黏性土地區(qū)懸索橋錨碇沉井基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究

鄒永偉，徐升橋，金 令

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

懷來官廳水庫特大橋是一座市政特大型橋梁，位于張家口市懷來縣，連接南北兩岸新城，道路標準為城市主干路，設(shè)計行車速度60 km/h。該橋為官廳水庫上的第三座橋梁，與既有京包鐵路并行跨越官廳水庫。官廳水庫為北京市一級水源保護區(qū)，主橋為720 m單跨懸索橋，主纜分跨布置(210+720+210) m，見圖1。加勁梁采用免涂裝耐候鋼-混凝土組合梁，索塔采用混凝土門式索塔，兩岸錨碇采用重力式結(jié)構(gòu)，錨碇基礎(chǔ)采用混凝土沉井基礎(chǔ)[1-2]。

圖1 懷來官廳水庫大橋主橋布置(單位：m)

2 建設(shè)條件

橋址區(qū)域?qū)儆趹褋砼璧兀貏葺^平坦。年平均氣溫10.5 ℃，最冷一月平均氣溫-6.7 ℃；極端最高氣溫40.3 ℃，極端最低氣溫-21.7 ℃。全年平均風速約2.6 m/s，最大風速24.0 m/s。

官廳水庫總庫容41.6億m3，勘測水位471.60 m，規(guī)劃蓄水位474.62 m，正常蓄水位477.62 m，設(shè)計水位484.56 m，以上水位均為國家85高程基準。冬季結(jié)冰，根據(jù)相關(guān)資料，水庫建成蓄水后，橋址處冰層厚度按0.61 m考慮。

橋址區(qū)土層覆蓋層較厚，勘測時未見基巖。地層主要包括粉土、細砂、粉質(zhì)黏土，局部夾層圓礫土、粗砂，以硬塑粉質(zhì)黏土為主。地震基本烈度為8度，設(shè)計地震加速度值為0.20g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s[3]。

3 技術(shù)特點

橋址處環(huán)保要求高，常年風速大，冬季氣溫低，抗震設(shè)防等級高，官廳水庫特大橋主橋一跨跨越水源保護區(qū)水面。南北岸錨碇，地面高程分別為475.60，478.20 m，沉井均為陸地沉井。

國內(nèi)大型沉井主要位于長江中下游地區(qū)，北方黏性土地區(qū)沉井建造的最大難題是井壁側(cè)摩阻大，沉井下沉困難。井壁與土體之間的摩阻力，公路規(guī)范、鐵路規(guī)范均給出了參考值，黏性土的側(cè)摩阻25～50 kPa，砂土的側(cè)摩阻12～25 kPa[4-5]。

沉井基礎(chǔ)的整體受力特點，屬于深埋擴大基礎(chǔ)[6]。沉井基礎(chǔ)設(shè)計施工的關(guān)鍵點，是將沉井順利下沉就位。為滿足下沉要求，可采取的方法包括增加沉井自重和設(shè)置助沉措施等[7]。作為懸索橋的錨碇基礎(chǔ)，承擔主纜拉力，為滿足下沉要求、豎向抗拔要求和水平抗滑移要求，可適當增加沉井自重。

針對錨碇沉井基礎(chǔ)受力需要和北方黏性土地區(qū)的下沉難題，研究采取了以下技術(shù)措施。

(1)增加沉井重率，采取空氣幕助沉措施，解決了黏性土地區(qū)的下沉難題。

(2)全高采用鋼筋混凝土沉井，刃腳外包鋼板，滿足下沉要求的同時，提高了經(jīng)濟性。

(3)考慮施工過程中的最不利水頭差，加強底節(jié)隔墻與井壁連接構(gòu)造，優(yōu)化頂節(jié)隔墻布置，提高了下沉過程沉井底節(jié)、頂節(jié)的安全性。

(4)底節(jié)施工采用土模法，降低底節(jié)高度，采取夯實表層土代替砂樁加固方案，降低了工程造價。

4 設(shè)計方案研究

4.1 沉井結(jié)構(gòu)形式

圓形沉井承受水平土壓力的性能好，下沉過程中易于控制?？紤]錨體平面為梯形布置，散索點位置主纜橫向間距37.8 m，采用圓形沉井體量大，且井孔布置不均勻，不利于取土設(shè)備布置。矩形沉井抗彎剛度大，結(jié)構(gòu)布置緊湊，井孔布置均勻，便于井孔內(nèi)取土。

國內(nèi)大跨度橋梁沉井基礎(chǔ)主要以鋼筋混凝土和鋼殼混凝土為主[8-14]，見表1。浮運沉井，下段采用鋼殼混凝土，鋼殼浮運至墩位，落床后灌注混凝土，上段采用鋼筋混凝土。陸地沉井，底節(jié)6～8 m采用鋼殼混凝土解決底節(jié)受力復(fù)雜的問題，但工程造價高。

表1 國內(nèi)橋梁沉井基礎(chǔ)統(tǒng)計

通過綜合比選，采取倒圓角的矩形沉井。全高采用鋼筋混凝土沉井，井壁刃腳2 m高范圍外包12 mm厚鋼板，隔墻刃腳1.5 m高范圍外包12 mm厚鋼板，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼殼混凝土底節(jié)。

4.2 沉井持力層

地表以下30 m范圍主要為中密粉土、可塑粉質(zhì)黏土，承載能力低，不宜作為基礎(chǔ)持力層。30 m以下主要為硬塑粉質(zhì)黏土、密實粉砂、密實粗砂等。北岸沉井持力層選擇密實粗砂，埋深30 m左右，層厚8～12 m，基本承載力500 kPa。南岸沉井持力層選擇密實卵石土，埋深31 m左右，層厚5～7 m，基本承載力600 kPa。

4.3 沉井結(jié)構(gòu)布置

北岸沉井、南岸沉井頂面高程均為475.3 m，北岸沉井高32 m，南岸沉井高33 m。沉井平面形狀為倒圓角的矩形，縱向長50 m、橫向?qū)?6 m，倒圓角半徑7.5 m，平面分為16個井孔，見圖2。井壁厚2.5 m，底節(jié)向外設(shè)置20 cm臺階，隔墻厚1.5 m，隔墻與隔墻之間的倒角0.6 m×0.6 m，隔墻與井壁之間的倒角1.5 m×1.5 m。井壁刃腳高2.8 m，踏面寬0.3 m。隔墻刃腳高2 m，踏面寬0.25 m。頂蓋板厚6～10 m，封底混凝土厚6 m。為滿足壓重需要，沉井下沉就位后，靠近主橋側(cè)8個井孔填土，靠近引橋側(cè)8個井孔填C20混凝土。

圖2 沉井構(gòu)造(單位：m)

4.4 沉井細部構(gòu)造

為布置型鋼錨固系統(tǒng)，靠近引橋側(cè)的蓋板一般需加厚，頂蓋板高度范圍內(nèi)不設(shè)置隔墻，見圖3。為增強井壁剛度，頂蓋板加高范圍內(nèi)，增設(shè)1道隔墻，隔墻水平鋼筋伸入井壁勾住井壁外側(cè)的豎向鋼筋，見圖4。

圖3 蓋板范圍立面(單位：m)

圖4 增設(shè)隔墻平面

根據(jù)國內(nèi)沉井建造經(jīng)驗，下沉過程中，沉井底節(jié)隔墻與井壁交接部位、隔墻間交接部位容易開裂?？紤]施工安全，將底節(jié)隔墻橫向鋼筋伸入至相交處的井壁、隔墻刃腳內(nèi)，鋼筋在刃腳鋼板對應(yīng)位置處打孔穿過，并留有錨固長度。

4.5 沉井結(jié)構(gòu)計算

沉井計算包括下沉計算、整體基礎(chǔ)計算和結(jié)構(gòu)配筋計算。根據(jù)全橋計算，每個沉井承受的主纜拉力為3.5×105kN。

沉井下沉自重扣除浮力后，應(yīng)大于下沉?xí)r土對井壁的摩阻力。沉井接高、沉井下沉就位時，沉井下沉自重扣除浮力后，應(yīng)小于井壁摩阻力、刃腳及隔墻正面阻力之和。黏性土地區(qū)的陸地沉井，下沉系數(shù)控制設(shè)計。本橋計算時，可塑粉質(zhì)黏土、可塑-硬塑粉質(zhì)黏土的摩阻力取40 kPa，最小下沉系數(shù)1.3，滿足下沉要求。根據(jù)工程經(jīng)驗，規(guī)范給出的摩阻力參考值偏小，為保證順利下沉，設(shè)置空氣幕助沉措施。

重率是判斷沉井能否順利下沉的重要指標，重率的意義是沉井下沉階段自重可以克服的單位摩擦力。不排水下沉，沉井的自重扣除浮力作為沉井的下沉重力，除以沉井井壁的周邊面積，即為重率。懸索橋錨碇沉井抵抗主纜拉力，除沉井重力，錨體還設(shè)有壓重塊，壓重塊是沉井就位后施工的。因此，適當增加沉井自重，可以保證順利下沉，且不增加工程造價。本橋沉井的重率為69.5 kPa。

整體基礎(chǔ)計算，主要包括基底土的承載力計算、基礎(chǔ)抗滑動計算、抗傾覆計算和沉降計算。懸索橋重力式錨碇承受較大的水平力和上拔力，規(guī)范要求抗滑動穩(wěn)定系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不小于2.0[15]。本橋沉井基礎(chǔ)，基底土經(jīng)寬深修正后，承載力滿足要求；抗滑動穩(wěn)定系數(shù)2.1，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)4.2。工后沉降量32 mm，主橋總體計算考慮錨碇沉降的影響。

結(jié)構(gòu)配筋計算，主要包括刃腳水平抗彎計算、底節(jié)沉井豎向抗彎計算、井壁豎向抗拉計算、井壁水平抗彎計算，根據(jù)計算結(jié)果配置普通鋼筋。井壁水平抗彎計算，除考慮土壓力，還應(yīng)考慮施工過程中可能出現(xiàn)的井內(nèi)外最大水頭差，按最不利工況計算。單個井孔的封底混凝土簡化為四周簡支板驗算其強度。

4.6 京包鐵路防護措施

錨碇位于京包鐵路下游約50 m，為保證施工期間京包鐵路安全，沉井施工之前在沉井外側(cè)設(shè)置直徑1.5 m的防護樁，防護樁頂部設(shè)置冠梁，對京包鐵路路基進行防護。防護樁距沉井邊緣10 m，防護樁樁底高程比沉井底高程低10 m。采用PLAXIS 3D軟件計算分析沉井下沉對既有京包鐵路的影響，京包鐵路最大沉降量2.5 mm。

5 施工方案研究

5.1 沉井下沉技術(shù)

采用干挖取土下沉、不排水吸泥下沉兩種方式[16-19]。下沉初期采取干挖取土下沉，利用挖機進行挖土，用高壓水槍將土體沖洗成泥漿，用泥漿泵抽排至井外的沉淀池。進入地下水5 m后，采用空氣吸泥機進行不排水下沉，下沉期間同時向井內(nèi)補水。下沉過程按“小鍋底”取土方式，控制鍋底最大高度不超過1 m。沉井四角位置輔助取土，始終保持土體高于刃腳。

設(shè)置空氣幕助沉措施，空氣幕布置在沉井外側(cè)，沉井底部6 m和頂部6 m范圍內(nèi)不布置。氣龕按梅花形布置，平均間距1.5 m?？諝饽婚_啟時，按從上至下逐層開啟的原則。

5.2 底節(jié)施工技術(shù)

底節(jié)施工前，清理地表土，挖填平整。對沉井范圍地表土進行換填、夯實，使地基承載力滿足底節(jié)施工要求。保證地基承載力均勻一致，避免底節(jié)施工時不均勻沉降導(dǎo)致的開裂。底節(jié)采用土模法施工，根據(jù)刃腳位置及形狀開挖溝槽，溝槽內(nèi)布置刃腳鋼板，混凝土分層澆筑。和常規(guī)的支墊、抽墊工藝相比，采用土模法避免了底節(jié)“四點支撐”的不利工況，降低了施工難度，提高了安全性。

2016年完成南岸錨碇沉井下沉，2017年完成北岸錨碇沉井下沉，在下沉最后4 m時，下沉困難，開啟了空氣幕，見圖5。根據(jù)施工監(jiān)控數(shù)據(jù)，京包鐵路未發(fā)生沉降和位移，防護樁效果明顯。沉井頂面最大高差8 cm，平面扭轉(zhuǎn)角度3′，終沉姿態(tài)平穩(wěn)[20]。

圖5 北岸沉井下沉就位

6 結(jié)語

懷來官廳水庫特大橋錨碇沉井基礎(chǔ)為北方黏性土地區(qū)的大型鋼筋混凝土沉井，鄰近既有鐵路，下沉難度大，施工條件復(fù)雜。結(jié)合建設(shè)條件開展關(guān)鍵技術(shù)研究，主要成果如下。

(1)采取倒圓角矩形沉井，增加沉井重率，設(shè)置空氣幕助沉措施，解決了黏性土地區(qū)懸索橋錨碇沉井基礎(chǔ)的下沉難題。

(2)全高采用鋼筋混凝土沉井，刃腳外包鋼板，優(yōu)化底節(jié)隔墻與井壁、隔墻與隔墻的連接，頂節(jié)蓋板加厚范圍增設(shè)隔墻，提高了鋼筋混凝土沉井底節(jié)、頂節(jié)的施工安全性。

(3)底節(jié)施工采用原地面開挖溝槽的新型土模法，采用干挖和不排水吸泥下沉的施工工藝，降低了黏性土地區(qū)的施工難度和施工成本。

懷來官廳水庫特大橋錨碇沉井基礎(chǔ)，實現(xiàn)了平穩(wěn)、均勻下沉，姿態(tài)控制良好，為黏性土地區(qū)大跨度懸索橋錨碇沉井基礎(chǔ)建造提供了一定的經(jīng)驗和借鑒。