度設(shè)計(jì)為8.5m＝8m（橋?qū)挘?.5m（水管、泵管區(qū)），墩位處支棧橋和材料堆放小平臺(tái)亦設(shè)計(jì)可以臨時(shí)錯(cuò)車。

根據(jù)鉆孔平臺(tái)所在墩位處地質(zhì)條件及49＃墩試樁情況，上述基礎(chǔ)處鋼管樁插打深度均無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此方案設(shè)計(jì)在鋼管樁內(nèi)增設(shè)錨固樁，以確保鋼管樁的穩(wěn)定性。故在進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層后，棧橋下部結(jié)構(gòu)采用同鉆孔平臺(tái)一樣的錨固樁。

為控制棧橋頂在施工過(guò)程中樁頂位移≤H／400，棧橋在不同水深處采用不同直徑鋼管樁及錨固樁，各個(gè)墩位處鋼管樁選用及錨固樁情況見表3。

表3 棧橋鋼管樁選用及錨固樁表

2.5 棧橋輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

棧橋欄桿按現(xiàn)行安全規(guī)范設(shè)置，立柱采用12＃槽鋼，上下三層橫桿采用φ48×3.5mm鋼管從立柱中穿過(guò)，立柱間距根據(jù)單塊橋面板縱橋向?qū)挾劝?m設(shè)置。

棧橋橋面板設(shè)計(jì)為C30鋼筋混凝土橋面板，尺寸為（8×2×0.2）m，在每塊橋面板的底部?jī)蛇咁A(yù)埋件上焊接20cm長(zhǎng)的等邊∠63角鋼橫向限位，主梁上鋪一層寬25cm、厚10mm膠皮，再放置橋面板，橋面板與主梁豎向不連接。橋面板縱向不設(shè)置安裝間距，安裝時(shí)將橋面板順序擺放，用鋼板將相鄰兩塊板的預(yù)埋件焊接固定。但橋面板構(gòu)造上預(yù)留有泄載縫，防止波浪頂托。水管、泵管不設(shè)置在橋面板上，通過(guò)在橋面板一側(cè)焊接懸臂型鋼，將水管、泵管布置于欄桿外側(cè)的懸臂型鋼上。

棧橋位于海水區(qū)域，區(qū)域海水浪高流急，設(shè)計(jì)采取措施進(jìn)行鋼管樁防腐，涂裝范圍為海床面底2m以上。涂裝標(biāo)準(zhǔn)為：一道環(huán)氧富鋅底漆涂層，厚度60μm；兩道環(huán)氧（云鐵）漆中間涂層，厚120μm；兩道丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆，厚80μm。除采取防腐涂裝外，棧橋管樁在計(jì)算時(shí)考慮2mm銹蝕量及負(fù)公差。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

3.1 標(biāo)高計(jì)算

3.1.1 棧橋、鉆孔平臺(tái)頂標(biāo)高

式中：H——棧橋、平臺(tái)頂標(biāo)高（m）；

h1——20年重現(xiàn)期5%高水位（根據(jù)相關(guān)水文資料取4.33m）；

h2——50年重現(xiàn)期5%波高（根據(jù)相關(guān)水文資料取4.3m）；

h3——上部結(jié)構(gòu)高度（m）；

h4——預(yù)留安全高度（取1.0m）。

上部結(jié)構(gòu)高度h3：

棧橋：h3＝2.14（鐵建特種桁梁）＋0.01（膠皮厚度）＋0.2（橋面板厚）＝2.35m；

鉆孔平臺(tái)：h3＝2.14（鐵建特種桁梁）＋0.2（分配梁）＋0.01（面板厚）＝2.35m。

3.1.2 鋼吊箱圍堰頂標(biāo)高

式中：H——鋼吊箱圍堰頂標(biāo)高（m）；

h1——10年一遇高水位，取4.18m；

h2——10年一遇波高，取2.71m；

h3——預(yù)留安全高度，取1.0m。

3.2 鋼管樁壁厚計(jì)算

鋼管樁設(shè)計(jì)使用年限為5年，鋼管樁計(jì)算壁厚包括有效厚度和預(yù)留腐蝕厚度。有效厚度為管壁在外力作用下所需要的厚度，滿足強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性驗(yàn)算；預(yù)留腐蝕厚度為建筑物在使用年限內(nèi)管壁腐蝕所需要的厚度。鋼管樁壁厚計(jì)算時(shí)，使用期管壁計(jì)算厚度應(yīng)取有效厚度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考慮計(jì)算厚度＝設(shè)計(jì)壁厚－1mm。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

棧橋設(shè)計(jì)應(yīng)滿足混凝土運(yùn)輸罐車雙向行使及150t履帶吊通行（總重≤150t），但禁止混凝土運(yùn)輸罐車和履帶吊同時(shí)在一跨通行；鉆孔平臺(tái)根據(jù)鋼護(hù)筒自重設(shè)計(jì)滿足100t或150t履帶吊通行、吊裝作業(yè)；鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)滿足抽水后承臺(tái)施工的需要。

棧橋、鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證7級(jí)風(fēng)及以下滿足結(jié)構(gòu)自身施工需要，8級(jí)風(fēng)及以下結(jié)構(gòu)處于正常工作狀態(tài)，13級(jí)風(fēng)及以下在風(fēng)荷載、水流力及波浪力等荷載作用下，主體結(jié)構(gòu)具有可靠的安全度，14級(jí)風(fēng)及以下在風(fēng)荷載、水流力及波浪力等荷載作用下，主體結(jié)構(gòu)不被破壞。

3.4 荷載組合與計(jì)算

3.4.1 荷載類型

棧橋恒載主要是棧橋結(jié)構(gòu)自重，按實(shí)際取值。棧橋承受的活載包括：汽車荷載公路－Ⅰ級(jí)，車輛限速按10km／h考慮，不計(jì)汽車沖擊作用荷載；150t履帶吊行駛荷載；管線荷載；行人荷載；風(fēng)荷載；水流力、波浪力與船舶及漂浮物撞擊荷載等。

鉆孔平臺(tái)恒載與棧橋類似，主要是鉆孔平臺(tái)的結(jié)構(gòu)自重，按實(shí)際取值。鉆孔平臺(tái)承受的活載包括：平臺(tái)上的沖擊鉆，按每個(gè)平臺(tái)布置4臺(tái)沖擊鉆考慮；150t或100t履帶吊，用于起吊鋼筋籠和鋼護(hù)筒；管線及附加荷載；施工人員和機(jī)具荷載；風(fēng)荷載；水流力、波浪力與船舶及漂浮物撞擊荷載；泥漿池荷載，按每個(gè)平臺(tái)布置4個(gè)考慮；廢渣集裝箱荷載，按每個(gè)平臺(tái)布置4個(gè)考慮；儲(chǔ)料斗荷載等。

3.4.2 荷載工況

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)綜合考慮以下工況，各種工況下參數(shù)的取值見表4。

表4 荷載工況參數(shù)取值表

3.4.3 荷載組合與驗(yàn)算

對(duì)棧橋、鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，按荷載效應(yīng)的基本組合進(jìn)行荷載（效應(yīng)）組合，并應(yīng)用邁達(dá)斯軟件建模進(jìn)行驗(yàn)算。施工狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足自身施工過(guò)程中的安全；工作狀態(tài)下，棧橋和平臺(tái)應(yīng)滿足正常車輛通行的安全和適用性的要求；鋼圍堰應(yīng)滿足正常水流、波浪、風(fēng)荷載和施工荷載作用下的安全和適用性的要求，并具有良好的安全儲(chǔ)備；在正常非工作狀態(tài)下，棧橋、平臺(tái)、鋼圍堰應(yīng)能滿足整體安全性的要求，在極限非工作狀態(tài)下，棧橋、平臺(tái)、鋼圍堰主體結(jié)構(gòu)不被破壞。7級(jí)風(fēng)以上應(yīng)停止棧橋、平臺(tái)、鋼圍堰上的吊裝施工作業(yè)，8級(jí)風(fēng)以上棧橋、平臺(tái)禁止通行、鋼圍堰停止施工。

經(jīng)檢算，棧橋和鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)完全滿足施工期各種工況下的需要，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

作為國(guó)內(nèi)首座跨海公鐵兩用特大橋，大橋施工面臨諸多難題。大橋跨越條件復(fù)雜的海峽區(qū)域，橋址處海床面高差起伏大，淺覆蓋層深水基礎(chǔ)共有16個(gè)，占全橋水下基礎(chǔ)的29%，還有部分無(wú)覆蓋層的高強(qiáng)度光板花崗巖深水基礎(chǔ)。橋位區(qū)十年一遇波高2.71m，百年一遇波高4.3m，最大潮差達(dá)7m，施工受風(fēng)、浪、流和臺(tái)風(fēng)的影響大，年有效施工時(shí)間僅180d。加之大橋一端的大練島是一個(gè)孤島，交通十分不便，當(dāng)?shù)刭Y源極其缺乏，所有施工資源完全依靠船運(yùn)。這些都給大橋施工帶了極大的困難和制約。本橋深水基礎(chǔ)施工方案設(shè)計(jì)緊密結(jié)合橋位處現(xiàn)場(chǎng)海域條件，對(duì)比鋼護(hù)筒的受力方式及鋼管樁結(jié)構(gòu)布置，優(yōu)化了棧橋和鉆孔作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加棧橋長(zhǎng)度使海上施工陸地化，縮短了施工時(shí)間，降低了大量施工成本和海上施工風(fēng)險(xiǎn)。

目前，該特大橋棧橋與鉆孔平臺(tái)搭設(shè)已經(jīng)完成超過(guò)70%，樁基施工完成30%以上，基礎(chǔ)施工的鋼吊箱圍堰已經(jīng)完成20%；并經(jīng)受住了2014年7～10月份臺(tái)風(fēng)期的考驗(yàn)，期間共經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)8個(gè)，尤其是經(jīng)受住了2014年第9號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”的檢驗(yàn)，確保了大橋各項(xiàng)施工的順利進(jìn)行。實(shí)踐證明本橋深水基礎(chǔ)施工方案的設(shè)計(jì)是完全成功的。本方案適用于現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜的海峽區(qū)域，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠，方案經(jīng)濟(jì)科學(xué)，有效減少了施工工序間的干擾，為工程按期完工贏得了時(shí)間儲(chǔ)備，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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