龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋北錨碇設(shè)計(jì)與施工

胡川開(kāi)

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210014）

1 工程概況

龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋位于長(zhǎng)江南京段與鎮(zhèn)揚(yáng)段分界處， 距離上游南京長(zhǎng)江四橋約16.8 km， 距離下游潤(rùn)揚(yáng)大橋約28.6 km。主橋采用雙塔單跨吊鋼箱梁懸索橋，主纜跨度布置為615 m+1 560 m+552 m，全橋共設(shè)2 根主纜，主纜橫向間距為34.8 m，主纜矢跨比1/9，加勁梁采用流線形扁平鋼箱梁，橋塔為混凝土門(mén)式塔，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，北錨碇為圓形地下連續(xù)墻基礎(chǔ)，南錨碇為矩形沉井基礎(chǔ)。 本文主要介紹龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋北錨碇設(shè)計(jì)與施工。

2 工程地質(zhì)與水文

根據(jù)工程詳勘資料，北錨碇場(chǎng)區(qū)內(nèi)土層從上至下依次為：素填土、粉質(zhì)黏土、含卵礫石中粗砂、殘積土、弱膠結(jié)含礫砂巖及弱膠結(jié)砂巖（半成巖）。 地勘試驗(yàn)結(jié)果給出的弱膠結(jié)含礫砂巖、弱膠結(jié)砂巖的承載力容許值均為500 kPa。 場(chǎng)區(qū)地下水位基本位于地面以下0.5 m，含卵礫石中粗砂層滲透系數(shù)K=4.0×10-3cm/s，為中等透水層，富水性較好，上下層粉質(zhì)黏土和殘積土均為弱透水層，含卵礫石中粗砂層為承壓水層，水量較大，與長(zhǎng)江水水力聯(lián)系密切， 基坑計(jì)算時(shí)需重點(diǎn)考慮開(kāi)挖時(shí)承壓水層引起的突涌等現(xiàn)象。 弱膠結(jié)含礫砂巖和弱膠結(jié)砂巖巖石成巖作用差，礫巖多呈砂礫土狀，局部呈黏性土，均勻性較差，下部弱膠結(jié)砂巖較均勻，可做錨碇?jǐn)U大基礎(chǔ)持力層。 弱膠結(jié)含礫砂巖層滲透系數(shù)K=5.5×10-5cm/s，為弱透水層，富水性差；弱膠結(jié)砂巖滲透系數(shù)K=8.0×10-5cm/s，為弱透水層，富水性差。

3 弱膠結(jié)含礫砂巖承載力深度修正試驗(yàn)研究

弱膠結(jié)含礫砂巖（半成巖）似土非土、似巖非巖，同時(shí)具有土和巖的特征， 國(guó)內(nèi)現(xiàn)行各種規(guī)范對(duì)它的承載力如何確定尚未做出明確規(guī)定。現(xiàn)行JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定只有強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化的巖石，可參照所風(fēng)化形成的相應(yīng)土類(lèi)取值，進(jìn)行地基寬度和深度修正，其他狀態(tài)下的巖石不修正，故依據(jù)規(guī)范弱膠結(jié)含礫砂巖（半成巖）的承載力不能進(jìn)行修正。

由此開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)原位深層載荷試驗(yàn)[1-3]，采用雙套管逐級(jí)加載方案，即通過(guò)直徑0.8 m 內(nèi)套管柱將荷載傳遞到深部地基土層，加載獲取深部地基土的地基承載力。 試驗(yàn)在錨址選取3處有典型地層位置作為試驗(yàn)點(diǎn)，得到了試驗(yàn)的荷載-沉降曲線結(jié)果，詳見(jiàn)圖1 與表1。 經(jīng)過(guò)綜合分析論證最終地基承載力基本容許值取2 466 kPa，并依據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行錨碇設(shè)計(jì)。

表1 各試驗(yàn)點(diǎn)承載力基本容許值表kPa

圖1 各試驗(yàn)點(diǎn)荷載- 沉降曲線

同時(shí)，結(jié)合錨碇基礎(chǔ)選型與變位研究專(zhuān)題，通過(guò)有限元數(shù)值模擬了載荷試驗(yàn)加載過(guò)程，驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與深層載荷試驗(yàn)相吻合，得到了經(jīng)深度修正后的地基承載力容許值[fa]與深度h之間的計(jì)算公式：

式中，k2為基地深度修正系數(shù)；γ2為土層的換算土重。

基坑開(kāi)挖完成后，進(jìn)行了基底淺層平板載荷試驗(yàn)，驗(yàn)證了錨碇基坑底部的地基承載力基本容許值[fa0]，與深層載荷試驗(yàn)相吻合。通過(guò)試驗(yàn)和專(zhuān)題研究，成功解決了半成巖地基承載力深度修正問(wèn)題， 成果直接應(yīng)用于施工圖設(shè)計(jì)。 錨碇節(jié)省混凝土達(dá)2.45 萬(wàn)m3（16%），顯著減小了基礎(chǔ)規(guī)模，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 北錨碇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

北錨碇整個(gè)錨體平面呈U 形，尾部橫向?qū)?4.0 m，前端分離，每側(cè)橫向?qū)挒?4.6 m，錨體順橋向全長(zhǎng)67.3 m。 基礎(chǔ)采用外徑72 m， 壁厚1.5 m 的圓形地連墻基礎(chǔ)加環(huán)向鋼筋混凝土內(nèi)襯支護(hù)結(jié)構(gòu)。 大纜橫橋向上下游中心線距離為34.8 m。

4.1 錨體設(shè)計(jì)

錨體從結(jié)構(gòu)受力和功能上分為錨塊、 散索鞍鞍部、 前錨室、縱橫向后澆段、壓重塊及錨體裝飾塊。 其中，鞍部采用空心薄壁結(jié)構(gòu)，壁厚為3.0 m。 錨塊為承受主纜力的主要結(jié)構(gòu)，采用實(shí)體混凝土。 前錨室側(cè)墻厚1.5 m，端墻厚1.0 m；頂蓋采用預(yù)制空心板梁結(jié)構(gòu)；后錨室橫向?qū)?4.2 m，錨室端墻設(shè)置有主纜穿孔，其位置可根據(jù)實(shí)際情況局部進(jìn)行調(diào)整。

4.2 地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)

地連墻采用液壓銑槽機(jī)分期進(jìn)行成槽施工，共劃分50 個(gè)槽段，Ⅰ、Ⅱ期槽段各25 個(gè)，交錯(cuò)布置。 Ⅰ期槽段采用三銑成槽，共長(zhǎng)6.559 m，邊槽長(zhǎng)2.8 m，中間槽段長(zhǎng)0.959 m；Ⅱ期槽段長(zhǎng)2.8 m，一銑成槽。 槽段連接采用銑接法Ⅰ、Ⅱ期槽孔在地連墻軸線上的搭接長(zhǎng)度為25 cm。

導(dǎo)墻設(shè)計(jì)成倒“L”形，墻間距離為1.6 m，墻高2.1 m，墻寬1.7 m，墻厚0.5 m。 導(dǎo)墻的縱向分段與地下連續(xù)墻的分段接頭錯(cuò)開(kāi)。 地連墻施工完成后需拆除導(dǎo)墻，以便帽梁施工。

帽梁為鋼筋混凝土圓形結(jié)構(gòu)， 地連墻頂部深入帽梁10 cm，頂部豎向鋼筋全部伸入帽梁，與帽梁相連。帽梁懸出地連墻內(nèi)側(cè)1.5 m，外側(cè)1 m，帽梁總寬度4.0 m，高2.5 m。

內(nèi)襯施工層高取2 m、3 m 和3.5 m。各層內(nèi)襯底面設(shè)置成11.3°的斜坡，下層內(nèi)襯與上層內(nèi)襯結(jié)合面采用自密實(shí)混凝土，根據(jù)受力不同，內(nèi)襯厚度沿豎向采取分段變厚方式設(shè)置。 帽梁頂以下7 m 深度范圍厚1.5 m，施工層高為（3+2+2）m；7～13 m深度范圍厚2 m，施工層高為（3+3）m；13～22.5 m 深度范圍厚2.5 m，施工層高為（3+3+3.5）m。 在地連墻施工時(shí)預(yù)埋鋼筋連接器，內(nèi)襯鋼筋通過(guò)連接器與地連墻相連。

基礎(chǔ)設(shè)置6 m 厚頂板、6 m 厚底板和10 m 高混凝土填芯，在基礎(chǔ)前半部填芯設(shè)置16 個(gè)6 m×6 m 空倉(cāng)， 基底設(shè)置0.5 m厚素混凝土墊層。 底板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 通過(guò)鋼筋與內(nèi)襯、填芯混凝土連成整體。 頂板通過(guò)鋼筋與帽梁、內(nèi)襯及填芯混凝土連成整體。 頂、底板之間采用混凝土進(jìn)行填充，填芯混凝土與內(nèi)襯、底板和頂板間鋼筋需連接。

5 錨碇計(jì)算分析

5.1 北錨碇總體計(jì)算

依據(jù)全橋總體計(jì)算結(jié)果， 最不利工況下錨碇基底應(yīng)力和穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。經(jīng)驗(yàn)算錨碇在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)力、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

表2 錨碇基底應(yīng)力、穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

5.2 地連墻內(nèi)力及變形分析

采用GTS 建立三維有限元模型，建立有限元模型，模擬實(shí)際施工過(guò)程， 經(jīng)驗(yàn)算地連墻主拉應(yīng)力0.65 MPa， 主壓應(yīng)力1.97 MPa，地連墻的內(nèi)力和變形值均在合理范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

5.3 基坑穩(wěn)定性計(jì)算分析

根據(jù)JGJ 120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行基坑整體穩(wěn)定驗(yàn)算、抗傾覆驗(yàn)算、抗隆起驗(yàn)算和抗?jié)B流穩(wěn)定性驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3，均滿足要求。

表3 基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果表

6 錨碇施工

6.1 地下連續(xù)墻、帽梁施工

地下連續(xù)墻施工順序： 場(chǎng)地平整及黏性土層水泥攪拌樁—導(dǎo)墻—地連墻成槽—清孔—下鋼筋籠—插入導(dǎo)管—澆筑水下混凝土—循環(huán)下一槽段施工—地連墻墻底注漿—帽梁施工。 覆蓋層上層黏性土層具有低強(qiáng)度、高壓縮性，為避免地下連續(xù)墻成槽時(shí)產(chǎn)生縮徑和坍塌， 在地連墻兩側(cè)黏性土層高度范圍內(nèi)采用水泥攪拌樁加固。 開(kāi)挖導(dǎo)墻位置基坑，分段綁扎鋼筋、安裝導(dǎo)墻模板，澆筑導(dǎo)墻，直至導(dǎo)墻閉合成圓。 地連墻成槽采用間隔式施工，連續(xù)施工間隔至少一個(gè)單元槽段，先施工Ⅰ期槽，再施工Ⅱ期槽。 成槽過(guò)程中槽內(nèi)采用泥漿護(hù)壁，防止槽壁坍塌。 成槽過(guò)程中槽內(nèi)泥漿液面保持高于地下水位1.5 m以上。Ⅱ期槽成槽后，兩側(cè)已施工完成的Ⅰ期槽槽壁上附著的泥皮需用專(zhuān)用工具刷洗干凈， 以防止槽段接縫連接不密實(shí)導(dǎo)致接縫滲水。 槽段成槽檢測(cè)沉渣厚度小于10 cm，可進(jìn)行鋼筋籠和導(dǎo)管下放，Ⅰ期槽需設(shè)置2 根導(dǎo)管，Ⅱ期槽設(shè)置單根導(dǎo)管基坑，導(dǎo)管下放完成后要進(jìn)行反循環(huán)二次清孔。

6.2 基礎(chǔ)開(kāi)挖、填筑施工

基礎(chǔ)開(kāi)挖采用盆式開(kāi)挖法， 邊開(kāi)挖邊施工環(huán)型混凝土內(nèi)襯，開(kāi)挖時(shí)分區(qū)對(duì)稱(chēng)進(jìn)行，坑內(nèi)水位控制在開(kāi)挖面以下小于1 m，以防止地連墻產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)力。 各區(qū)段開(kāi)挖后，應(yīng)在36 h內(nèi)完成內(nèi)襯混凝土的施工， 待內(nèi)襯混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，才能開(kāi)挖下一層土體，嚴(yán)禁超前開(kāi)挖土體。 淺層土體開(kāi)挖時(shí)，利用馬道進(jìn)入基坑運(yùn)輸開(kāi)挖出的土方；深層土體開(kāi)挖時(shí)，利用長(zhǎng)臂挖機(jī)或塔吊配合取土斗取出土方。 基坑開(kāi)挖完成后，需盡快施工基礎(chǔ)墊層，縮短基底暴露時(shí)間。

6.3 錨體、錨固系統(tǒng)施工

錨塊、壓重塊屬于大體積混凝土，為防止大體積混凝土發(fā)生溫度裂縫，其混凝土采用低水化熱混凝土配合比，綜合考慮錨體結(jié)構(gòu)、模板設(shè)計(jì)、混凝土供應(yīng)能力及混凝土水化熱影響分層分塊澆筑。 錨體采用單側(cè)懸臂模板施工， 單層施工高度2.3 m，分前、后、左、右4 個(gè)區(qū)塊開(kāi)展施工，交接處設(shè)置2 m 寬后澆帶，以減小混凝土收縮應(yīng)力。 錨體大體積混凝土內(nèi)部設(shè)置冷卻循環(huán)水，降低混凝土芯部溫度。

錨塊施工時(shí)，預(yù)埋錨固系統(tǒng)支架預(yù)埋件，支架立柱焊接在預(yù)埋件上， 立柱間通過(guò)橫梁和縱向連接系連接， 形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，錨固系統(tǒng)后端支在型鋼支撐上，前端靠在支架橫梁上，通過(guò)橫梁上的托座調(diào)節(jié)和固定。施工時(shí)澆筑一層錨塊混凝土，安裝一層錨固系統(tǒng)支架，安裝一層錨固系統(tǒng)，再澆筑一層錨塊混凝土。

7 結(jié)論與展望

龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋北錨碇是國(guó)內(nèi)首個(gè)半成巖上的大直徑地連墻基礎(chǔ)錨碇，基底持力層為弱膠結(jié)含礫砂巖（半成巖），開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)原位深層載荷板試驗(yàn)， 結(jié)合錨碇基礎(chǔ)選型與變位研究專(zhuān)題，成功解決了半成巖地基承載力深度修正問(wèn)題，成果直接應(yīng)用于施工圖設(shè)計(jì)， 填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)規(guī)范空白， 錨碇節(jié)省混凝土達(dá)2.45 萬(wàn)m3（16%），顯著減小了基礎(chǔ)規(guī)模，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 同時(shí)進(jìn)行了錨碇精細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。 計(jì)算結(jié)果表明，錨碇基底應(yīng)力及穩(wěn)定性、地連墻變形及應(yīng)力、基坑穩(wěn)定性等均滿足規(guī)范要求。 北錨碇于2021 年6 月開(kāi)始導(dǎo)墻施工，2023 年5月施工結(jié)束。 為類(lèi)似錨碇設(shè)計(jì)和施工提供了參考和借鑒。