秀山跨海大橋深水無覆蓋層基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工

田杰

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京市 100088)

1 工程概況

浙江舟山秀山跨海大橋主橋?yàn)橹骺?26 m三跨連續(xù)彈性支承體系鋼箱梁懸索橋，纜跨布置為(269+926+362)m=1 557 m，梁跨布置為(264+926+357)m=1 547 m，主纜矢跨比為1/8.86，采用φ5.35 mm、1 770 MPa預(yù)制平行鋼絲索股法(PPWS)制作，吊索采用φ5.0 mm、1 670 MPa平行鋼絲制作，主索鞍采用全鑄造結(jié)構(gòu)，散索鞍采用鑄焊結(jié)構(gòu)，主梁采用流線形扁平鋼箱梁，梁高3.0 m，標(biāo)準(zhǔn)梁段梁寬30 m，其中M11～M15 梁段位于平曲線段為變寬梁段。索塔為高度175 m門式框架結(jié)構(gòu)，塔柱之間設(shè)置上、下兩道橫梁，官山側(cè)索塔為擴(kuò)大基礎(chǔ)，秀山側(cè)索塔為群樁基礎(chǔ)，索塔處設(shè)置橫向抗風(fēng)支座、豎向彈性拉壓支座、縱向限位擋塊及縱向阻尼裝置錨碇橫梁處設(shè)置豎向支座、橫向抗風(fēng)支座，加勁梁南北兩端各設(shè)一道伸縮縫，官山側(cè)不受約束的伸縮量為±520 mm，秀山側(cè)不受約束的伸縮量為±640 mm。官山側(cè)、秀山側(cè)錨碇均采用重力錨，采用分步式傳力錨固系統(tǒng)，單側(cè)錨體共5塊錨固板，錨固板布置鋼筋混凝土榫剪力連接鍵。

官山側(cè)引橋上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋跨布置為2×27 m，下部結(jié)構(gòu)采用實(shí)心片墩；副通航孔橋?yàn)?81+4×153+81)m六跨連續(xù)-剛構(gòu)變截面箱梁，位于半徑1 600 m的平面曲線上，其中7#、8#、9#主墩固結(jié)，兩側(cè)6#、10#主墩及過渡墩設(shè)置豎向支座，主梁采用上下行分幅布置，采用預(yù)制節(jié)段懸臂拼裝，體內(nèi)體外混合配束，下部結(jié)構(gòu)采用花瓶形空心墩、群樁基礎(chǔ)；秀山側(cè)引橋橋跨布置為(7×40+5×40+5×40)m=680 m，采用預(yù)制節(jié)段先簡(jiǎn)支后連續(xù)架橋機(jī)拼裝施工，體內(nèi)體外混合配束，下部結(jié)構(gòu)采用花瓶形實(shí)心片墩，群樁基礎(chǔ)，重力式橋臺(tái)。主橋及副通航孔橋橋型布置圖見圖1、2。

圖1 主橋橋型布置圖(單位：m)

圖2 副通航孔橋橋型布置圖(單位：m)

1.1 建設(shè)條件

(1)氣象

該工程?hào)|臨東海，季風(fēng)顯著風(fēng)速大，春季多霧，夏季多熱帶氣旋，臺(tái)風(fēng)登陸過境頻繁，影響施工災(zāi)害性天氣主要為大風(fēng)(臺(tái)風(fēng))、雨、雷暴和霧。極端最高溫38.6 ℃,最低溫-6.7 ℃,100年一遇10 m高度基準(zhǔn)風(fēng)速為44.5 m/s。

(2)水文

橋位潮汐漲落潮歷時(shí)6 h左右，最大潮差約4 m，100年一遇漲落時(shí)，3#站設(shè)計(jì)流速最大，漲潮流速為4.55 m/s，落潮流速為3.99 m/s，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大流速約為4 m/s，通航水道海床基本穩(wěn)定，水道底床地形起伏大，一般水深30～90 m，最大水深103 m，設(shè)計(jì)最高通航水位+3.13 m，最低通航水位-2.20 m，主通航孔單孔雙向通航凈寬778 m，通航凈高54.5 m，副通航孔單孔雙向通航凈寬113 m，通航凈高19.5 m。

(3)地質(zhì)

橋區(qū)內(nèi)水底地形因島礁分布雜亂，加之潮流沖刷作用形成的眾多深槽，致使水底地形起伏頻繁，水深相差較大，最深達(dá)80 m。在臨近島礁附近，水深流急，形成各島礁之間眾多復(fù)雜的水道分布。

水下岸坡為平均低潮線以下海底地形起伏較大部分，該區(qū)海底以侵蝕為主，物探和鉆探揭示第四系覆蓋層較薄或缺失，水下岸坡以裸露基巖為主，坡度達(dá)20°～35°，暗礁密布，水下地形復(fù)雜，水流湍急，水深者達(dá)70～90 m。

1.2 復(fù)雜水文地質(zhì)條件下樁基礎(chǔ)施工簡(jiǎn)述

海洋環(huán)境基礎(chǔ)施工條件復(fù)雜，可能面臨如下困難：水深流急、水位漲落規(guī)律性較差、流態(tài)紊亂、風(fēng)浪影響大、潮汐影響劇烈、河床覆蓋層薄且地形復(fù)雜、巖層傾斜強(qiáng)度高、巖面高差大以及存在流砂或巖溶等不良地質(zhì)的情況。此類環(huán)境下樁基礎(chǔ)施工,采取常規(guī)的打入鋼管樁作為施工平臺(tái)時(shí),對(duì)于強(qiáng)度較高基巖鋼管打入難度大，在風(fēng)-浪-流聯(lián)合作用下,因鋼管樁自身柔度較大,鋼管樁自身無法穩(wěn)固、平聯(lián)焊縫會(huì)被撕裂且自身會(huì)被折斷；采用圍堰施工，需設(shè)計(jì)的異形刃腳難以與基床面完全匹配，對(duì)控制施工質(zhì)量要求高。中國(guó)工程例如鄂黃長(zhǎng)江大橋、蘇通大橋、望東長(zhǎng)江大橋、平潭海峽大橋等樁基施工過程中均遇到類似問題，施工方案選擇包括先樁后圍堰、先圍堰后樁、鋼吊箱等，鉆孔平臺(tái)采用臨時(shí)鋼管樁搭設(shè)、利用鋼護(hù)筒搭設(shè)及專用浮式平臺(tái)等，近期法國(guó)留尼旺跨海大橋即采用自行式浮動(dòng)平臺(tái)完成下部及上部預(yù)制節(jié)段施工，展示了大型先進(jìn)海工裝備在工程上的應(yīng)用前景。

該文以秀山跨海大橋秀山主塔及副通航孔橋10#橋墩樁基礎(chǔ)為例，介紹在復(fù)雜海域傾斜裸巖條件下樁基設(shè)計(jì)與施工過程，秀山主塔樁基施工首先搭設(shè)起始平臺(tái)，然后逐根推進(jìn)鉆樁完成鉆孔平臺(tái)，先樁后圍堰施工，采用高低刃腳雙層鋼圍堰方案；副通航孔橋10#橋墩樁基施工借助長(zhǎng)旭浮動(dòng)平臺(tái)完成樁基施工平臺(tái)，采用浮吊完成鋼套箱整體下放進(jìn)行承臺(tái)澆筑，下文將分別介紹相關(guān)設(shè)計(jì)與施工過程。

2 秀山主塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工

2.1 施工環(huán)境

秀山主塔承臺(tái)底標(biāo)高-3.8 m，基礎(chǔ)位置左幅海底標(biāo)高為-5.09～-13.31 m，右幅海底標(biāo)高為-4.47～-11.52 m，海底基巖傾斜直接出露，出露地層巖性為強(qiáng)～微風(fēng)化晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化層厚0.8～7.4 m不等，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為38.1～42.34 MPa，中風(fēng)化晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為64.3 MPa，施工期最大流速3.88 m/s。

2.2 樁基、承臺(tái)構(gòu)造設(shè)計(jì)

主塔承臺(tái)/系梁頂標(biāo)高+3.5 m，底標(biāo)高-3.8 m，系梁底標(biāo)高-1.0 m。每個(gè)塔柱下設(shè)置半徑11.8 m的圓形承臺(tái)，厚7.3 m，系梁高4.5 m，承臺(tái)下設(shè)置24根直徑2.8 m的樁基，樁底標(biāo)高為-25.5 m,樁端持力層為中風(fēng)化晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，樁基需穿過強(qiáng)風(fēng)化和極破碎中風(fēng)化層，樁端持力層巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)以上，進(jìn)入此巖層不小于3 m，累積進(jìn)入中風(fēng)化巖層不小于8 m，秀山側(cè)承臺(tái)樁基鋼護(hù)筒不參與受力。

2.3 圍堰構(gòu)造設(shè)計(jì)

承臺(tái)采用兩個(gè)獨(dú)立的圓形雙薄壁圍堰圍水施工，鋼圍堰為防撞消能的永久結(jié)構(gòu)，要求其外壁鋼板厚不小于16 mm，雙壁間距不小于2 m，中間灌注海工混凝土，并對(duì)其鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理，防腐涂裝設(shè)計(jì)參照J(rèn)TS 153-3-2007《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》要求，防腐設(shè)計(jì)年限不小于20年，分為鋼圍堰外壁板浪濺區(qū)和水下區(qū)兩種防腐體系，涂裝系統(tǒng)包括底漆、中間漆及面漆，采用環(huán)氧樹脂及聚氨酯產(chǎn)品，運(yùn)營(yíng)期間對(duì)圍堰外表面進(jìn)行清潔復(fù)涂養(yǎng)護(hù)，圍堰內(nèi)混凝土設(shè)計(jì)滿足防撞及耐久性設(shè)計(jì)要求，秀山橋塔基礎(chǔ)圍堰見圖3。

圖3 設(shè)計(jì)圍堰布置圖(單位：mm)

大直徑深鉆孔群樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一般由船撞力和地震力控制，該橋地震力不控制設(shè)計(jì)，只進(jìn)行船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)及防撞方案專題研究，為提高整體防撞能力，承臺(tái)封底從海底開始澆筑，與樁基連為一體提高整體剛度，避免船舶直接撞擊樁基。系梁施工擬采用插打臨時(shí)樁，設(shè)置鋼套箱與兩側(cè)圓形鋼圍堰連接后封水進(jìn)行施工。

2.4 施工方案

根據(jù)設(shè)計(jì)文件及現(xiàn)場(chǎng)條件，樁基施工進(jìn)行多方案比選，經(jīng)過有限元計(jì)算最終確定方案為先樁后圍堰，設(shè)計(jì)高低刃腳雙層鋼圍堰，采用浮吊整體下放。

2.4.1 樁基施工

海上樁基施工思路是搭設(shè)鉆孔平臺(tái)變水上施工為“陸上”施工，根據(jù)秀山主塔位置地質(zhì)水文條件，利用塔位附近出露燈塔明礁搭設(shè)起始平臺(tái)，起始平臺(tái)尺寸為31 m×28 m，采用φ820 mm×10 mm鋼管樁，樁間設(shè)置平聯(lián)及剪刀撐，樁頂設(shè)置分配梁及δ=10 mm平臺(tái)面板，平臺(tái)底采用δ=10 mm鋼板與I14型鋼組成單壁鋼圍堰，圍堰底部形狀根據(jù)礁石地形進(jìn)行修整切割，平臺(tái)在岸上加工制作完成后采用浮吊整體下放，待調(diào)整到位在圍堰底部澆筑混凝土，使起始平臺(tái)固定在海床上。

以起始平臺(tái)為基礎(chǔ)向前層層推進(jìn)，利用懸臂導(dǎo)向架延伸搭設(shè)擴(kuò)展平臺(tái)，再利用懸臂導(dǎo)向架和CK900型沖擊鉆逐根施工φ1 020 mm×10 mm鋼管樁完成鉆孔平臺(tái)，以此為工作臺(tái)采用8臺(tái)CK2800型沖擊鉆進(jìn)行主塔樁基施工、兩臺(tái)CK2500型沖擊鉆進(jìn)行主塔防撞隔離墩樁基施工，鋼護(hù)筒內(nèi)設(shè)剪力環(huán)，傾斜度要求1/200，平面偏位控制為5 cm，采用沖擊鉆沖孔跟進(jìn)工藝施工。

2.4.2 鋼圍堰施工

秀山主塔鋼圍堰平面呈圓形，直徑28 m，壁厚2 m，左幅圍堰總高8.89～17.11 m，頂標(biāo)高+3.80 m，圍堰底標(biāo)高-5.09～-13.31 m，右幅圍堰總高8.27～15.32 m，頂標(biāo)高+3.80 m，圍堰底標(biāo)高-4.47～-11.52 m，圍堰上部設(shè)置為雙壁結(jié)構(gòu)，外壁板壁厚δ=16 mm，內(nèi)壁板壁厚δ=6 mm，下部設(shè)置為裙擺單壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)，裙擺設(shè)置在外壁板側(cè)，高度48～300 cm，圍堰內(nèi)設(shè)8個(gè)隔艙并設(shè)置封堵板，使圍堰可以自浮。鋼圍堰由壁板、背肋、環(huán)向桁片、斜撐、鋼箱及內(nèi)支撐等組成，平面每節(jié)劃分為8塊，豎向分兩節(jié)，共16塊，左幅圍堰總重358 t，右幅圍堰總重334 t。

鋼圍堰在附近船廠分小節(jié)加工制作、整體組拼，利用浮吊調(diào)運(yùn)至橋位在平潮期下放、定位錨固，鋼圍堰封底采用C25水下混凝土，從海床面澆筑至承臺(tái)底。系梁圍堰采用插板式鋼結(jié)構(gòu)，圍堰壁厚1.2 m，通過承臺(tái)鋼圍堰卡槽與之相連，系梁圍堰作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)后期拆除，海平面以下部分由潛水員進(jìn)行水下切割，圍堰底與基巖不貼合處事先由潛水員下水采用小麻袋水泥進(jìn)行封堵，澆筑C25封底混凝土至系梁底，由于承臺(tái)海底為傾斜裸露基巖，局部淺覆蓋層由潛水員高壓射水沖洗，該方案現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果良好達(dá)到了預(yù)期結(jié)果，待封底混凝土澆筑完畢，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)后抽水進(jìn)行承臺(tái)施工，承臺(tái)按大體積混凝土要求分層澆筑，最后鋼圍堰層間灌注混凝土完成基礎(chǔ)施工。

2.4.3 承臺(tái)及系梁施工

秀山側(cè)主塔承臺(tái)海底基巖直接出露，出露地層巖性為強(qiáng)玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，承臺(tái)混凝土分3次進(jìn)行澆筑，第1次澆筑至-1.0 m(系梁底面)，第2次澆筑至承臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)高(預(yù)留系梁澆筑槽口)，第3次澆筑系梁混凝土。

3 副通航孔橋10#墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工

3.1 施工環(huán)境

10#橋墩樁位處覆蓋層厚為0.3～1.5 m，水深約30 m，地層情況為：強(qiáng)風(fēng)化晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為35.76 MPa；中風(fēng)化晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為64.5 MPa；強(qiáng)風(fēng)化霏細(xì)斑巖，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為38.1 MPa；中風(fēng)化霏細(xì)斑巖，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為66.2 MPa，巖層傾角250°左右，局部巖層高程起伏較大，施工期最大流速為3.56 m/s。

3.2 樁基、承臺(tái)構(gòu)造設(shè)計(jì)

10#橋墩為墩梁固結(jié)墩，群樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)由船撞力控制，采用六邊形承臺(tái)，平面尺寸為23.25 m×16.5 m。承臺(tái)厚5.0 m，頂標(biāo)高+3.0 m。頂面噴涂2 mm丙烯酸聚合物水泥漿，承臺(tái)墊層厚0.3 m，與承臺(tái)同標(biāo)號(hào)。封底澆筑至承臺(tái)底以下0.15 m，要求鑿除頂面0.15 m，隨后一起澆筑墊層和承臺(tái)混凝土，承臺(tái)頂面和側(cè)面設(shè)置不銹鋼鋼筋網(wǎng)。

承臺(tái)底設(shè)置10根直徑2.50 m的樁基，要求樁基穿過強(qiáng)風(fēng)化和極破碎中風(fēng)化層，樁端中風(fēng)化巖層巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)及以上，完整性不低于破碎和鑲嵌破碎，且進(jìn)入此巖層不小于3 m，累積進(jìn)入中風(fēng)化巖層不小于8 m，設(shè)置不少于4個(gè)施工勘驗(yàn)孔，樁基鋼護(hù)筒參與受力，內(nèi)徑2.9 m，壁厚不小于18 mm，設(shè)置剪力環(huán)與樁身連接；鋼護(hù)筒要求打到強(qiáng)風(fēng)化巖面，鋼護(hù)筒傾斜度要求1/200，平面偏位控制為5 cm，鋼護(hù)筒防腐年限不小于20年。在鋼護(hù)筒與巖面交界處增設(shè)一層主筋，伸入鋼護(hù)筒4 m，伸入巖層5 m。

3.3 施工方案

10#墩海底基巖傾斜裸露且無覆蓋層，設(shè)計(jì)文件中建議施工方案為在岸上按海底高程制作各樁位處長(zhǎng)度不同的鋼護(hù)筒，縱橫連為一體，再制作符合海底地形的鋼圍堰，與鋼護(hù)筒底部形成整體結(jié)構(gòu)，浮運(yùn)到橋位后整體下放形成鉆孔平臺(tái)，然后施工樁基、承臺(tái)。現(xiàn)場(chǎng)施工過程中經(jīng)各方討論，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備及施工單位相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，決定采用長(zhǎng)旭平臺(tái)輔助進(jìn)行樁基施工作業(yè)，經(jīng)專家方案論證及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明此方案可行，具有經(jīng)濟(jì)、進(jìn)度快及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

10#墩樁基施工流程：采用長(zhǎng)旭平臺(tái)作為起始平臺(tái)，長(zhǎng)旭平臺(tái)作為可移動(dòng)自浮式專用平臺(tái)可以靈活布置在水深限制范圍內(nèi)作業(yè)海域，設(shè)置可升降4根支柱，根據(jù)海底地形條件長(zhǎng)旭平臺(tái)精確定位于輔助平臺(tái)南側(cè)，下放平臺(tái)支腿并水下探摸，通過支腿調(diào)整措施確保支腿底部與海底密貼。在長(zhǎng)旭平臺(tái)側(cè)舷焊接定位導(dǎo)向架，進(jìn)行輔助平臺(tái)鋼管樁施工，鋼管樁需鉆孔、嵌巖、下放鋼筋籠、澆筑混凝土，確保輔助平臺(tái)鋼管樁錨固在海底，完成輔助平臺(tái)后長(zhǎng)旭平臺(tái)退出工作；接長(zhǎng)輔助平臺(tái)導(dǎo)向架，下放鋼護(hù)筒并鉆孔、嵌巖、封底錨固鋼護(hù)筒，最后聯(lián)結(jié)形成鉆孔平臺(tái)，投入4臺(tái)沖擊鉆隔孔進(jìn)行鉆孔樁施工，成孔后灌注水下混凝土。

鋼吊箱委托專業(yè)廠家在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，采用單壁鋼吊箱結(jié)構(gòu)，壁體分8塊制作后于16#墩鉆孔平臺(tái)上整體組拼。采用浮吊吊裝下放，在壁體上設(shè)置連通器，鋼吊箱下放過程向鋼吊箱內(nèi)注水，吊箱安裝定位后，進(jìn)行鋼護(hù)筒抱箍及封孔板安裝，隨后進(jìn)行封底混凝土澆筑，厚度為2.0 m，當(dāng)封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，關(guān)閉連通器抽水，隨后分兩層澆筑承臺(tái)混凝土完成基礎(chǔ)施工。

4 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了秀山跨海大橋復(fù)雜海域裸露傾斜基巖樁基設(shè)計(jì)與施工，考慮滿足船舶撞擊及施工過程克服風(fēng)-浪-流聯(lián)合作用下鋼管樁與平臺(tái)搭設(shè)、鋼圍堰制作及施工等難題，重點(diǎn)介紹了施工方案的技術(shù)可行性。