新建安九鐵路長江大橋主塔墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工

羅華瑩，張小川

（1.中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430056;2.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430050）

1 概述

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(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，其中兩線為客運(yùn)專線，為高速鐵路等級，設(shè)計(jì)荷載采用ZK活載，設(shè)計(jì)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(jì)荷載采用中-活載，設(shè)計(jì)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）

2 建設(shè)條件

2.1 地形與地貌

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。

2.2 氣象與水文

九江地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)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(jì)最大風(fēng)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(jì)洪水位為23.01 m，設(shè)計(jì)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。

2.3 通航與防撞

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(duì)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(duì)。主塔墩按10 000 t級內(nèi)河船舶撞擊力考慮防撞標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 工程地質(zhì)

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(xì)砂；中部主要為中密至密實(shí)狀的砂礫石層；底部為硬塑至堅(jiān)硬狀黏性土，下伏基巖為弱風(fēng)化灰?guī)r、弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r或弱風(fēng)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(fēng)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(gè)別鉆孔在高程-70 m仍有揭示。單個(gè)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(yàn)，弱風(fēng)化灰?guī)r單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度達(dá)到43 MPa，弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度達(dá)到24 MPa，弱風(fēng)化泥質(zhì)角礫狀灰?guī)r單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度達(dá)到28 MPa。

2.5 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《中國地震動(dòng)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(dòng)峰值加速度為0.05g，設(shè)計(jì)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(dòng)反應(yīng)譜特征周期值為0.45 s。

3 主塔墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 基礎(chǔ)形式選擇

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]。考慮到橋址處船撞力大、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(jiān)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(huì)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(shí)施性。采用大直徑鉆孔樁基礎(chǔ)水平剛度大，同時(shí)可減少鉆孔樁數(shù)量，優(yōu)化群樁布置，并減少承臺(tái)平面尺寸，其設(shè)計(jì)、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(fēng)化灰?guī)r為持力層，按照嵌巖樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 樁徑選擇

考慮該橋橋址區(qū)基巖強(qiáng)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(jìn)度、防患施工風(fēng)險(xiǎn)，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(jìn)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

3.3 主塔墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主塔墩基礎(chǔ)的計(jì)算荷載包括恒載、長鋼軌縱向水平力、豎向活載、制動(dòng)力、橫向搖擺力、風(fēng)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(jì)規(guī)范》（TB 10002—2017）和《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10093—2017）等規(guī)定進(jìn)行荷載組合，以檢算結(jié)構(gòu)受力。

4 主塔墩基礎(chǔ)施工

4號主塔墩基礎(chǔ)在水中，水深流急，若采用先圍堰后平臺(tái)的施工方案，在復(fù)雜水域條件下圍堰運(yùn)輸、定位、下沉施工風(fēng)險(xiǎn)較大，故主塔墩基礎(chǔ)采用先平臺(tái)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(jìn)行主動(dòng)防護(hù)，先完成大堤防護(hù)樁、防滲墻的施工。然后利用抓斗船對墩位范圍表層片石進(jìn)行清理；待片石清理完成后再搭設(shè)鉆孔平臺(tái)，進(jìn)行后期鉆孔樁和圍堰施工。

鉆孔樁采用小樁鉆孔平臺(tái)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(hù)筒插打設(shè)置導(dǎo)向裝置，渡洪期間鉆孔平臺(tái)與部分鋼護(hù)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(tái)采用鋼套箱圍堰施工，施工時(shí)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(tái)施工圍堰布置如圖3所示。

主要施工流程：搭設(shè)鉆孔平臺(tái)→插打鋼護(hù)筒→安裝門吊→施工鉆孔樁→圍堰工廠制造→分塊浮運(yùn)至墩位→拼裝底節(jié)圍堰→整體提升→拆除鉆孔平臺(tái)→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(tái)。

圖3 主墩承臺(tái)施工圍堰布置圖（單位：cm）

5 深水巖溶處理措施

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(jìn)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(jì)時(shí)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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]。

5.1 巖溶預(yù)注漿處理

為防止施工時(shí)擊穿溶洞頂板時(shí)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(jìn)行自下而上的分層分段灌漿的方法，將溶洞提前處理密實(shí)，減少樁基施工時(shí)塌孔的可能性。

5.2 鉆進(jìn)過程中的溶洞處理

鉆進(jìn)過程中應(yīng)急處理可采用拋填片石黏土法、灌注低標(biāo)號片石混凝土、鋼護(hù)筒跟進(jìn)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(jiān)硬黏土層，鋼護(hù)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(hù)筒跟進(jìn)法導(dǎo)致鋼護(hù)筒很長，壁厚較厚、成本較高，設(shè)計(jì)時(shí)不建議采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)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(jì)性和施工易操作性等方面綜合考慮，設(shè)計(jì)建議鉆進(jìn)過程中采用拋填片石黏土法，即當(dāng)鉆孔施工接近溶洞頂部時(shí)，降低鉆機(jī)進(jìn)尺速度，同時(shí)嚴(yán)密監(jiān)控孔內(nèi)水頭。當(dāng)鉆進(jìn)進(jìn)入溶洞孔內(nèi)出現(xiàn)水頭迅速下降，應(yīng)立即向孔內(nèi)補(bǔ)充泥漿，同時(shí)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(hù)壁，當(dāng)孔內(nèi)水頭穩(wěn)定后再繼續(xù)鉆進(jìn)。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]。

6 結(jié)語

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(jì)時(shí)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(jì)、施工提供了借鑒。