崔苗苗,文望青,嚴(yán)愛國,王鵬宇,李桂林

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 2.中鐵建大橋設(shè)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(diǎn)研究了寧波楊公山、經(jīng)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(jù)通航安全、防撞合理、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)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(cè)深水區(qū)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(qū)域水深流急、風(fēng)大浪高、地質(zhì)及通航條件復(fù)雜，科學(xué)合理的選擇橋梁基礎(chǔ)方案是本橋的設(shè)計關(guān)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(chǔ)受力大，建設(shè)條件復(fù)雜，設(shè)計難度大。

圖2 工程區(qū)域附近水下地形示意(單位：m)

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

甬舟鐵路金塘大橋?yàn)殡p線鐵路、六車道公路公鐵合建橋梁，其中鐵路標(biāo)準(zhǔn)為客貨共線鐵路，設(shè)計速度200 km/h。甬舟高速公路復(fù)線為雙向六車道，設(shè)計速度100 km/h。

2 建設(shè)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(tài)，中部最低高程可達(dá)-110 m，共錨碇基礎(chǔ)位置水深45 m(圖2)。

2.2 氣象條件

工程區(qū)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(shè)計最大風(fēng)速V10=42 m/s，年平均7級以上大風(fēng)天數(shù)53 d，8級以上大風(fēng)天數(shù)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(shè)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(shè)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(chǔ))。

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(chǔ)按照大浦口碼頭10萬t級集裝箱船斷纜飄移標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防撞設(shè)計，最大船撞力橫橋向?yàn)?6.3 MN、順橋向?yàn)?8.15 MN。

2.5 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)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(shí)粉砂厚約2 m；密實(shí)中砂，厚約13.5 m；硬塑粉質(zhì)黏土，厚約1.5 m；全風(fēng)化凝灰?guī)r，厚約9.1 m；強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，厚約2.2 m；最底部為弱風(fēng)化凝灰?guī)r，覆蓋層總厚達(dá)82 m。

2.6 地震

抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為Ⅶ度，地震動峰值加速度0.10g，基本地震動加速度反應(yīng)譜特征周期0.35 s。

3 基礎(chǔ)方案比選

共錨碇基礎(chǔ)承受荷載大，根據(jù)其受力特點(diǎn)，結(jié)合橋址區(qū)域水文、地質(zhì)條件及防撞要求，基礎(chǔ)的選擇應(yīng)滿足以下條件：滿足必要的剛度要求，能夠有效減小因基礎(chǔ)本身變形而導(dǎo)致散索鞍位置處的變形；基礎(chǔ)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(shí)施性好，投資省[6-12]。結(jié)合本工程的自然條件，共錨碇基礎(chǔ)可采用的形式主要有高樁承臺大直徑鉆孔樁基礎(chǔ)、復(fù)合基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)。

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(chǔ)宜采用柱樁設(shè)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(chǔ)整體剛度及經(jīng)濟(jì)性，宜盡可能采用較大直徑鉆孔樁[6]。經(jīng)調(diào)研，目前國內(nèi)已實(shí)施的最大鉆孔樁直徑為4.5 m，可研制適用于凝灰?guī)r地層，能鉆直徑5 m、深度130 m以上鉆孔樁的鉆機(jī)，因此，共錨碇樁基礎(chǔ)方案推薦采用直徑5 m鉆孔柱樁，經(jīng)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(fù)合基礎(chǔ)方案

共錨碇基礎(chǔ)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(fù)合基礎(chǔ)方案，整個基礎(chǔ)主要由預(yù)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(jìn)行地基加固。在鋼管樁上方鋪設(shè)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(yù)制沉箱基礎(chǔ)直接放置在3 m厚礫石層上，基礎(chǔ)和砂礫層間沒有連接(圖4)。

圖4 復(fù)合基礎(chǔ)方案布置(單位：m)

3.3 沉井基礎(chǔ)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(jù)上部錨碇的結(jié)構(gòu)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(chǔ)方案。沉井平面外徑75 m，內(nèi)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(nèi)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(chǔ)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(chǔ)方案比選

對鉆孔樁基礎(chǔ)、復(fù)合基礎(chǔ)及沉井基礎(chǔ)方案進(jìn)行詳細(xì)的對比分析，比選結(jié)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(chǔ)方案比選

復(fù)合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大，施工周期較短、風(fēng)險低，但其防沖刷性能、受力特性等需開展系列專題試驗(yàn)研究驗(yàn)證，沉井基礎(chǔ)相對成熟且在結(jié)構(gòu)受力、工程造價、施工工期等方面均優(yōu)于鉆孔樁基礎(chǔ)方案。圓形沉井和矩形沉井工程造價及施工周期基本相當(dāng)，考慮到圓形沉井方案對水流適應(yīng)性好，沖刷深度小。經(jīng)綜合比較共錨碇基礎(chǔ)推薦采用圓形沉井基礎(chǔ)方案。

4 沉井基礎(chǔ)設(shè)計

4.1 沉井持力層選擇

錨碇基礎(chǔ)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(chǔ)持力層。覆蓋層下部為飽和密實(shí)中砂，主要礦物成分為石英、長石，含粒徑3～20 mm礫石，個別達(dá)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(chǔ)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(chǔ)建成后長期運(yùn)營過程中應(yīng)能經(jīng)得起海水沖刷的考驗(yàn)，基礎(chǔ)的埋置深度需全面考慮沖刷的影響，因此沉井基底應(yīng)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(jié)構(gòu)安全。TB10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定對于特大橋(或大橋)，屬于技術(shù)復(fù)雜、修復(fù)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(jù)此條規(guī)定基底埋深高程應(yīng)不大于-80.5 m。

JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)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(jù)此條規(guī)定基底埋深高程應(yīng)不大于-78.5 m。

根據(jù)鐵路和公路關(guān)于沉井基礎(chǔ)最小埋置深度的有關(guān)規(guī)定，并結(jié)合沉井持力層位置和圓形沉井的受力特點(diǎn)，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?dāng)M采用船塢制造浮運(yùn)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(jù)海床高程、施工潮位、施工沖刷、井壁灌注混凝土并接高一節(jié)混凝土沉井后的沉井入土穩(wěn)定深度而確定[2]，根據(jù)此原則計算鋼沉井入土穩(wěn)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(jié)構(gòu)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)段平面外徑75 m，內(nèi)徑43.4 m，混凝土沉井標(biāo)準(zhǔn)段平面外徑75 m，內(nèi)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(cè)弧長10.72 m，內(nèi)側(cè)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(nèi)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(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)段高6 m，頂節(jié)段高12 m。混凝土沉井標(biāo)準(zhǔn)段壁厚1.6 m，隔墻厚1.1 m。沉井基礎(chǔ)按自身承受船撞力設(shè)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(nèi)井壁向外側(cè)加厚1.4 m。為滿足錨碇基礎(chǔ)構(gòu)造要求，頂節(jié)沉井外徑增大3 m，承臺厚9 m。

鋼沉井10個節(jié)段，底節(jié)高8 m，其余節(jié)段高6 m，標(biāo)準(zhǔn)段鋼沉井井壁厚1.8 m，隔墻厚1.3 m。為減少側(cè)壁摩阻力、便于下沉，底節(jié)鋼沉井平面外徑較標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段增加0.4 m。沉井刃腳高1.8 m，刃腳踏面寬0.2 m，內(nèi)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(lián)結(jié)，更好傳遞封底混凝土基底反力，將第二節(jié)鋼沉井刃腳上方外壁和隔墻斷面設(shè)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(jié)構(gòu)布置(單位：m)

4.5 主要計算結(jié)果

對共錨碇圓形沉井基礎(chǔ)的基底應(yīng)力及穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力均滿足規(guī)范要求，主要計算結(jié)果如表2所示。

表2 共錨碇沉井基礎(chǔ)主要計算結(jié)果

4.6 指導(dǎo)性施工組織

結(jié)合橋位附近的建設(shè)條件，共錨碇沉井基礎(chǔ)可采用以下總體施工方案：(1)對沉井周圍20 m范圍內(nèi)海床采用拋填防護(hù)層的方法進(jìn)行預(yù)防護(hù)[15-17]；(2)鋼沉井在橋位附近船塢內(nèi)整體制造成型，出塢浮運(yùn)至橋位[18-19]；(3)利用定位船或錨樁錨碇定位系統(tǒng)精確定位，注水下沉著床至穩(wěn)定深度[20]；(4)灌注井壁及隔墻內(nèi)混凝土；(5)沉井吸泥下沉與混凝土接高交替進(jìn)行，直至沉井刃腳到達(dá)設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)新穎，造型美觀，對通航影響較小。共錨碇基礎(chǔ)荷載大，建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，是該橋設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)難題，結(jié)合共錨碇基礎(chǔ)的建設(shè)條件，采用圓形沉井基礎(chǔ)，剛度大、整體性和穩(wěn)定性好，施工方便、經(jīng)濟(jì)性好，很好地適應(yīng)了共錨碇基礎(chǔ)水深大、水流急、沖刷深、荷載大等復(fù)雜建設(shè)環(huán)境。