鄒永偉,徐升橋,金 令
(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)
懷來官廳水庫特大橋是一座市政特大型橋梁,位于張家口市懷來縣,連接南北兩岸新城,道路標(biāo)準(zhǔn)為城市主干路,設(shè)計(jì)行車速度60 km/h。該橋?yàn)楣購d水庫上的第三座橋梁,與既有京包鐵路并行跨越官廳水庫。官廳水庫為北京市一級(jí)水源保護(hù)區(qū),主橋?yàn)?20 m單跨懸索橋,主纜分跨布置(210+720+210) m,見圖1。加勁梁采用免涂裝耐候鋼-混凝土組合梁,索塔采用混凝土門式索塔,兩岸錨碇采用重力式結(jié)構(gòu),錨碇基礎(chǔ)采用混凝土沉井基礎(chǔ)[1-2]。
圖1 懷來官廳水庫大橋主橋布置(單位:m)
橋址區(qū)域?qū)儆趹褋砼璧?,地勢較平坦。年平均氣溫10.5 ℃,最冷一月平均氣溫-6.7 ℃;極端最高氣溫40.3 ℃,極端最低氣溫-21.7 ℃。全年平均風(fēng)速約2.6 m/s,最大風(fēng)速24.0 m/s。
官廳水庫總庫容41.6億m3,勘測水位471.60 m,規(guī)劃蓄水位474.62 m,正常蓄水位477.62 m,設(shè)計(jì)水位484.56 m,以上水位均為國家85高程基準(zhǔn)。冬季結(jié)冰,根據(jù)相關(guān)資料,水庫建成蓄水后,橋址處冰層厚度按0.61 m考慮。
橋址區(qū)土層覆蓋層較厚,勘測時(shí)未見基巖。地層主要包括粉土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土,局部夾層圓礫土、粗砂,以硬塑粉質(zhì)黏土為主。地震基本烈度為8度,設(shè)計(jì)地震加速度值為0.20g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s[3]。
橋址處環(huán)保要求高,常年風(fēng)速大,冬季氣溫低,抗震設(shè)防等級(jí)高,官廳水庫特大橋主橋一跨跨越水源保護(hù)區(qū)水面。南北岸錨碇,地面高程分別為475.60,478.20 m,沉井均為陸地沉井。
國內(nèi)大型沉井主要位于長江中下游地區(qū),北方黏性土地區(qū)沉井建造的最大難題是井壁側(cè)摩阻大,沉井下沉困難。井壁與土體之間的摩阻力,公路規(guī)范、鐵路規(guī)范均給出了參考值,黏性土的側(cè)摩阻25~50 kPa,砂土的側(cè)摩阻12~25 kPa[4-5]。
沉井基礎(chǔ)的整體受力特點(diǎn),屬于深埋擴(kuò)大基礎(chǔ)[6]。沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工的關(guān)鍵點(diǎn),是將沉井順利下沉就位。為滿足下沉要求,可采取的方法包括增加沉井自重和設(shè)置助沉措施等[7]。作為懸索橋的錨碇基礎(chǔ),承擔(dān)主纜拉力,為滿足下沉要求、豎向抗拔要求和水平抗滑移要求,可適當(dāng)增加沉井自重。
針對錨碇沉井基礎(chǔ)受力需要和北方黏性土地區(qū)的下沉難題,研究采取了以下技術(shù)措施。
(1)增加沉井重率,采取空氣幕助沉措施,解決了黏性土地區(qū)的下沉難題。
(2)全高采用鋼筋混凝土沉井,刃腳外包鋼板,滿足下沉要求的同時(shí),提高了經(jīng)濟(jì)性。
(3)考慮施工過程中的最不利水頭差,加強(qiáng)底節(jié)隔墻與井壁連接構(gòu)造,優(yōu)化頂節(jié)隔墻布置,提高了下沉過程沉井底節(jié)、頂節(jié)的安全性。
(4)底節(jié)施工采用土模法,降低底節(jié)高度,采取夯實(shí)表層土代替砂樁加固方案,降低了工程造價(jià)。
圓形沉井承受水平土壓力的性能好,下沉過程中易于控制??紤]錨體平面為梯形布置,散索點(diǎn)位置主纜橫向間距37.8 m,采用圓形沉井體量大,且井孔布置不均勻,不利于取土設(shè)備布置。矩形沉井抗彎剛度大,結(jié)構(gòu)布置緊湊,井孔布置均勻,便于井孔內(nèi)取土。
國內(nèi)大跨度橋梁沉井基礎(chǔ)主要以鋼筋混凝土和鋼殼混凝土為主[8-14],見表1。浮運(yùn)沉井,下段采用鋼殼混凝土,鋼殼浮運(yùn)至墩位,落床后灌注混凝土,上段采用鋼筋混凝土。陸地沉井,底節(jié)6~8 m采用鋼殼混凝土解決底節(jié)受力復(fù)雜的問題,但工程造價(jià)高。
表1 國內(nèi)橋梁沉井基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)
通過綜合比選,采取倒圓角的矩形沉井。全高采用鋼筋混凝土沉井,井壁刃腳2 m高范圍外包12 mm厚鋼板,隔墻刃腳1.5 m高范圍外包12 mm厚鋼板,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼殼混凝土底節(jié)。
地表以下30 m范圍主要為中密粉土、可塑粉質(zhì)黏土,承載能力低,不宜作為基礎(chǔ)持力層。30 m以下主要為硬塑粉質(zhì)黏土、密實(shí)粉砂、密實(shí)粗砂等。北岸沉井持力層選擇密實(shí)粗砂,埋深30 m左右,層厚8~12 m,基本承載力500 kPa。南岸沉井持力層選擇密實(shí)卵石土,埋深31 m左右,層厚5~7 m,基本承載力600 kPa。
北岸沉井、南岸沉井頂面高程均為475.3 m,北岸沉井高32 m,南岸沉井高33 m。沉井平面形狀為倒圓角的矩形,縱向長50 m、橫向?qū)?6 m,倒圓角半徑7.5 m,平面分為16個(gè)井孔,見圖2。井壁厚2.5 m,底節(jié)向外設(shè)置20 cm臺(tái)階,隔墻厚1.5 m,隔墻與隔墻之間的倒角0.6 m×0.6 m,隔墻與井壁之間的倒角1.5 m×1.5 m。井壁刃腳高2.8 m,踏面寬0.3 m。隔墻刃腳高2 m,踏面寬0.25 m。頂蓋板厚6~10 m,封底混凝土厚6 m。為滿足壓重需要,沉井下沉就位后,靠近主橋側(cè)8個(gè)井孔填土,靠近引橋側(cè)8個(gè)井孔填C20混凝土。
圖2 沉井構(gòu)造(單位:m)
為布置型鋼錨固系統(tǒng),靠近引橋側(cè)的蓋板一般需加厚,頂蓋板高度范圍內(nèi)不設(shè)置隔墻,見圖3。為增強(qiáng)井壁剛度,頂蓋板加高范圍內(nèi),增設(shè)1道隔墻,隔墻水平鋼筋伸入井壁勾住井壁外側(cè)的豎向鋼筋,見圖4。
圖3 蓋板范圍立面(單位:m)
圖4 增設(shè)隔墻平面
根據(jù)國內(nèi)沉井建造經(jīng)驗(yàn),下沉過程中,沉井底節(jié)隔墻與井壁交接部位、隔墻間交接部位容易開裂。考慮施工安全,將底節(jié)隔墻橫向鋼筋伸入至相交處的井壁、隔墻刃腳內(nèi),鋼筋在刃腳鋼板對應(yīng)位置處打孔穿過,并留有錨固長度。
沉井計(jì)算包括下沉計(jì)算、整體基礎(chǔ)計(jì)算和結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算。根據(jù)全橋計(jì)算,每個(gè)沉井承受的主纜拉力為3.5×105kN。
沉井下沉自重扣除浮力后,應(yīng)大于下沉?xí)r土對井壁的摩阻力。沉井接高、沉井下沉就位時(shí),沉井下沉自重扣除浮力后,應(yīng)小于井壁摩阻力、刃腳及隔墻正面阻力之和。黏性土地區(qū)的陸地沉井,下沉系數(shù)控制設(shè)計(jì)。本橋計(jì)算時(shí),可塑粉質(zhì)黏土、可塑-硬塑粉質(zhì)黏土的摩阻力取40 kPa,最小下沉系數(shù)1.3,滿足下沉要求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),規(guī)范給出的摩阻力參考值偏小,為保證順利下沉,設(shè)置空氣幕助沉措施。
重率是判斷沉井能否順利下沉的重要指標(biāo),重率的意義是沉井下沉階段自重可以克服的單位摩擦力。不排水下沉,沉井的自重扣除浮力作為沉井的下沉重力,除以沉井井壁的周邊面積,即為重率。懸索橋錨碇沉井抵抗主纜拉力,除沉井重力,錨體還設(shè)有壓重塊,壓重塊是沉井就位后施工的。因此,適當(dāng)增加沉井自重,可以保證順利下沉,且不增加工程造價(jià)。本橋沉井的重率為69.5 kPa。
整體基礎(chǔ)計(jì)算,主要包括基底土的承載力計(jì)算、基礎(chǔ)抗滑動(dòng)計(jì)算、抗傾覆計(jì)算和沉降計(jì)算。懸索橋重力式錨碇承受較大的水平力和上拔力,規(guī)范要求抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不小于2.0[15]。本橋沉井基礎(chǔ),基底土經(jīng)寬深修正后,承載力滿足要求;抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)2.1,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)4.2。工后沉降量32 mm,主橋總體計(jì)算考慮錨碇沉降的影響。
結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算,主要包括刃腳水平抗彎計(jì)算、底節(jié)沉井豎向抗彎計(jì)算、井壁豎向抗拉計(jì)算、井壁水平抗彎計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果配置普通鋼筋。井壁水平抗彎計(jì)算,除考慮土壓力,還應(yīng)考慮施工過程中可能出現(xiàn)的井內(nèi)外最大水頭差,按最不利工況計(jì)算。單個(gè)井孔的封底混凝土簡化為四周簡支板驗(yàn)算其強(qiáng)度。
錨碇位于京包鐵路下游約50 m,為保證施工期間京包鐵路安全,沉井施工之前在沉井外側(cè)設(shè)置直徑1.5 m的防護(hù)樁,防護(hù)樁頂部設(shè)置冠梁,對京包鐵路路基進(jìn)行防護(hù)。防護(hù)樁距沉井邊緣10 m,防護(hù)樁樁底高程比沉井底高程低10 m。采用PLAXIS 3D軟件計(jì)算分析沉井下沉對既有京包鐵路的影響,京包鐵路最大沉降量2.5 mm。
采用干挖取土下沉、不排水吸泥下沉兩種方式[16-19]。下沉初期采取干挖取土下沉,利用挖機(jī)進(jìn)行挖土,用高壓水槍將土體沖洗成泥漿,用泥漿泵抽排至井外的沉淀池。進(jìn)入地下水5 m后,采用空氣吸泥機(jī)進(jìn)行不排水下沉,下沉期間同時(shí)向井內(nèi)補(bǔ)水。下沉過程按“小鍋底”取土方式,控制鍋底最大高度不超過1 m。沉井四角位置輔助取土,始終保持土體高于刃腳。
設(shè)置空氣幕助沉措施,空氣幕布置在沉井外側(cè),沉井底部6 m和頂部6 m范圍內(nèi)不布置。氣龕按梅花形布置,平均間距1.5 m。空氣幕開啟時(shí),按從上至下逐層開啟的原則。
底節(jié)施工前,清理地表土,挖填平整。對沉井范圍地表土進(jìn)行換填、夯實(shí),使地基承載力滿足底節(jié)施工要求。保證地基承載力均勻一致,避免底節(jié)施工時(shí)不均勻沉降導(dǎo)致的開裂。底節(jié)采用土模法施工,根據(jù)刃腳位置及形狀開挖溝槽,溝槽內(nèi)布置刃腳鋼板,混凝土分層澆筑。和常規(guī)的支墊、抽墊工藝相比,采用土模法避免了底節(jié)“四點(diǎn)支撐”的不利工況,降低了施工難度,提高了安全性。
2016年完成南岸錨碇沉井下沉,2017年完成北岸錨碇沉井下沉,在下沉最后4 m時(shí),下沉困難,開啟了空氣幕,見圖5。根據(jù)施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),京包鐵路未發(fā)生沉降和位移,防護(hù)樁效果明顯。沉井頂面最大高差8 cm,平面扭轉(zhuǎn)角度3′,終沉姿態(tài)平穩(wěn)[20]。
圖5 北岸沉井下沉就位
懷來官廳水庫特大橋錨碇沉井基礎(chǔ)為北方黏性土地區(qū)的大型鋼筋混凝土沉井,鄰近既有鐵路,下沉難度大,施工條件復(fù)雜。結(jié)合建設(shè)條件開展關(guān)鍵技術(shù)研究,主要成果如下。
(1)采取倒圓角矩形沉井,增加沉井重率,設(shè)置空氣幕助沉措施,解決了黏性土地區(qū)懸索橋錨碇沉井基礎(chǔ)的下沉難題。
(2)全高采用鋼筋混凝土沉井,刃腳外包鋼板,優(yōu)化底節(jié)隔墻與井壁、隔墻與隔墻的連接,頂節(jié)蓋板加厚范圍增設(shè)隔墻,提高了鋼筋混凝土沉井底節(jié)、頂節(jié)的施工安全性。
(3)底節(jié)施工采用原地面開挖溝槽的新型土模法,采用干挖和不排水吸泥下沉的施工工藝,降低了黏性土地區(qū)的施工難度和施工成本。
懷來官廳水庫特大橋錨碇沉井基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)、均勻下沉,姿態(tài)控制良好,為黏性土地區(qū)大跨度懸索橋錨碇沉井基礎(chǔ)建造提供了一定的經(jīng)驗(yàn)和借鑒。