廖宸鋒， 歐陽平， 羅富元

(廣西交通設計集團有限公司, 廣西 南寧 530029)

傳統(tǒng)設計理念中，復雜地質條件并不適合修建大跨徑拱橋，因為拱座處產生的巨大推力需要良好的地基來承擔，以控制地基變形對結構受力的不利影響，因此目前在復雜地質條件下修建有推力大跨度拱橋的工程案例極少，可參考的工程經驗缺乏，這也在一定程度上阻礙了大跨度拱橋的發(fā)展。

1 平南三橋工程概況

1.1 地質特點

平南三橋為廣西荔浦至玉林高速公路平南連接線上的一座特大橋，大橋跨越潯江，橋型為跨徑575 m的鋼管混凝土拱橋，主拱采用鋼管混凝土桁式結構，整束擠壓鋼絞線吊索體系，計算矢跨比為1/4，拱軸系數(shù)為1.5，拱肋中距為30.1 m，橋面標準橫斷面寬度為36.5 m，橋道系為格構式鋼-混凝土組合結構。橋位區(qū)地處沖積河流河谷～階地地貌，河谷呈近似“U”形，江面寬約440 m，北岸基礎區(qū)域地層主要由第四系沖洪積層、泥盆系中統(tǒng)郁江階組成。覆蓋層自上而下依次為硬塑狀粉質黏土、軟可塑狀粉質黏土、中密狀卵石，均厚分別為8.5、11.5、16 m，覆蓋層總厚度最厚處達到40 m。根據勘察成果，其中的卵石層粒徑為20～100 mm，含量為50%～70%，間隙充填圓礫、細砂及粉質黏土，承載力基本容許值為380 kPa。

北岸下伏基巖為中風化灰?guī)r，特點為以密集發(fā)育的溶蝕裂隙或狹長發(fā)育的溶洞為主，根據勘察揭示主要以淺表灰?guī)r中發(fā)育的小型溶洞為主，鉆孔遇洞率約為33.3%，屬巖溶中等發(fā)育地段?；?guī)r巖石飽和單軸抗壓強度標準值為14.7 MPa，承載力為1.2 MPa，屬軟巖。另勘察結果顯示，基礎范圍內下伏基巖的巖面起伏較大，基巖面最大高差超過8 m，且局部有隆起。

1.2 水文地質

橋位區(qū)分布大型地表水體潯江，北岸上層滯水賦存于硬塑狀粉質黏土中，弱透水，極弱富水；卵石層孔隙水具備承壓性，河床底面高程與卵石層頂面高程相近，卵石層孔隙水穩(wěn)水位與河水位相近，屬強透水層，中等富水～強富水，卵石孔隙水與河水呈互補關系，與潯江河水水力聯(lián)系較強，其承壓水頭標高為12～20 m；下伏灰?guī)r賦存巖溶裂隙水，也具備承壓性，承壓水頭標高為20～30 m，穩(wěn)定水位略高于潯江水位，屬中等透水層，中等富水，與潯江水力聯(lián)系一般。根據承壓水頭標高，如基礎進行基坑開挖揭開卵石層時即面臨卵石層孔隙水突涌問題。此外，擬建橋梁基礎除面臨卵石層孔隙水和巖溶裂隙水突涌問題外，上層滯水和卵石層孔隙水的滲流會對基坑土體穩(wěn)定產生一定影響。

大橋北岸建設條件異常復雜，是建設在不良復雜地質條件下的超大跨徑拱橋。經過初步設計、技術設計等多階段以及多方案的比選，北岸拱座最終采用了創(chuàng)新性的“圓形地連墻+注漿卵石層”的復合拱座基礎方案。圖1為平南三橋橋型示意圖,下文簡要介紹其北岸拱座基礎比選方案情況。

圖1 平南三橋橋型示意圖(單位:m)

2 北岸拱座基礎方案選擇

目前拱橋的拱座基礎主要有明挖基礎、復合樁基礎(介于明挖基礎和樁基礎之間)、嵌巖基礎(類似單樁，一般采用隧道式開挖)3種形式。明挖基礎結構簡單，整體剛度大，基礎一般設計成臺階狀，應用于地質良好的區(qū)域，也是目前拱橋應用最為廣泛的基礎形式。后兩種基礎形式在山區(qū)應用較多。

平南三橋北岸基礎地質復雜，覆蓋層深厚，以上3種基礎形式均不適用于該橋的地質條件，而大跨度拱橋也無在類似地質條件下修建的先例。根據調研，近年來在深厚覆蓋層地區(qū)建設了較多的特大跨徑懸索橋，其錨碇基礎的受力方向雖與拱橋相反，但也有一定的共同之處。根據計算，平南三橋在最不利荷載工況下拱座水平推力約為256 040 kN，與跨度為950 m的懸索橋錨碇承受的水平拉力相當，借鑒國內外懸索橋錨碇基礎的設計經驗，方案比選時主要在沉井基礎方案及地下連續(xù)墻兩大類方案中進行。

根據JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》計算卵石層地基承載力。其中，卵石層地基承載力基本容許值[fa0]=320 kPa，地基承載力寬度修正系數(shù)k1取1.5(按卵石為稍密狀態(tài)考慮)；地基承載力深度修正系數(shù)k2取3.0(按卵石為稍密狀態(tài)考慮)，修正后卵石層地基承載力容許值[fa]=815 kPa。大橋承受的豎向力約為260 000 kN，經計算，北岸卵石層滿足受力要求，可作為基礎持力層。

2.1 沉井基礎方案

沉井基礎特點為整體性強，穩(wěn)定性好，能承受較大的水平及豎向荷載，因其埋置深度大，是一種適用于深厚覆蓋層地區(qū)的基礎形式。沉井基礎施工可依靠自身重力，根據情況輔以取土排水、配重加壓、泥漿套、空氣幕、振動法等多種措施下沉，施工技術已很成熟。大尺寸、下沉深的大型沉井基礎在中國也有多個應用案例，如泰州長江公路大橋、五峰山公鐵兩用大橋等。

根據拱座外觀尺寸，采用矩形截面整體式鋼筋混凝土沉井基礎，基礎除了作為受力結構外，兼作施工時的擋水、擋土支護結構。基礎設計高度為34.5 m，平面尺寸為55 m×44.1 m，內部設置4×5個隔艙，壁厚沿豎向采用分段變厚方式設置，基礎頂面以下0～12.5 m范圍壁厚1.3 m，12.5～23.5 m范圍壁厚為1.8 m，23.5～沉井底范圍壁厚2.0 m，其中首節(jié)段采用鋼殼。內部隔板厚度均為1.0 m，沉井封底厚度為6.0 m，頂板厚5.0 m，基礎總體布置見圖2。沉井采用排水下沉施工，下沉前在沉井外圍設置止水帷幕?；A共分6個節(jié)段，分12次下沉到位。針對北岸基礎范圍鉆孔揭示巖溶較發(fā)育情況，考慮在沉井基礎底部采用混凝土樁基穿過溶洞的方式傳遞上部結構荷載。

圖2 沉井基礎方案總體布置(單位：cm)

2.2 矩形地下連續(xù)墻方案

地下連續(xù)墻自1954年在意大利成功應用后，經過多年發(fā)展，技術日益成熟，廣泛應用于各種結構基礎，包括特大型橋梁，尤其是大跨懸索橋。地連墻與沉井一樣，兼具擋土、擋水及承重功能，其突出優(yōu)點為可不采取排水措施，對周邊土體及建筑物影響小，且對地質條件的適應性更強，如巖面起伏較大的基巖。

矩形地連墻方案設計平面尺寸為55 m×42.5 m，墻厚1.2 m，墻身嵌入中風化完整灰?guī)r不小于3 m；其外圍同樣設置止水帷幕，防止在地連墻成槽階段卵石層發(fā)生塌孔；連續(xù)墻頂部采用鋼支撐、底部采用鋼筋混凝土支撐(圖3)。

圖3 矩形地連墻基礎方案總體布置

2.3 圓形地下連續(xù)墻方案

圓形地連墻基礎由地連墻、內襯、帽梁、填芯、底板組成。地連墻直徑為60.0 m，墻身厚1.2 m，由于巖面起伏較大，墻身按不等高設計，但需保證墻身嵌入中風化灰?guī)r不小于5 m。

為滿足地連墻內部開挖受力要求，在地連墻內側設置圓形剛性混凝土內襯。根據受力不同，內襯厚度沿豎向采取分段變厚方式設置，帽梁以下10 m深度范圍厚度1.0 m，10～20 m深度范圍厚1.5 m，20 m以下的深度范圍厚2.0 m。

為了避免基巖開挖，減小施工難度，保持基巖的完整性，以天然巖面作為底板底面，底板到拱座底面之間采用填芯混凝土填充，以增強基礎結構的整體性。填芯混凝土與內襯底板和拱座間設置連接鋼筋(圖4)。

圖4 圓形地連墻基礎方案總體布置

2.4 方案比選

基礎方案比較見表1。根據該橋地質水位條件，綜合考慮結構受力特點、經濟性、施工周期、施工難度、施工風險等因素，經過深入研究及分析計算，最終選擇圓形地下連續(xù)墻方案。

表1 基礎方案比較

3 圓形地下連續(xù)墻方案優(yōu)化

基礎方案形式確定后，對整體式圓形地連墻基礎方案進行進一步分析研究。根據該橋地質水文條件，卵石層為承壓水層，而采用整體式圓形地連墻方案，地連墻槽段施工完成后，采用逆筑法施工，分層開挖內部土體一直到基巖面，因此當揭開卵石層時，將面臨著突涌的風險，開挖至巖面時，還可能面臨巖溶裂隙水的突涌問題。根據現(xiàn)場勘察及現(xiàn)場試驗，預測清除完卵石層時，基底總涌水量為4 728 m3/d。

為解決上述工程難點，在圓形地連墻方案的基礎上，提出將卵石層作為拱座基礎的主要持力層方案，并充分利用圓形地連墻的環(huán)向效應，對地基土施加“套箍作用”，使地基土整體處于三向受力狀態(tài)，以提高地基土的強度、承載力，減少基礎沉降，形成“圓形地連墻+卵石層”的復合基礎(圖5)?；拥酌娴脑O計標高為11.0 m，該標高僅需對卵石層進行1 m的開挖，同時將地連墻的內襯厚度均優(yōu)化為1.5 m。由于卵石層受地下水動力作用影響較大，且天然卵石層壓縮性較大，為進一步加強結構安全，以防止基礎發(fā)生過大沉降、不均勻沉降及基底涌水等，對卵石層進行注漿加固。注漿的目的以降低卵石層滲透系數(shù)為主，加固為輔，同時控制地下水動力作用對卵石層力學性質造成的影響。經過比選，注漿工藝采用靜壓注漿工藝。

圖5 圓形地下連續(xù)墻+卵石層注漿基礎方案總體布置(單位：m)

在不考慮地下連續(xù)墻參與受力的情況下，以天然卵石層作為地基條件計算，拱座基礎各項指標均能滿足要求。該方案與整體式圓形地下連續(xù)墻方案相比，工期可由10個月縮短至6個月，工程造價由9 300萬元減至約7 200萬元，優(yōu)勢明顯，風險小，最終實施采用了該方案。

4 結論

平南三橋地質條件復雜，北岸拱座基礎設計是大橋設計的關鍵。大橋最終創(chuàng)新性地采用了“圓形地下連續(xù)墻+卵石層注漿”的新型復合基礎方案，可為今后類似條件的橋梁設計提供有益借鑒。經過對平南三橋北岸拱座基礎方案的比選研究，可得以下結論：

(1) 大跨度拱橋拱座基礎與懸索橋錨碇基礎受力具有一定相似性，都承受巨大的水平力，因此可借鑒地質條件類似的懸索橋錨碇基礎設計經驗，合理選取基礎形式。

(2) 圓形地下連續(xù)墻具有良好的力學性能，且施工適應性強，是一種適用于復雜地質條件的大跨度拱橋基礎形式。

(3) 復雜地質條件下大跨度拱橋設計時，應綜合采用勘察手段，查明地質情況，掌握各風險點，并在基礎方案設計時結合風險點進行設計。

平南三橋已于2020年12月28日順利通車，北岸基礎建設過程也非常順利，進一步驗證了該基礎方案的可靠性。