大型懸索橋水中錨碇基礎(chǔ)方案創(chuàng)新研究

孫業(yè)發(fā)，薛春剛，李一勇，張全林，張乃受，李增軍

（1．中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002；2．中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

隨著科技發(fā)展水平和船機(jī)設(shè)備性能的提高，土木工程的大型化、裝配化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化水平正在快速提高。借鑒丹麥大貝耳特海峽東橋[1]等項(xiàng)目的設(shè)計(jì)理念與建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)企業(yè)在港珠澳大橋、杭州灣大橋、深中通道等項(xiàng)目上取得的技術(shù)進(jìn)步，充分利用現(xiàn)有大型施工設(shè)備等資源，經(jīng)長(zhǎng)期研究，對(duì)水中大型懸索橋錨碇基礎(chǔ)方案提出了兩種新思路：超大型沉箱厚基床結(jié)構(gòu)方案和借助鋼圓筒圍堰施工混凝土結(jié)構(gòu)方案。本文以深中通道伶仃洋大橋錨碇基礎(chǔ)為例，結(jié)合深中通道項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際、周邊地區(qū)環(huán)境狀況以及施工作業(yè)條件，介紹兩種方案的結(jié)構(gòu)形式與實(shí)施思路。

深中通道伶仃洋大橋?yàn)橹骺? 666 m鋼箱梁懸索橋，橋跨布置為500+1 666+500=2 666 m。單個(gè)錨碇承受約9萬t水平拉力。錨碇位置水深為-3～-5 m，下伏基巖為花崗巖，基巖埋深起伏較小，強(qiáng)風(fēng)化巖頂標(biāo)高約-38 m，中風(fēng)化巖頂標(biāo)高約-45 m。

1 超大型沉箱厚基床結(jié)構(gòu)錨碇基礎(chǔ)方案

1.1 結(jié)構(gòu)形式

本項(xiàng)目錨碇區(qū)域強(qiáng)風(fēng)化巖以上土層地基承載力不能滿足錨碇結(jié)構(gòu)地基應(yīng)力要求。錨碇基礎(chǔ)沉箱方案可將起伏巖面以上軟弱土層全部挖除，沉箱基礎(chǔ)采用二片石升漿基床。為盡可能降低超大沉箱拖運(yùn)吃水，沉箱隔墻可考慮設(shè)計(jì)成階梯形，從四周向中間逐漸降低，安裝后現(xiàn)澆到標(biāo)高。結(jié)合錨碇結(jié)構(gòu)尺寸及沉箱浮運(yùn)吃水受航道水深限制情況，擬定沉箱高度為28．5 m，沉箱安裝后外墻頂標(biāo)高定為+3．5 m，底標(biāo)高為-25 m，東錨碇升漿基床平均深度約11 m，西錨碇約13 m。

國(guó)內(nèi)具備超大型沉箱厚基床結(jié)構(gòu)施工能力及豐富的沉箱施工經(jīng)驗(yàn)，沉箱重力式碼頭是最常見的碼頭結(jié)構(gòu)形式之一。大連南部濱海大道工程預(yù)制安裝錨碇基礎(chǔ)沉箱達(dá)到2．6萬t，積累了大型沉箱預(yù)制、運(yùn)輸、安裝以及地基處理施工技術(shù)。港珠澳大橋島隧工程沉管隧道單管節(jié)重達(dá)78 000 t，研發(fā)了超大型預(yù)制構(gòu)件施工技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外有許多采用沉箱厚基床作為錨碇或碼頭基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的成功案例，部分項(xiàng)目的塊石基床厚度超過20 m。

本方案沉箱長(zhǎng)105 m，寬82 m。沉箱底板預(yù)制厚度0．65m，海上現(xiàn)澆后厚度6．0 m。外墻為3 m厚鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，雙壁高28．5 m/26 m，其中外壁厚 0．5 m，內(nèi)壁厚 0．28 m，腹板厚 0．28 m。箱形結(jié)構(gòu)外墻空腔配置拉結(jié)箍筋，海上灌注混凝土成實(shí)體。隔墻高24．5 m/17 m（海上接高到24 m），壁厚0．28 m。沉箱外圈艙格碎石升漿，其余艙格回填碎石、塊石。結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

圖1 沉箱錨碇基礎(chǔ)方案斷面示意圖Fig.1 Diagram of caisson anchorage foundation scheme section

沉箱預(yù)制完成后的空箱重量為73 767 t，沉箱浮運(yùn)吃水為8．57 m，干舷高度為18．43 m，空箱浮運(yùn)時(shí)沉箱定傾高度m=61．25 m，沉箱拖運(yùn)時(shí)浮游穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

1.2 結(jié)構(gòu)合理性分析

1）沉箱方案減少了主體墻身結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)量，工程質(zhì)量易得到保證，項(xiàng)目實(shí)施可行、可控；工程預(yù)算和計(jì)劃工期接近實(shí)際施工情況。

2）航道疏浚、基坑開挖和基床施工與沉箱預(yù)制同步平行施工，有利于保證項(xiàng)目工期。

3）沉箱方案通過調(diào)整優(yōu)化沉箱平面尺寸，滿足上部錨座懸索鋼纜拉力擴(kuò)散要求，同時(shí)將結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)均勻有效地傳遞到沉箱二片石升漿基礎(chǔ)和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地基。

4）沉箱基礎(chǔ)二片石升漿基床強(qiáng)度高、剛度大，能夠滿足基礎(chǔ)承載力、抗剪強(qiáng)度要求，以及基礎(chǔ)滑移和整體穩(wěn)定要求。

5）沉箱方案通過鋼筋混凝土頂板和內(nèi)部墻體以及回填石料的相應(yīng)處理，將下部沉箱錨碇基礎(chǔ)和上部錨座有機(jī)地聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，能夠滿足錨碇結(jié)構(gòu)的滑移、傾覆穩(wěn)定和抗剪強(qiáng)度要求。

6）沉箱與升漿基床及周邊回填材料具有足夠的剛度抵抗水平荷載，錨碇結(jié)構(gòu)水平變位會(huì)很小。

7）二片石基床升漿作業(yè)完成后，隨著沉箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)和上部錨座的施工，在構(gòu)件自重的強(qiáng)力作用下，整個(gè)錨碇基礎(chǔ)的地基沉降在施工期將會(huì)基本完成；錨索安裝后使用期結(jié)構(gòu)豎向變位很小。

8）沉箱基礎(chǔ)施工采用CDM圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可以大幅減少現(xiàn)場(chǎng)挖泥量，降低基槽開挖和沉箱周邊回填對(duì)環(huán)境的不利影響。

1.3 實(shí)施思路

預(yù)制場(chǎng)地及對(duì)應(yīng)航道情況是影響本方案實(shí)施的重要因素。沉箱預(yù)制場(chǎng)考慮了西人工島、龍穴島文船船塢、虎門大橋上游西岸新建土塢3個(gè)方案。利用深中通道西人工島自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案不影響島隧工程總工期，距離錨碇基礎(chǔ)位置近，施工成本最低，可作為推薦方案。

沉箱預(yù)制底胎設(shè)計(jì)成可透水結(jié)構(gòu)[2]，以減小沉箱與底胎間的黏結(jié)力和真空吸力。沉箱分層分區(qū)預(yù)制，各區(qū)域間設(shè)置階梯形膨脹加強(qiáng)帶。在預(yù)制塢注水前，利用纜繩連接沉箱四角與預(yù)制塢兩側(cè)系船柱，以限制沉箱橫向移動(dòng)，防止沉箱碰撞塢墻。第二座出運(yùn)沉箱在第一座沉箱出運(yùn)前先壓水，避免第一座沉箱出運(yùn)時(shí)起浮。采用6艘拖輪組合拖帶，2艘拖輪護(hù)航。其中2艘主拖輪為3 675 kW（5 000 HP），系柱拖力均為63 t，其余拖輪為2 940 kW（4 000 HP）。通過沉箱上部4臺(tái)絞車配合絞動(dòng)，控制沉箱漂浮位置，進(jìn)行安裝定位。打開進(jìn)水截門壓水下沉。對(duì)拋石基礎(chǔ)用空心方塊分隔，采用深水基床整平船整平[3]。沉箱安裝后依次對(duì)每個(gè)隔斷區(qū)域進(jìn)行升漿?，F(xiàn)澆外墻頂部，沉箱底板上半部分及雙外墻空腔內(nèi)-1．0 m以下均澆筑水下混凝土，艙格內(nèi)回填及升漿，現(xiàn)澆雙外墻空腔上部、隔墻上部及頂板。沉箱周邊回填海砂。

2 借助鋼圓筒圍堰施工混凝土結(jié)構(gòu)錨碇基礎(chǔ)方案

2.1 結(jié)構(gòu)形式

水中錨碇基礎(chǔ)常見的筑島施工地連墻方案，圍堰施工周期長(zhǎng)，投入大。本方案借助大直徑鋼圓筒圍堰形成干作業(yè)條件現(xiàn)澆錨碇基礎(chǔ)主體結(jié)構(gòu)，圍堰形成快，對(duì)環(huán)境影響小。通過將大直徑鋼圓筒及副格結(jié)構(gòu)底部振沉至中風(fēng)化巖，鋼圓筒及副格局部加強(qiáng)，內(nèi)外和底部土體處理及鋼圓筒內(nèi)支護(hù)，滿足鋼圓筒圍堰整個(gè)施工期的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

港珠澳大橋東西人工島及深中通道西人工島分別采用直徑22 m和28 m的鋼圓筒作為島壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并成功實(shí)施，功效、環(huán)保等方面優(yōu)勢(shì)得到充分體現(xiàn)。深中通道西人工島項(xiàng)目，通過采用深層水泥攪拌船松動(dòng)鋼圓筒擬插入土體，成功振沉鋼圓筒穿透砂層和強(qiáng)風(fēng)化巖，進(jìn)入中風(fēng)化巖?，F(xiàn)有鋼圓筒振沉能力可以滿足本方案設(shè)計(jì)需要。港珠澳大橋CB03標(biāo)利用直徑22 m鋼圓筒提供干施工條件，實(shí)現(xiàn)了墩臺(tái)干法安裝。

本方案由6個(gè)外徑30 m鋼圓筒及副格組成圍堰結(jié)構(gòu)，平面尺寸100 m×68 m，頂標(biāo)高+3 m，底部進(jìn)入中風(fēng)化巖1 m。鋼圓筒下部采用雙壁桁架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。外側(cè)副格為雙壁鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)副格為弧形單壁鋼結(jié)構(gòu)。鋼圓筒打設(shè)前，筒壁間隙及圍堰外側(cè)土體采用砂樁加固。鋼圓筒下部外側(cè)部分區(qū)域旋噴加固。副格雙壁鋼圍堰內(nèi)泥面以下旋噴加固，泥面以上澆筑混凝土。鋼圓筒外側(cè)水土壓力過大時(shí)，可對(duì)外側(cè)土體用深層水泥攪拌樁固結(jié)。

錨碇基礎(chǔ)主體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由底板、墻體、頂板組成，錨索錨碇端對(duì)應(yīng)艙格內(nèi)采用C15素混凝土填芯。錨碇基礎(chǔ)下碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層采用帷幕灌漿處理。每個(gè)錨碇基礎(chǔ)下128根直徑1．5 m灌注樁，混凝土強(qiáng)度C35。灌注樁樁身嵌入底板以上墻體3 m。錨碇墩底板為5 m厚C35鋼筋混凝土，底板下為3 m厚C30水下封底混凝土。墻體為2 m厚C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫縱墻布置。頂板為5 m厚C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼圓筒錨碇方案縱斷面、橫斷面分別見圖2、圖3。

圖2 鋼圓筒錨碇基礎(chǔ)方案縱斷面Fig.2 Diagram of profile of steel cylinder anchorage foundation scheme

圖3 鋼圓筒錨碇基礎(chǔ)方案橫斷面Fig.3 Diagram of cross section of steel cylinder anchorage foundation scheme

2.2 實(shí)施思路

首先進(jìn)行鋼圓筒筒壁間隙及外側(cè)土體砂樁施工，然后采用深層水泥攪拌船[4]松動(dòng)鋼圓筒及副格擬打設(shè)位置土體，水上振沉鋼圓筒及副格[5]至中風(fēng)化巖并及時(shí)回填。旋噴樁加固與圍堰內(nèi)灌注樁、帷幕灌漿同時(shí)展開。灌注樁澆筑完成后，鋼圓筒內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)高以上鋼護(hù)筒拔除，副格內(nèi)鋼護(hù)筒保留作為副格內(nèi)逆作法下部支撐。鋼圓筒內(nèi)分層開挖，澆筑封底混凝土；分層降水，分層加固鋼圈梁；從下至上施工基礎(chǔ)底板、墻體。副格內(nèi)從上至下分層開挖并分層澆筑墻體、底板，與鋼圓筒內(nèi)的墻體、底板連成整體。底板與墻體全部完成后，分層分塊澆筑頂板。在圍堰兩端設(shè)置水上拌合平臺(tái)及小臨平臺(tái)。灌注樁施工期，水上拌合平臺(tái)未投入使用，先采用水上拌合船供應(yīng)混凝土。

2.3 施工流程

鋼圓筒錨碇基礎(chǔ)方案施工流程為：

1）鋼圓筒外側(cè)及副格內(nèi)打設(shè)砂樁；

2）鋼圓筒筒壁及擋水副格下采用深層水泥攪拌船松動(dòng)土體；

3）圓筒、副格振沉及內(nèi)部回填；

4）旋噴樁、灌注樁及帷幕灌漿施工，水上拌合平臺(tái)和小臨平臺(tái)建設(shè)；

5）主格開挖至原泥面并安裝3道鋼圈梁；

6）保持鋼圓筒內(nèi)部水位在±0．0m左右，抽排筒內(nèi)土層至碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖頂面，澆筑封底混凝土，分層降水、分層安裝其余鋼圈梁；

7）鋼圓筒內(nèi)底板及墻體鋼筋混凝土自下而上分層施工；

8）副格墻體及底板鋼筋混凝土自上而下分層施工；

9）填芯混凝土施工；

10）頂板鋼筋混凝土施工，輔助設(shè)施拆除。

3 結(jié)語

在現(xiàn)有工程條件和施工環(huán)境下，超大型沉箱厚基床結(jié)構(gòu)方案和借助鋼圓筒圍堰施工混凝土結(jié)構(gòu)方案均能夠滿足深中通道伶仃洋大橋懸索橋錨碇功能要求，技術(shù)可行，工期可控，質(zhì)量有保障，安全可靠，造價(jià)與實(shí)際接近，可作為大型懸索橋水中錨碇基礎(chǔ)的比選方案，對(duì)水中其它大型結(jié)構(gòu)物實(shí)施也有一定借鑒意義。