唐斌

中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速100 km/h?？缰性O(shè)置變坡點(diǎn)，兩側(cè)采用6‰的對(duì)稱(chēng)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(zhǎng)991.8 m［1］。主通航孔橋?yàn)橹骺?00 m雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋，鐵路橋面采用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)體系，為國(guó)內(nèi)外首次采用最大跨度無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的公鐵兩用斜拉橋，也是鋪設(shè)無(wú)砟軌道最大跨度的斜拉橋，主通航孔橋立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 主通航孔橋立面布置（單位：m）

主塔基礎(chǔ)場(chǎng)區(qū)勘探深度范圍內(nèi)無(wú)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(zhì)黏土，該層厚度多在7～11 m；中上部主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(zhì)差。中下部主要為密實(shí)砂層，局部夾軟塑狀粉質(zhì)黏土透鏡體，該層厚度在75～85 m，分布廣泛、穩(wěn)定，中等偏低壓縮性，承載力較高，是較好的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)風(fēng)速V10＝41.1 m/s，設(shè)計(jì)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?？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為Ⅶ度。

該橋具有跨度大、荷載重等特點(diǎn)，橋塔基礎(chǔ)穿越土層較多，橋梁基礎(chǔ)無(wú)基巖，橋塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工難度較大。

2 橋塔基礎(chǔ)方案比選

沉井基礎(chǔ)為整體剛性基礎(chǔ)［2-4］，整體性強(qiáng)、剛度大、穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，承載面積大，能承受較大的豎向荷載和水平荷載，結(jié)構(gòu)受力性能較好。鉆孔樁基礎(chǔ)是橋梁深水基礎(chǔ)的常用形式。樁基進(jìn)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(tái)群樁抵抗較大水平力能力較強(qiáng)，且樁長(zhǎng)適應(yīng)范圍廣。

主通航孔橋區(qū)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(zhì)粉質(zhì)黏土，再下面為厚度75～85 m的密實(shí)砂層。因表層松散粉砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的土體工程性質(zhì)較差，而可作為持力層的密實(shí)砂層埋深較深。

經(jīng)研究，主墩墩位處較適宜選用的基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)。結(jié)合該橋建設(shè)條件，在進(jìn)行橋塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究時(shí)，從地質(zhì)和水文狀況的適應(yīng)性、基礎(chǔ)受力的合理性、工程造價(jià)、施工難易程度、工期、環(huán)境的影響等方面，對(duì)沉井和鉆孔樁基礎(chǔ)進(jìn)行綜合計(jì)算分析［5］。

2.1 沉井基礎(chǔ)方案

對(duì)于沉井基礎(chǔ)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(yīng)水流沖刷。沉井標(biāo)準(zhǔn)平面外輪廓尺寸為62 m×38 m（橫橋向×縱橋向）。為滿(mǎn)足橋梁阻水率要求，沉井頂面標(biāo)高置于河床面以下-8.0 m，底面標(biāo)高為-70.0 m，基礎(chǔ)持力層為飽和、密實(shí)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(tái)厚度6.0 m，塔座高度3.0 m。根據(jù)通航要求，沉井頂面須在河床面以下，沉井承臺(tái)須要做圍堰來(lái)進(jìn)行施工，增加了工程量。主塔沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 主塔沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（單位：cm）

對(duì)沉井基礎(chǔ)進(jìn)行基底應(yīng)力、下沉穩(wěn)定性、抗浮穩(wěn)定性、傾覆和滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)的整體計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行刃腳外彎、刃腳內(nèi)彎、刃腳根部及墻身、封底等局部受力驗(yàn)算。經(jīng)檢算，沉井滿(mǎn)足TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］的受力要求，因此采用沉井基礎(chǔ)方案具有一定的可行性。

2.2 鉆孔樁基礎(chǔ)方案

該橋塔基礎(chǔ)須承受較大的水平荷載，若采用鉆孔樁基礎(chǔ)，單樁須具有較強(qiáng)的豎向及水平承載能力，因此鉆孔樁應(yīng)盡量采用較大的樁徑［8］。對(duì)主墩基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算比選，選取φ2.2、φ2.5、φ2.8 m三種不同的方案進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1?？芍?，φ2.5 m樁基礎(chǔ)方案的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，而且其樁數(shù)少、樁徑大，更有利于保證施工工期和施工質(zhì)量，主塔基礎(chǔ)推薦采用φ2.5 m方案，即方案二。

表1 鉆孔樁基礎(chǔ)方案比選

橋梁深水樁基礎(chǔ)是深水基礎(chǔ)中最為經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式。其承載力高，沉降變形小，能較好地適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件。橋梁上部結(jié)構(gòu)的荷載通過(guò)樁基礎(chǔ)傳遞至很深的持力層上，受力明確，施工設(shè)備簡(jiǎn)單、輕便、易于操作、造價(jià)較低。φ2.5 m大直徑鉆孔樁是目前國(guó)內(nèi)外深水橋梁普遍采用的一種基礎(chǔ)形式，近年來(lái)在武漢青山長(zhǎng)江大橋、武漢長(zhǎng)江二橋等公路橋上已有成熟應(yīng)用。

根據(jù)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(zhǎng)；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(shù)；A為樁底支承面面積；[σ]為樁底地基上的容許承載力。

根據(jù)式（1）進(jìn)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(chǔ)，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(mǎn)足TB 10093—2017受力要求。

2.3 方案比選

對(duì)樁基礎(chǔ)推薦方案二與沉井基礎(chǔ)方案從工程量、施工難度與風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)性三方面進(jìn)行充分比選，比較結(jié)果見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，樁基礎(chǔ)方案工期可控，工程量最省，經(jīng)濟(jì)性較好，故推薦采用φ2.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

表3 主墩基礎(chǔ)方案綜合比選

3 橋塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主塔基礎(chǔ)采用整體式承臺(tái)配大直徑鉆孔樁基礎(chǔ)。3#、4#主塔基礎(chǔ)采用74-φ2.5 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)130 m，樁基礎(chǔ)平面按照行列式和梅花形組合布置，基準(zhǔn)樁間距6.25 m。承臺(tái)按照?qǐng)A端形設(shè)計(jì)，厚度為6.5 m，承臺(tái)平面見(jiàn)圖3。

圖3 承臺(tái)平面（單位：cm）

4 橋塔基礎(chǔ)施工方案

橋塔基礎(chǔ)采用先架設(shè)鉆孔平臺(tái)施工鉆孔樁，然后采用鋼套箱圍堰施工承臺(tái)的施工方案。具體步驟如下：

①鉆孔樁施工完成后在平臺(tái)上安裝雙壁鋼套箱圍堰。

②接高支承鋼護(hù)筒并安裝吊掛系統(tǒng)。

③圍堰吊掛在支承鋼護(hù)筒上下放并取土下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

④清基、水下灌注封底混凝土。

⑤抽水進(jìn)行承臺(tái)施工。承臺(tái)施工時(shí)應(yīng)采取布設(shè)冷卻管或其他有效措施以降低混凝土的水化熱，并加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，避免混凝土產(chǎn)生收縮裂縫，并注意橋塔預(yù)埋鋼筋的埋設(shè)。

5 結(jié)論

本文以北沿江公鐵兩用特大橋主塔基礎(chǔ)為工程背景，對(duì)主塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了方案研究。得到以下主要結(jié)論：

1）橋址區(qū)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(qiáng)度低，壓縮性高且具有流變性和觸變性，工程性能差，建設(shè)條件惡劣。通過(guò)對(duì)沉井和樁基方案進(jìn)行比選，推薦北沿江公鐵兩用特大橋主塔基礎(chǔ)均采用樁基方案。

2）根據(jù)該橋的氣象、水文、地質(zhì)等建設(shè)條件，考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性以及施工便利性等方面，經(jīng)不同樁徑基礎(chǔ)比選后，推薦受力性能好、經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)、施工工期短且技術(shù)相對(duì)成熟的φ2.5 m鉆孔樁基礎(chǔ)方案。

3）北沿江公鐵兩用特大橋具有跨度大、基礎(chǔ)水深、覆蓋層厚、沖刷深度大、地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，主塔樁基礎(chǔ)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(mǎn)足規(guī)范受力要求。

4）該橋選擇了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)合理的樁基礎(chǔ)方案，有效地減小了橋梁基礎(chǔ)規(guī)模，控制了高速鐵路橋梁基礎(chǔ)沉降，節(jié)約了施工工期，對(duì)大跨度橋梁深水基礎(chǔ)超長(zhǎng)鉆孔樁設(shè)計(jì)和施工具有指導(dǎo)意義。