大跨度鋼性梁柔性拱橋主墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

張金濤 劉俊鋒 梅新詠

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430050)

結(jié)合長(zhǎng)三角城際鐵路規(guī)劃、錫通公路通道規(guī)劃，滬通長(zhǎng)江大橋按4線鐵路(2線滬通鐵路+2線城際鐵路)和6車道高速公路合建。滬通長(zhǎng)江大橋天生港專用航道橋位于2號(hào)～5號(hào)墩間，采用剛性梁柔性拱的鋼拱橋方案，孔跨布置為(141.5+336+141.5) m，如圖1所示。主梁采用三主桁雙層板桁組合結(jié)構(gòu)，桁高15.7 m，桁寬34.5 m，節(jié)間長(zhǎng)14 m；公路與鐵路橋面系均采用正交異性板整體鋼橋面；拱肋為箱形截面柔性拱肋，矢高60 m；吊桿采用平行鋼絲拉索；主橋主墩為3號(hào)、4號(hào)墩(其中3號(hào)墩為固定墩，4號(hào)墩為活動(dòng)墩)，主墩基礎(chǔ)采用36根直徑2.5 m的鉆孔樁，直徑2.8 m的鋼護(hù)筒。

橋址地層以砂類土為主，且具有層序復(fù)雜、相變劇烈、厚度較大的特點(diǎn)。

主墩基礎(chǔ)受力大，建設(shè)條件復(fù)雜，水位較深，地質(zhì)復(fù)雜。

圖1 專用航道橋4線鐵路方案立面示意圖(m)

1 基礎(chǔ)建設(shè)條件

滬通鐵路位于上海市和江蘇省北部，屬長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，橋位區(qū)陸域地貌屬長(zhǎng)江沖積平原的新長(zhǎng)江三角洲，是長(zhǎng)江三角洲的近前緣地段，一般標(biāo)高2～3 m，通常低于長(zhǎng)江的最高潮位和洪水位，形成洪水期暫時(shí)性懸河景觀。陸域地勢(shì)平坦開闊，地面自西向東微傾，兩岸向江邊低傾。北岸地面標(biāo)高相對(duì)較低，一般為2～3 m，南岸地面標(biāo)高2～5 m。近橋位的兩岸平原區(qū)河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)。

1.1 氣象條件

南通市年平均氣溫15.4 ℃，年極端最高氣溫42.2 ℃(1934年7月12日),年極端最低氣溫-12.7 ℃(1931年1月10日)。張家港市年平均氣溫15.6 ℃，年極端最高氣溫38.7 ℃(2007年7月31日),年極端最低氣溫-11.3 ℃(1969年2月6日)。兩地最冷月均為1月，最熱月均為7月，南通市1月平均氣溫3.0 ℃，7月平均氣溫27.5 ℃。張家港市1月平均氣溫2.9 ℃，7月平均氣溫27.7 ℃。

1.2 設(shè)計(jì)風(fēng)速

根據(jù)江蘇省氣象科學(xué)研究所完成的專題研究報(bào)告，按百年一遇，距地面10 m高、10 min平均最大風(fēng)速V10=38.20 m/s作為設(shè)計(jì)基本風(fēng)速。

1.3 橋渡水文

橋址區(qū)處于長(zhǎng)江河口段，為感潮河段，受徑流和潮流雙向水流作用。天生港站距離擬建滬通鐵路橋約3 km，有較長(zhǎng)系列的實(shí)測(cè)潮位。根據(jù)實(shí)測(cè)資料、數(shù)模計(jì)算、定床物模試驗(yàn)，求出天生港站高低潮位與橋址斷面高低潮位相關(guān)方程，利用天生港站不同頻率潮位，計(jì)算橋址斷面不同頻率高低潮位，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.4 沖刷

沖刷計(jì)算采用實(shí)測(cè)資料推算的設(shè)計(jì)單寬流量，結(jié)合水工試驗(yàn)成果，按TBJ 17-86《鐵路橋渡勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，得出3號(hào)墩最大沖刷局部22 m，4號(hào)墩最大局部沖刷27 m。

1.5 工程地質(zhì)

橋址位于長(zhǎng)江三角洲平原區(qū)，海陸交互頻繁，地層成因復(fù)雜，區(qū)內(nèi)第四系為一套河湖、濱海相松散沉積物，總厚度可達(dá)240 m(其厚度受基巖面標(biāo)高變化及長(zhǎng)江侵蝕深度控制)。第四系土層的形成和結(jié)構(gòu)與長(zhǎng)江三角洲的發(fā)育、江海變遷、氣候、植被等自然變化有著密切的聯(lián)系，具有層序復(fù)雜、相變劇烈、厚度較大的特點(diǎn)。覆蓋層多為松散～中密粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土，力學(xué)強(qiáng)度低，工程地質(zhì)性能差，不能做基礎(chǔ)持力層。覆蓋層中下部的密實(shí)狀粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂、硬塑～堅(jiān)硬狀粉質(zhì)黏土，工程性能較好，可作為基礎(chǔ)持力層。

1.6 地震

主跨336 m拱橋的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)取一般沖刷線位置處的地震動(dòng)參數(shù)。多遇地震水平地震動(dòng)峰值加速度為0.075 g，設(shè)計(jì)地震水平地震動(dòng)峰值加速度為0.13 g。

1.7 船撞力

根據(jù)研究結(jié)果，本橋通航孔橋墩設(shè)置防撞裝置，其它橋墩依靠橋墩結(jié)構(gòu)自身防撞，3號(hào)、4號(hào)橋墩船撞力如表1所示。

表1 專用航道橋船撞力表

2 主墩基礎(chǔ)形式比選分析

專用航道橋(140+336+140)m連續(xù)鋼桁梁由于主墩(3、4號(hào)墩)船撞力及地震力較大，船撞力組合下橫橋向最大彎矩 950 840 kN·m，地震力組合下橫橋向最大彎矩 1 766 150 kN·m，在滿足結(jié)構(gòu)受力及剛度要求的前提下，對(duì)沉井基礎(chǔ)、鉆孔樁基礎(chǔ)進(jìn)行綜合比選分析。沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)如圖2所示，鉆孔樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 專用航道橋沉井基礎(chǔ)示意圖(cm)

圖3 專用航道橋 3號(hào)、4號(hào)主墩鉆孔樁基礎(chǔ)示意圖(cm)

2.1 沉井基礎(chǔ)方案

3號(hào)、4號(hào)主墩沉井基礎(chǔ)平面尺寸為39.2 m×25.2 m，沉井頂標(biāo)高-5.0(-12.0) m。沉井外井壁厚1.6 m，隔墻厚度1.2 m，沉井平面布置6個(gè)11.2 m×10.4 m井孔。按沖刷深度及結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，沉井高78 m，沉井底封底混凝土厚9 m，沉井頂承臺(tái)厚5 m。依據(jù)施工期間沖刷深度，沉井底部設(shè)置鋼沉井，鋼沉井高35 m，其余部分為混凝土沉井[1-2]。

2.2 樁基礎(chǔ)方案

3號(hào)、4號(hào)墩采用36φ2.5 m鉆孔樁基礎(chǔ)，按摩擦樁、行列式布置設(shè)計(jì)，樁長(zhǎng)115～120 m，樁底持力層為粉質(zhì)粘土。承臺(tái)為矩形，平面尺寸55 m×25 m×6.5 m(橫橋向×縱橋向×承臺(tái)厚)。

2.3 主墩基礎(chǔ)方案綜合比選

樁基礎(chǔ)為柔性基礎(chǔ)，能適應(yīng)各種不同的地質(zhì)條件，施工工藝也較為成熟，工期適中，承臺(tái)圍堰封底、施工質(zhì)量控制等技術(shù)均較為成熟[3]。本設(shè)計(jì)樁徑較大，比較適合采用鉆孔樁基礎(chǔ)施工[1]。

矩形沉井基礎(chǔ)為整體剛性基礎(chǔ)，整體性和穩(wěn)定性較好，基礎(chǔ)變形小[4]。與鉆孔樁基礎(chǔ)相比,承受船撞和地震等巨大水平力作用時(shí)結(jié)構(gòu)受力較好，但造價(jià)偏高，且施工工期較鉆孔樁長(zhǎng)[5]。兩種方案綜合對(duì)比如表2所示。

表2 專用航道橋鉆孔樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)綜合對(duì)比表

由以上分析可以看出，受水深條件的影響，如果采用沉井基礎(chǔ)，沉井的浮運(yùn)、運(yùn)輸?shù)染欣щy，施工難度較大。故該主橋基礎(chǔ)推薦采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 墩身設(shè)計(jì)

墩身設(shè)計(jì)高度根據(jù)設(shè)計(jì)高程及承臺(tái)頂標(biāo)高確定，墩身采用C40混凝土，3號(hào)墩設(shè)計(jì)墩高41.8 m，4號(hào)墩設(shè)計(jì)墩高50.7 m。為減少墩身設(shè)計(jì)工程量，墩身采用墩頂設(shè)置墩帽的單箱三室的空心墩結(jié)構(gòu)，墩帽頂平面尺寸42 m×9 m×1.5 m(橫橋向×縱橋向×厚度)；墩帽底尺寸37 m×8 m(橫橋向×縱橋向)，墩身縱向外輪廓采用40∶1坡度放坡至墩底，空心墩縱向內(nèi)壁采用60∶1放坡至墩底[6]，墩身縱向壁厚隨墩身外壁放坡而逐漸增大，標(biāo)高+10 m到承臺(tái)頂設(shè)置防撞填芯混凝土。

3.2 樁基承臺(tái)設(shè)計(jì)

專用航道橋3號(hào)、4號(hào)主墩均采用36φ2.5 m鉆孔樁基礎(chǔ)，按摩擦樁、行列式布置設(shè)計(jì)，3號(hào)墩設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)120 m，4號(hào)墩設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)115 m。樁頂設(shè)δ=20 mmφ2.8 m鋼護(hù)筒，樁身采用C40混凝土，樁底持力層為粉質(zhì)粘土。承臺(tái)為矩形，采用C45混凝土，平面尺寸55 m×25 m×6.5 m(橫橋向×縱橋向×承臺(tái)厚)。

3.3 主要施工方法

3號(hào)、4號(hào)主墩承臺(tái)采用雙壁鋼套箱圍堰方案施工。施工時(shí)先插打鋼護(hù)筒，建立施工平臺(tái)，鉆孔，灌注混凝土。圍堰在工廠分塊制造，碼頭下河，通過浮吊吊裝至拼裝平臺(tái)。鉆孔樁施工結(jié)束后，經(jīng)樁基檢測(cè)合格，開始鋼圍堰的拼裝。然后下放圍堰至設(shè)計(jì)標(biāo)高，定位固定，澆筑封底混凝土。待封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，抽水形成無水環(huán)境，再進(jìn)行承臺(tái)、墩身結(jié)構(gòu)施工。墩身采用整體鋼模板現(xiàn)場(chǎng)澆注翻模法施工。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)滬通長(zhǎng)江大橋?qū)Ｓ煤降罉蚧A(chǔ)方案進(jìn)行分析，根據(jù)主墩基礎(chǔ)建設(shè)條件、結(jié)構(gòu)受力特性、經(jīng)濟(jì)性能、施工便捷性等，對(duì)鉆孔樁基礎(chǔ)方案和沉井基礎(chǔ)進(jìn)行了方案比選，最終推薦采用樁基礎(chǔ)方案，可為今后類似建設(shè)條件的橋梁結(jié)構(gòu)可以提供參考。