李桂林 文望青 嚴(yán)愛(ài)國(guó) 王鵬宇 崔苗苗

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；2.中國(guó)鐵建股份有限公司橋梁工程實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)900 m，凈空高62.65 m。水下地形北淺南深。

該橋?yàn)楣F分層鋼桁梁懸索橋，節(jié)段鋼桁梁采用全焊接結(jié)構(gòu)。大橋下層為雙線(xiàn)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)（兼顧預(yù)留開(kāi)行少量輕快貨物列車(chē)的條件），設(shè)計(jì)車(chē)速為250 km/h，設(shè)計(jì)荷載為ZK 活載，橋梁加載采用牽引質(zhì)量控制及加載長(zhǎng)度控制包絡(luò)計(jì)算［1-2］；上層為雙向6 車(chē)道高速公路，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)車(chē)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(jié)構(gòu)，橫梁為X形鋼結(jié)構(gòu)。

小里程側(cè)主墩4#墩設(shè)置于水深45 m 區(qū)域，基礎(chǔ)工程面臨風(fēng)大、浪高、水深、流急等多方面技術(shù)挑戰(zhàn)，且地質(zhì)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(tái)設(shè)置、樁基鋼護(hù)筒插打難度大。為選擇適用于該深水裸巖區(qū)基礎(chǔ)合理結(jié)構(gòu)形式，本文對(duì)4#墩基礎(chǔ)方案進(jìn)行比選研究。

圖1 跨海大橋立面布置（單位：m）

2 建設(shè)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(shè)計(jì)最大風(fēng)速40.4 m/s，建議風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)值0.12。年平均出現(xiàn)8級(jí)和7級(jí)大風(fēng)的天數(shù)分別為18.1，53.3 d。

2.2 水文特點(diǎn)

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(qiáng)的淺水效應(yīng)。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(zhǎng)133.5 m。百年一遇最大設(shè)計(jì)浪高8.65 m，最大設(shè)計(jì)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(wàn)t級(jí)集裝箱船和8 萬(wàn)t 級(jí)油船。設(shè)計(jì)最高、最低通航水位分別為3.35，-2.18 m；海港工程設(shè)計(jì)高水位為2.09 m，設(shè)計(jì)低水位為-1.42 m。主墩基礎(chǔ)按8 萬(wàn)t（兼10 萬(wàn)t）船舶標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)，最大船撞力橫橋向?yàn)?28.8 MN，順橋向?yàn)?4.4 MN。

2.4 地質(zhì)特點(diǎn)

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(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化凝灰?guī)r。4#墩基礎(chǔ)位置原始海床面高程-48 m，無(wú)覆蓋層，其地質(zhì)條件：①上層為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，灰黃色、褐紫色、灰青色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；主要礦物成分為石英、長(zhǎng)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(fēng)化凝灰?guī)r，褐紫色，熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；主要礦物成分為石英、長(zhǎng)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(chǔ)方案比選

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

3.1 設(shè)置沉井基礎(chǔ)方案

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

設(shè)置沉井基礎(chǔ)斷面應(yīng)采用慣性矩較大、核心半徑較大、模板制作簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式。因橋塔為門(mén)式結(jié)構(gòu)，縱橫向尺寸相差較大，為更好適應(yīng)橋塔截面，設(shè)置沉井基礎(chǔ)可選用圓端形截面或圓環(huán)形截面［3］。

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

圓環(huán)形設(shè)置沉井內(nèi)、外直徑分別為32，56 m；沿圓環(huán)設(shè)置12 道隔艙，分為12 個(gè)井孔；標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)、外側(cè)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(shè)置沉井基礎(chǔ)截面布置（單位：m）

圖3 圓環(huán)形設(shè)置沉井基礎(chǔ)截面布置（單位：m）

3.2 鉆孔樁基礎(chǔ)方案

為降低施工難度，樁基礎(chǔ)采用自由長(zhǎng)度大的高樁承臺(tái)，承臺(tái)底距巖面約43 m。樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(fù)合樁。經(jīng)比選，采用樁孔直徑為4 m 的灌注樁基礎(chǔ)。樁基布置如圖4所示。

圖4 鉆孔樁基礎(chǔ)截面布置（單位：m）

3.3 方案比選

3種基礎(chǔ)方案的工程量及施工工期比選見(jiàn)表1。

表1 3種基礎(chǔ)方案工程量及工期比選

圓端形設(shè)置沉井基礎(chǔ)的特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)緊湊，剛度大，整體性和穩(wěn)定性好，承受水平荷載能力強(qiáng)；②比圓環(huán)形設(shè)置沉井基礎(chǔ)縱向尺寸小，承受波流力?。虎凼┕ち鞒滔鄬?duì)簡(jiǎn)單，臨時(shí)輔助工程較少，主要涉及定位船、錨固定位系統(tǒng)等；④滿(mǎn)足同樣承載力的前提下，比樁基礎(chǔ)平面面積小。

圓環(huán)形設(shè)置沉井基礎(chǔ)的特點(diǎn)：①施工流程相對(duì)簡(jiǎn)單，臨時(shí)輔助工程較少；②滿(mǎn)足同樣的承載力時(shí)，比樁基礎(chǔ)平面面積小；③內(nèi)環(huán)封底混凝土直徑達(dá)30 m，傳力范圍不明確；④平面定位比圓端形設(shè)置沉井簡(jiǎn)單。

鉆孔樁基礎(chǔ)的特點(diǎn)：①對(duì)水下地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)；②施工化整為零，風(fēng)險(xiǎn)略??；③施工占用水域范圍小，對(duì)航道影響??；④水深較深，地質(zhì)覆蓋層薄，海上鉆孔平臺(tái)施工難度較大；⑤工期長(zhǎng)，臨時(shí)設(shè)施多。

綜上，沉井基礎(chǔ)相對(duì)成熟，且在結(jié)構(gòu)受力、工程造價(jià)、施工工期等方面均優(yōu)于鉆孔樁基礎(chǔ)方案。其中圓端形設(shè)置沉井縱向尺寸更小，工程區(qū)域?qū)λ鬟m應(yīng)性更好，沖刷深度更小，基底傳力更為明確。

經(jīng)綜合比較，對(duì)于4#墩基礎(chǔ)，推薦圓端形設(shè)置沉井基礎(chǔ)方案。

4 圓端形設(shè)置沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

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(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r厚薄不均，且基本承載力較低。參考國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)并根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行計(jì)算分析，最終選擇下層的弱風(fēng)化凝灰?guī)r為設(shè)置沉井的持力層，最小嵌巖深度按3 m設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)底部整體嵌入持力層3～13 m。

4.2 海床防沖刷措施

由于設(shè)置沉井是直接放置在弱風(fēng)化凝灰?guī)r層上，其周?chē)跋路降膸r層可能被強(qiáng)潮流沖刷，威脅基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，所以必須采取一定的防沖刷措施。國(guó)外已實(shí)施的采用設(shè)置基礎(chǔ)的橋梁防護(hù)方案以底濾層+拋石為主［4-6］，回填深度為0.75～12.00 m。根據(jù)4#墩處水流及沖刷強(qiáng)度，設(shè)計(jì)回填深度5 m。

4.3 基坑開(kāi)挖方案

水下基礎(chǔ)爆破總體施工方案為單層全斷面分區(qū)段分次鉆孔，當(dāng)日成孔當(dāng)日一次性爆破，全部爆破后分區(qū)依次清渣。國(guó)內(nèi)外典形裸巖區(qū)設(shè)置基礎(chǔ)基坑開(kāi)挖方案［5］見(jiàn)表2。

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

表2 典形裸巖區(qū)設(shè)置基礎(chǔ)基坑開(kāi)挖方案示例

圖5 4#墩基礎(chǔ)水下爆破施工基坑示意（單位：m）

4.4 設(shè)置沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)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(tái)及橋塔底部在無(wú)水狀態(tài)下施工，設(shè)置沉井上接8 m 高雙壁鋼圍堰，圍堰頂高程為+11.5 m。承臺(tái)厚8 m，封底混凝土厚11 m。

設(shè)置沉井標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(jié)，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(shè)計(jì)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(shè)置沉井結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖6。

圖6 圓端形設(shè)置沉井結(jié)構(gòu)布置（單位：m）

4.5 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)檢算

4.5.1 荷載工況

4#墩基礎(chǔ)荷載組合工況見(jiàn)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(chǔ)荷載組合工況

4.5.2 穩(wěn)定性檢算

根據(jù)TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］第3.1.1—3.1.2 條進(jìn)行設(shè)置沉井基礎(chǔ)的穩(wěn)定性檢算，計(jì)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(jié)果見(jiàn)表4。計(jì)算時(shí)考慮到基底持力層為弱風(fēng)化凝灰?guī)r，摩擦因數(shù)取0.6。

表4 設(shè)置沉井基礎(chǔ)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

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

4.5.3 地基承載力檢算

計(jì)算各工況下設(shè)置沉井基底應(yīng)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(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。計(jì)算時(shí)不考慮井壁四周巖體對(duì)設(shè)置沉井基礎(chǔ)的嵌固有利作用［7-9］，按擴(kuò)大基礎(chǔ)計(jì)算。

由表5 可知，各工況下基底承受的最大應(yīng)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(chǎn)生應(yīng)力重分布的情況，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表5 設(shè)置沉井基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)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(shí)，檢算此時(shí)的沉井抗浮安全系數(shù)，結(jié)果為1.55，大于1；鋼沉井偏心距檢算由極限橫風(fēng)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?？垢z算結(jié)果滿(mǎn)足TB 10093—2017要求。

4.6 鋼沉井浮運(yùn)

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

浮運(yùn)過(guò)程中在牽引力、風(fēng)力等作用下，鋼沉井浮心處產(chǎn)生彎矩，發(fā)生傾斜。為保證安全托運(yùn)，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(yīng)大于6°。施工過(guò)程中須結(jié)合實(shí)際牽引力、風(fēng)力等進(jìn)行檢算［10］，將鋼沉井安全浮運(yùn)至橋址位置。

4.7 指導(dǎo)性施工組織方案

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

5 結(jié)語(yǔ)

一公鐵合建跨海大橋采用（1 050+980）m 雙懸索橋方案，結(jié)構(gòu)新穎，造形美觀，對(duì)通航影響較小。主通航孔橋小里程側(cè)橋塔基礎(chǔ)位于裸巖區(qū)，建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，是該橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)難題。從結(jié)構(gòu)受力、施工、經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)圓端形設(shè)置沉井基礎(chǔ)、圓環(huán)形設(shè)置沉井基礎(chǔ)、鉆孔樁基礎(chǔ)方案比較，推薦采用圓端形設(shè)置沉井基礎(chǔ)。圓端形設(shè)置沉井基礎(chǔ)剛度大、整體性和穩(wěn)定性好，施工方便、經(jīng)濟(jì)性好，很好的適應(yīng)了裸巖區(qū)、水深大、水流急、沖刷深、荷載大等復(fù)雜建設(shè)環(huán)境。