懸索橋淺水區(qū)崁巖錨碇基礎(chǔ)方案選擇

朱明權(quán)

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司　武漢　430050)

懸索橋淺水區(qū)崁巖錨碇基礎(chǔ)方案選擇

朱明權(quán)

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司武漢430050)

摘要依據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外懸索橋錨碇基礎(chǔ)的充分分析，結(jié)合錨碇區(qū)的工程地質(zhì)和水文條件，提出設(shè)置沉箱基礎(chǔ)、筑島地下連續(xù)墻基礎(chǔ)、沉井鉆孔樁復(fù)合樁基礎(chǔ)等3種方案，并對(duì)3種方案進(jìn)行綜合比較，選擇了沉井鉆孔樁復(fù)合錨碇基礎(chǔ)形式。

關(guān)鍵詞淺水區(qū)崁巖錨碇基礎(chǔ)方案比選

伶仃航道橋擬采用主跨為500 m+1 620 m+500 m=2 620 m雙塔3跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋。索塔為混凝土塔，高266 m，設(shè)3道橫梁；加勁梁采用鋼箱梁，主纜邊中跨比為0.42，矢跨比為1/9.5，2主纜間距42.5 m；錨碇采用重力式地錨結(jié)構(gòu)。

1自然條件

1.1　地形地貌

伶仃洋是珠江喇叭口形的河口灣，場(chǎng)區(qū)海面寬約22 km。橋軸線經(jīng)過(guò)處河口三角洲，為珠江入海口，海底表層為河流堆積形成的巨厚淤泥層。錨碇區(qū)河床高程一般為-1.7～-6.9 m，伶仃洋主航道河床高程為-7.3～-20.1 m。

1.2　水文

伶仃洋航道橋項(xiàng)目區(qū)域常水位水深4～9 m，航道位置處水深約為19 m。東錨碇區(qū)域水深約5 m，西錨碇區(qū)域水深約3.5 m。

主橋海域潮汐類型屬于不規(guī)則半日潮，平均潮差在0.85～1.70 m，最大潮差在2.30～3.20 m之間，最小潮差在0.04～0.13 m之間，平均潮差和潮差變化均由南向北逐漸增大。工程區(qū)域以潮為主工況下水位遠(yuǎn)較以洪為主的高，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　伶仃航道主橋水文條件

1.3　工程地質(zhì)

錨碇區(qū)域覆蓋層上部主要由海積的淤泥質(zhì)土夾砂土，下部為沖積的砂土、局部圓礫土，基巖為燕山期花崗閃長(zhǎng)巖及花崗巖,地質(zhì)鉆孔資料見(jiàn)表2。

表2　錨碇地質(zhì)鉆孔資料

地質(zhì)呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：①基巖面起伏較大，錨碇附近基巖頂面在100 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)高差達(dá)到10～15 m;②基巖埋深淺，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖頂面高程約為-40 m。

2國(guó)內(nèi)外大跨懸索橋水中錨碇基礎(chǔ)形式

懸索橋是目前跨越能力最大的一種橋型，跨度在1 000 m以上的已建橋梁大多是采用懸索橋形式。作為懸索橋的一個(gè)關(guān)鍵部分，錨碇的設(shè)計(jì)與施工非常重要，錨碇基礎(chǔ)方案選擇將直接影響大跨懸索橋方案的競(jìng)爭(zhēng)力。

國(guó)內(nèi)已建成的1 000 m級(jí)懸索橋有陽(yáng)邏大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋、西堠門大橋、南京長(zhǎng)江四橋等錨碇基礎(chǔ)，均為陸地上的沉井或地連墻基礎(chǔ)，而伶仃航道橋?yàn)樗罴s5 m的水中錨碇，施工條件有較大差異。國(guó)外除了美國(guó)的文森特大橋、新卡圭尼茲大橋，以及日本明石海峽大橋、丹麥的大貝爾橋有水中錨碇工程實(shí)踐外，國(guó)內(nèi)乃至其他地區(qū)和國(guó)家還未有工程應(yīng)用[1]。

新卡圭尼茲大橋( New Carquinez Bridge) 位于舊金山海灣，水深為27 m，覆蓋層15～24 m。風(fēng)化巖層的覆蓋層是軟土、松沙。其南錨碇采用樁基礎(chǔ)形式，設(shè)計(jì)采用380 根直徑0.76 m 管樁，為抵抗纜索拉力，其中 1∶3 斜樁占55% ，樁中心間距為 2.63 倍樁距。

丹麥大貝爾特大橋水中錨碇處粘土層厚20 m，其下為厚層泥灰?guī)r，水深約 10 m。錨碇基礎(chǔ)采用基底碎石床+沉井基礎(chǔ)。楔形碎石墊層使得主纜拉力和錨碇恒載的合力垂直于傾斜的開挖面，然后將碎石墊層灌漿，使得其與沉井底板的接觸面安全可靠。

日本明石海峽大橋水中錨碇基礎(chǔ)采用地連墻基礎(chǔ)。錨碇基礎(chǔ)持力層為沙質(zhì)巖層，但覆蓋層厚，其地連墻基礎(chǔ)埋深達(dá)70余m，該錨碇基礎(chǔ)采用先填海形成人工島，然后采用地連墻基礎(chǔ)修筑錨碇結(jié)構(gòu)。

3伶仃洋航道橋錨碇基礎(chǔ)方案比較

3.1　錨碇基礎(chǔ)選型

錨碇位置處覆蓋層主要為淤泥質(zhì)土和粉細(xì)砂層，承載力低，下覆基巖為強(qiáng)度高的花崗巖。為平衡主纜巨大的水平力，經(jīng)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，錨碇基礎(chǔ)需崁入基巖。結(jié)合國(guó)內(nèi)外類似錨碇基礎(chǔ)形式和本橋水文地質(zhì)，提出了沉箱設(shè)置基礎(chǔ)、筑島地連墻基礎(chǔ)、沉井鉆孔樁復(fù)合基礎(chǔ)3種方案。

(1) 沉箱設(shè)置基礎(chǔ)。沉箱總高度為45 m。外形輪廓尺寸為81.2 m×70 m。沉箱內(nèi)分為42個(gè)小隔艙，單個(gè)隔艙的大小為10 m×10 m。沉箱外壁厚2.0 m，各艙壁厚1.2 m，底板厚4 m，沉箱放置在整平的中風(fēng)化花崗巖層上。為減小沉箱拖運(yùn)時(shí)的吃水深度，沉箱側(cè)壁和隔艙壁采用鋼殼混凝土，錨碇基礎(chǔ)見(jiàn)圖1。

圖1　沉箱錨碇基礎(chǔ)平、立面示意圖(單位：cm)

基巖采用水下爆破的方法進(jìn)行初步整平，清理碎石后，在基巖面上鋪設(shè)碎石墊層形成平整的面層。

沉箱在工廠制造完成后，用拖船拖至設(shè)計(jì)位置，下沉到已整平的巖面上。沉箱部分隔艙填片石并壓漿，后整體澆筑頂板形成錨碇基礎(chǔ)，再施工錨體結(jié)構(gòu)。

(2) 筑島地下連續(xù)墻基礎(chǔ)。地連墻基礎(chǔ)為外徑90 m、內(nèi)徑86 m、墻厚2.0 m的圓形地連墻，地連墻深約50 m，墻腳進(jìn)入中風(fēng)化基巖不小于4 m。頂、底板厚度均為5 m，頂板與錨體合為一體，底板持力層為中風(fēng)化泥巖。錨碇基礎(chǔ)見(jiàn)圖2。

圖2　地連墻錨碇基礎(chǔ)平、立面示意圖(單位：cm)

總體施工流程：插打鎖口鋼管樁→吹砂筑島→陸域地基處理→封底施工導(dǎo)墻施工→地下連續(xù)墻成墻→基坑施工→封底施工→填心施工→頂板施工。

采用打樁船插打鎖口鋼管樁形成直徑120 m筑島支護(hù)，吹砂形成人工島，堆載預(yù)壓形成陸域作業(yè)環(huán)境[2]。筑島完成后，采用沖擊鉆配合銑槽機(jī)施工地連墻槽段，完成后逆筑法施工，分層開挖土層，分層施工內(nèi)襯。基坑開挖完成后，施工底板，在坑內(nèi)填注填心，然后施做頂板。錨碇基礎(chǔ)施工完畢后將筑島材料清理至指定區(qū)域，并拔出外圍鋼管樁。

(3) 沉井鉆孔樁復(fù)合基礎(chǔ)。充分利用基巖強(qiáng)度高的特點(diǎn)，并結(jié)合強(qiáng)風(fēng)化層厚度不大的特點(diǎn)，在常規(guī)沉井方案的基礎(chǔ)上提出了沉井鉆孔樁復(fù)合基礎(chǔ)，即在沉井井壁預(yù)設(shè)鋼管[3-4]，沉井下沉就位后，在預(yù)設(shè)鋼管位置實(shí)施鉆孔灌注樁，沉井總高度為35 m，外形輪廓尺寸為83.1 m×72.6 m。沉箱內(nèi)分為56個(gè)小隔艙，單個(gè)隔艙的大小為10 m×10 m。沉井外壁厚2.0 m，各艙壁厚1.2 m，沉箱側(cè)壁和隔艙壁采用鋼殼混凝土,在沉井隔墻處布置直徑4.5 m樁基，錨碇基礎(chǔ)見(jiàn)圖3。

圖3　沉井鉆孔樁復(fù)合基礎(chǔ)平立面示意圖(單位：cm)

鋼沉井在工廠制造完成后，整體浮運(yùn)至墩位處定位著床，進(jìn)行隔倉(cāng)取土下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高[5-6]，進(jìn)行沉井封底施工(封底施工僅對(duì)方形井孔進(jìn)行，隔墻處預(yù)留圓孔不封)。隨后在預(yù)留圓孔內(nèi)進(jìn)行鉆孔樁施工，澆注鉆孔樁水下混凝土，完成后在井孔內(nèi)進(jìn)行填心施工，隨后進(jìn)行沉井蓋板施工，完成沉井基礎(chǔ)。

3.2　3種錨碇基礎(chǔ)綜合比較

3種錨碇基礎(chǔ)綜合比較見(jiàn)表3。

表3　錨碇基礎(chǔ)綜合比較

設(shè)置沉箱基礎(chǔ)可工廠化制造，整體性好，工期短，施工風(fēng)險(xiǎn)低，但開挖量大，造價(jià)高；筑島地連墻基礎(chǔ)工藝成熟，施工風(fēng)險(xiǎn)較小，但基本為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，施工周期長(zhǎng)。沉井鉆孔樁復(fù)合基礎(chǔ)工藝成熟，施工風(fēng)險(xiǎn)較小，造價(jià)與地連墻基礎(chǔ)相當(dāng)，但工期較短，環(huán)境影響小。綜合比較推薦采用沉井鉆孔樁復(fù)合基礎(chǔ)方案。

4結(jié)語(yǔ)

懸索橋錨碇基礎(chǔ)的選型不僅要考慮橋位處水文地質(zhì)情況，而且與采用的施工工藝、大型施工裝備選擇、施工水域通航及環(huán)保等要求有緊密關(guān)系，同時(shí)選擇何種錨碇基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，還決定著大橋的建設(shè)成本。本文通過(guò)研究，提出3種新錨碇基礎(chǔ)形式，為類似工程設(shè)計(jì)提供了可借鑒的研究方向。

參考文獻(xiàn)

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Comparison of Rock-socketed Pile Anchorage Foundation

Scheme of Suspension Bridge in Shallow Water Area

ZhuMingquan

(China Railway Major Bridge Engineering Group Co., Ltd., Wuhan 430050, China)

Abstract：On the basis of full analysis for anchorage foundation of suspension bridges at home and abroad, and by combining engineering hydrogeological conditions of rock-socketed area, this thesis presents three schemes: installing caisson foundation, building island underground diaphragm wall foundation, and sunk well bored composite piles foundation, and by comparison of three kinds of schemes, sunk well bored piles composite anchorage foundation was selected.

Key words:shallow water area; rock-socketed pile anchorage foundation; scheme comparison and selection

收稿日期：2015-09-16

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.006