羅華瑩,張小川
(1.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司,湖北 武漢 430056;2.中鐵大橋局集團有限公司,湖北 武漢 430050)
新建安慶至九江鐵路長江大橋是九江至安慶鐵路的重要組成部分,擬建橋位南側(cè)位于九江縣,北側(cè)位于黃梅縣,距下游已建成通車的長江公路大橋約5.3 km。按四線鐵路橋梁標準建設(shè),其中兩線為客運專線,為高速鐵路等級,設(shè)計荷載采用ZK活載,設(shè)計行車速度為350 km/h;另兩線為預(yù)留外繞線,為雙線Ⅰ級鐵路,設(shè)計荷載采用中-活載,設(shè)計行車速度為200 km/h[1]。
新建安慶至九江鐵路長江大橋包括兩座通航孔橋,其中南汊主航道橋采用8跨連續(xù)雙塔混合箱梁交叉索面斜拉橋方案,跨度布置為(2×50+224+672+174+3×50)m,主橋全長 1 320 m。南汊主航道橋立面布置如圖1所示。
圖1 主橋總體立面布置圖(單位:cm)
橋位在距九江二橋5.3 km的鳊魚洲橋位,該橋位河道順直,九江側(cè)線位正處于城西港區(qū)一、二期開發(fā)片區(qū)之間。
九江地區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū),年平均氣溫16.5~17.0℃,年極端高溫41.2℃,年極端低溫-18.9℃;設(shè)計最大風速V10為25.6 m/s;年平均降水量為1 347~1 440 mm。
橋址斷面處300年一遇的設(shè)計洪水位為23.01 m,設(shè)計洪峰流量為85 700 m3/s,流水最大表面平均流速按照2.94 m/s考慮。
主航道橋最高通航水位為21.85 m,通航孔雙向有效通航凈寬不小于419 m,凈高不小于24 m,通航代表船型及船隊為5 000 t級淺吃水海船、10 000 t級內(nèi)河散貨船或4.8萬t 4排4列船隊。主塔墩按10 000 t級內(nèi)河船舶撞擊力考慮防撞標準。
橋址區(qū)覆蓋層表部主要為軟塑至可塑狀黏性土,鳊魚洲、河槽表層為松散狀的粉、細砂;中部主要為中密至密實狀的砂礫石層;底部為硬塑至堅硬狀黏性土,下伏基巖為弱風化灰?guī)r、弱風化泥質(zhì)灰?guī)r或弱風化角礫狀灰?guī)r?;鶐r埋藏較深,巖溶較發(fā)育,表現(xiàn)在巖面起伏跌宕,巖體內(nèi)存在溶溝、溶隙、溶槽及溶洞等不良地質(zhì)體,溶洞內(nèi)由黏性土和風化灰?guī)r碎塊全充填、半充填或空洞,巖溶發(fā)育深度大多在高程-50 m以上,但個別鉆孔在高程-70 m仍有揭示。單個溶洞或巖溶充填物洞高多為0.1~15.2 m,局部巖溶呈串珠狀,巖溶裂隙發(fā)育[2]。
根據(jù)鉆孔的巖芯取樣試驗,弱風化灰?guī)r單軸飽和極限抗壓強度達到43 MPa,弱風化泥質(zhì)灰?guī)r單軸飽和極限抗壓強度達到24 MPa,弱風化泥質(zhì)角礫狀灰?guī)r單軸飽和極限抗壓強度達到28 MPa。
依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015),橋址處地震基本烈度為Ⅵ度,地震動峰值加速度為0.05g,設(shè)計地震分組屬第一組。根據(jù)橋位工程地質(zhì)條件,橋址區(qū)場地類別為Ⅲ類,地震動反應(yīng)譜特征周期值為0.45 s。
深水基礎(chǔ)形式有沉井基礎(chǔ)、氣壓沉箱基礎(chǔ)、鉆孔樁基礎(chǔ)及組合基礎(chǔ)等[3-4]??紤]到橋址處船撞力大、河道沖刷深以及特殊的地質(zhì)情況——河床分布有20~50 m厚的堅硬黏土層,沉井等穿越該層困難較大,且沉井下沉取土對大堤的安全會造成不利影響[5],灰?guī)r巖面頂有較大傾角,灰?guī)r內(nèi)分布較多形態(tài)不規(guī)則的串珠狀溶洞,沉井及其他管柱基礎(chǔ)等均不具有可實施性。采用大直徑鉆孔樁基礎(chǔ)水平剛度大,同時可減少鉆孔樁數(shù)量,優(yōu)化群樁布置,并減少承臺平面尺寸,其設(shè)計、施工工藝均已較成熟,可適用于各種復(fù)雜不良地質(zhì)條件,樁長適應(yīng)范圍廣,施工質(zhì)量和工期較易控制[6]。故該橋采用大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ),以弱風化灰?guī)r為持力層,按照嵌巖樁進行設(shè)計。
考慮該橋橋址區(qū)基巖強度高,結(jié)合市場既有的設(shè)備現(xiàn)狀及施工技術(shù)水平,為保證大橋施工質(zhì)量和進度、防患施工風險,對主墩采用2.2 m、3.0 m和3.4 m三種樁徑的鉆孔樁基礎(chǔ)方案進行同深度的結(jié)構(gòu)受力分析、綜合比選:84根2.2 m樁基方案;45根3.0 m樁基方案;36根3.4 m樁基方案。主塔墩不同樁徑基礎(chǔ)方案比較見表1。
表1 主塔墩樁基礎(chǔ)方案比較
主塔墩基礎(chǔ)的計算荷載包括恒載、長鋼軌縱向水平力、豎向活載、制動力、橫向搖擺力、風力、水浮力、水流壓力、溫度力、船撞力、地震力等[4,7]。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》(TB 10002—2017)和《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TB 10093—2017)等規(guī)定進行荷載組合,以檢算結(jié)構(gòu)受力。
4號主塔墩基礎(chǔ)在水中,水深流急,若采用先圍堰后平臺的施工方案,在復(fù)雜水域條件下圍堰運輸、定位、下沉施工風險較大,故主塔墩基礎(chǔ)采用先平臺后圍堰的施工方法[6,8]。5號主塔墩位于大堤內(nèi)岸上,為減少基礎(chǔ)施工對大堤的影響,基礎(chǔ)施工前對大堤提前進行主動防護,先完成大堤防護樁、防滲墻的施工。然后利用抓斗船對墩位范圍表層片石進行清理;待片石清理完成后再搭設(shè)鉆孔平臺,進行后期鉆孔樁和圍堰施工。
鉆孔樁采用小樁鉆孔平臺施工,為鋼管樁+貝雷梁形式,并利用履帶吊+門吊配合鉆孔樁施工,鋼護筒插打設(shè)置導(dǎo)向裝置,渡洪期間鉆孔平臺與部分鋼護筒連接以抵抗水流力。
圖2 主塔墩基礎(chǔ)構(gòu)造圖(單位:cm)
承臺采用鋼套箱圍堰施工,施工時最大水深38.0 m,圍堰頂高程20.5 m,圍堰底高程-16.0 m,封底高程-17.5 m,圍堰平面尺寸為59.4 m×40.6 m,高36.5 m,重約4 800t。主墩承臺施工圍堰布置如圖3所示。
主要施工流程:搭設(shè)鉆孔平臺→插打鋼護筒→安裝門吊→施工鉆孔樁→圍堰工廠制造→分塊浮運至墩位→拼裝底節(jié)圍堰→整體提升→拆除鉆孔平臺→下放就位→澆筑刃腳混凝土→拼裝第二節(jié)圍堰→雙壁內(nèi)充水圍堰著床→拼裝第三節(jié)圍堰→分倉澆筑雙壁間混凝土→圍堰內(nèi)吸泥下沉到位→澆筑封底混凝土→抽水施工承臺。
圖3 主墩承臺施工圍堰布置圖(單位:cm)
橋址區(qū)巖溶發(fā)育深度大多在高程-50 m以上,溶洞較發(fā)育,大部分溶洞填充物為硬塑性黏土,部分溶洞填充物性狀為軟塑或流塑狀黏土,呈現(xiàn)半填充或者空洞狀態(tài),鉆進過程中易發(fā)生塌孔、卡鉆、掉鉆、漏漿等現(xiàn)象。在樁基礎(chǔ)施工前,設(shè)計時采用動態(tài)設(shè)計系統(tǒng),對溶洞情況提出預(yù)注漿處理、施工過程中采取其他應(yīng)急處理措施等指導(dǎo)性原則和建議措施,保證樁基順利成孔,減少事故發(fā)生[9]。
為防止施工時擊穿溶洞頂板時發(fā)生頂板垮塌引起塌孔,根據(jù)逐樁鉆孔資料確定的溶洞情況,在鉆孔樁施工前,對溶洞填充物性狀不好或半填充、空洞狀態(tài)的樁基周側(cè),采用先打小孔至溶洞底,下PVC套管,用袖閥花管進行自下而上的分層分段灌漿的方法,將溶洞提前處理密實,減少樁基施工時塌孔的可能性。
鉆進過程中應(yīng)急處理可采用拋填片石黏土法、灌注低標號片石混凝土、鋼護筒跟進法等[9]。
根據(jù)地勘資料顯示,巖溶發(fā)育區(qū)域上方分布有20~50 m厚的堅硬黏土層,鋼護筒穿越該層困難較大,且?guī)r溶發(fā)育深度大多在高程-50 m以上,采用鋼護筒跟進法導(dǎo)致鋼護筒很長,壁厚較厚、成本較高,設(shè)計時不建議采用鋼護筒跟進法。另外根據(jù)現(xiàn)有地勘資料顯示,主塔墩位置處無大型溶洞空溶腔,大多數(shù)巖溶填充物為黏土,故不必采用水下混凝土充填法。從經(jīng)濟性和施工易操作性等方面綜合考慮,設(shè)計建議鉆進過程中采用拋填片石黏土法,即當鉆孔施工接近溶洞頂部時,降低鉆機進尺速度,同時嚴密監(jiān)控孔內(nèi)水頭。當鉆進進入溶洞孔內(nèi)出現(xiàn)水頭迅速下降,應(yīng)立即向孔內(nèi)補充泥漿,同時提鉆至孔口,向孔內(nèi)投入片石、黏土塊和水泥填充溶洞,并采取沖擊鉆反復(fù)沖砸,填塞溶洞、擠密護壁,當孔內(nèi)水頭穩(wěn)定后再繼續(xù)鉆進。拋填片石大小以10~15 cm為宜,建議不要扁平的,利于在鉆頭沖擊下擠密孔壁,黏土與片石的比例宜為 1∶1[10]。
新建安慶至九江鐵路長江大橋是一座主跨跨度為672 m的雙塔混合箱梁交叉索面鐵路斜拉橋,橋址處水深、覆蓋層厚、沖刷深度大、船撞力大,橋位處基巖埋深較深,巖溶發(fā)育,巖面起伏較大。通過對橋塔基礎(chǔ)多種方案的比選,選擇了45根3.0 m鉆孔灌注樁的方案,合理控制了基礎(chǔ)規(guī)模。因該橋位于巖溶發(fā)育區(qū),設(shè)計時采用動態(tài)設(shè)計系統(tǒng),對溶洞情況提出了預(yù)處理與應(yīng)急處理指導(dǎo)性原則、建議措施,保證樁基順利成孔,減少施工事故的發(fā)生,為大橋后期安全有序施工和控制總工期提供了保障,為今后巖溶地區(qū)深水橋梁基礎(chǔ)設(shè)計、施工提供了借鑒。