甬舟铁路金塘水道双悬索桥方案共锚碇深水基础研究

崔苗苗,文望青,严爱国,王鹏宇,李桂林

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063； 2.中铁建大桥设计研究院,武汉 430063)

1 概述

1.1 工程概况

甬舟铁路可行性研究阶段，重点研究了宁波杨公山、经大小黄莽岛至舟山金塘岛的公铁合建桥梁方案，跨海段长5.2 km。根据通航安全、防撞合理、技术可行、经济性等要求，金塘大桥跨越蛟门水道采用主跨1 036 m钢桁梁悬索桥方案，跨越金塘水道主航道桥推荐采用两大跨共锚碇钢桁梁悬索桥方案，主通航孔跨度组成为(112+224+1 050+238+42) m，甬舟港北侧深水区跨度组成为(42+238+980+336+84) m(图1)。

图1 金塘大桥桥式立面布置(单位：m)

金塘水道区域水深流急、风大浪高、地质及通航条件复杂，科学合理的选择桥梁基础方案是本桥的设计关键[1-5]。双悬索桥共用锚碇高64 m，长68 m，宽70 m，锚碇底部的平面尺寸为60 m×60 m，共锚碇基础受力大，建设条件复杂，设计难度大。

图2 工程区域附近水下地形示意(单位：m)

1.2 技术标准

甬舟铁路金塘大桥为双线铁路、六车道公路公铁合建桥梁，其中铁路标准为客货共线铁路，设计速度200 km/h。甬舟高速公路复线为双向六车道，设计速度100 km/h。

2 建设条件

2.1 海域地形

金塘水道海域海底地形总体上为东低西高，金塘水道窄而深，狭窄处宽度约为3 km，平均高程-50 m，底部剖面呈中部低、两端高的马鞍形态，中部最低高程可达-110 m，共锚碇基础位置水深45 m(图2)。

2.2 气象条件

工程区域年平均气温16.9 ℃，年极端最高气温40.6 ℃，年极端最低气温-6.6 ℃。设计最大风速V10=42 m/s，年平均7级以上大风天数53 d，8级以上大风天数18 d。

2.3 海域水文

300年一遇最高潮位+3.92 m，最低潮位-2.69 m；300年一遇最大设计流速3.14 m/s；20年一遇最高潮位+3.19 m，最低潮位-2.41 m，最大设计流速2.98 m/s；百年一遇最大浪高8.89 m。共锚碇墩位处原始海床面高程-45 m，一般冲刷后高程-58.3 m，局部冲刷后高程-79.6 m(沉井基础)。

2.4 通航及防撞

金塘水道通航代表船型为7万t级集装箱船和8万t级油船，通航尺度为900 m×62.65 m，最高通航水位3.35 m，最低通航水位-2.18 m；共锚碇基础按照大浦口码头10万t级集装箱船断缆飘移标准进行防撞设计，最大船撞力横桥向为56.3 MN、顺桥向为28.15 MN。

2.5 工程地质

根据地质钻探资料，共锚碇墩位处地层从上至下依次为：流塑状淤泥，厚约3.4 m；稍密-中密粉土，厚约51 m；密实粉砂厚约2 m；密实中砂，厚约13.5 m；硬塑粉质黏土，厚约1.5 m；全风化凝灰岩，厚约9.1 m；强风化凝灰岩，厚约2.2 m；最底部为弱风化凝灰岩，覆盖层总厚达82 m。

2.6 地震

抗震设防标准为Ⅶ度，地震动峰值加速度0.10g，基本地震动加速度反应谱特征周期0.35 s。

3 基础方案比选

共锚碇基础承受荷载大，根据其受力特点，结合桥址区域水文、地质条件及防撞要求，基础的选择应满足以下条件：满足必要的刚度要求，能够有效减小因基础本身变形而导致散索鞍位置处的变形；基础受力明确，传力途径直接；满足船撞力和地震力作用下安全要求；可实施性好，投资省[6-12]。结合本工程的自然条件，共锚碇基础可采用的形式主要有高桩承台大直径钻孔桩基础、复合基础和沉井基础。

3.1 大直径钻孔桩方案

本工程持力层埋置较浅且承载力高，桩基础宜采用柱桩设计。受水深及局部冲刷影响，桩自由长度较长，采用小直径钻孔桩，抗水平力较差，为提高基础整体刚度及经济性，宜尽可能采用较大直径钻孔桩[6]。经调研，目前国内已实施的最大钻孔桩直径为4.5 m，可研制适用于凝灰岩地层，能钻直径5 m、深度130 m以上钻孔桩的钻机，因此，共锚碇桩基础方案推荐采用直径5 m钻孔柱桩，经计算分析该方案需要51根直径5 m钻孔桩，梅花形布置，桩间距10 m，桩长132 m，承台厚9 m，平面尺寸为67.2 m×88.8 m(图3)。

图3 大直径钻孔桩方案布置(单位：m)

3.2 复合基础方案

共锚碇基础位置覆盖层较厚，可参考希腊里翁一安蒂里翁大桥及伊兹米特海湾大桥采用复合基础方案，整个基础主要由预制沉箱、防冲刷层、垫层和打入桩组成。采用559根长49 m、φ2 m、壁厚25 mm的钢管桩进行地基加固。在钢管桩上方铺设3 m厚砾石层(50 cm厚反滤沙层，2 m厚粒径10～80 cm的鹅卵石层，50 cm厚的碎石层)；φ136 m预制沉箱基础直接放置在3 m厚砾石层上，基础和砂砾层间没有连接(图4)。

图4 复合基础方案布置(单位：m)

3.3 沉井基础方案

目前常用的沉井截面形式主要有圆形、矩形和圆端形[1-5]，根据上部锚碇的结构形式，分别研究了圆形沉井和矩形沉井。

图5 圆形沉井方案平面布置(单位：m)

(1)圆形沉井基础方案。沉井平面外径75 m，内径43.4 m(图5)，钢沉井段沉井壁厚1.8 m，隔墙厚1.3 m，混凝土沉井段壁厚1.6 m，隔墙厚1.1 m。为方便吸泥取土下沉，周边均匀布置16个带倒角扇形大井孔；为方便封底混凝土施工，在沉井中间圆形井孔内布置十字形隔墙[8]，隔墙厚1.3 m。沉井顶高程为3.5 m，沉井底高程为-106.5 m，沉井总高110 m。

(2)矩形沉井基础方案。沉井平面尺寸为64.8 m×64.8 m，四周倒圆角半径为5 m(图6)，钢沉井段沉井壁厚1.8 m，隔墙厚1.3 m，混凝土沉井段壁厚1.6 m，隔墙厚1.1 m。为方便吸泥取土下沉，沉井平面布置25个11.2 m×11.2 m矩形大井孔，沉井顶高程为3.5 m，沉井底高程为-106.5 m，沉井总高110 m。

3.4 基础方案比选

对钻孔桩基础、复合基础及沉井基础方案进行详细的对比分析，比选结果如表1所示。

图6 矩形沉井方案平面布置(单位：m)

表1 共锚碇基础方案比选

复合基础结构紧凑、刚度大，施工周期较短、风险低，但其防冲刷性能、受力特性等需开展系列专题试验研究验证，沉井基础相对成熟且在结构受力、工程造价、施工工期等方面均优于钻孔桩基础方案。圆形沉井和矩形沉井工程造价及施工周期基本相当，考虑到圆形沉井方案对水流适应性好，冲刷深度小。经综合比较共锚碇基础推荐采用圆形沉井基础方案。

4 沉井基础设计

4.1 沉井持力层选择

锚碇基础位置覆盖层上部为流塑状淤泥和中密粉土，承载力低，不适合作为基础持力层。覆盖层下部为饱和密实中砂，主要矿物成分为石英、长石，含粒径3～20 mm砾石，个别达到40～60 mm，含量10%～30%，中砂层具有一定厚度且埋深适中，可作为基础持力层[13-14]。因此最终将沉井持力层选择在中砂层一定深度处。

4.2 沉井埋深选择

桥梁基础建成后长期运营过程中应能经得起海水冲刷的考验，基础的埋置深度需全面考虑冲刷的影响，因此沉井基底应在最大冲刷线以下留有一定的富余量，以保障锚碇和上部结构安全。TB10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定对于特大桥(或大桥)，属于技术复杂、修复困难或重要者，基底埋深安全值为3 m加冲刷总深度的10%，根据此条规定基底埋深高程应不大于-80.5 m。

JTG D63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》中规定对于特大桥，总冲刷深度大于20 m基底埋深安全值为4 m，根据此条规定基底埋深高程应不大于-78.5 m。

根据铁路和公路关于沉井基础最小埋置深度的有关规定，并结合沉井持力层位置和圆形沉井的受力特点，本桥沉井基底高程确定为-106.5 m。

4.3 钢沉井高度确定

考虑到沉井拟采用船坞制造浮运至桥址位置接高下沉的总体施工方法，沉井采用钢混组合沉井，下部采用钢沉井，上部采用混凝土沉井。钢沉井高度主要依据海床高程、施工潮位、施工冲刷、井壁灌注混凝土并接高一节混凝土沉井后的沉井入土稳定深度而确定[2]，根据此原则计算钢沉井入土稳定深度并保留一定的干舷高度，钢沉井总高需62 m。

4.4 沉井结构设计

沉井底面高程为-106.5 m，基底持力层为中砂，为防止船舶撞击锚碇，沉井顶面位于最高通航水位以上，顶面高程为3.5 m，沉井总高110 m。钢沉井标准段平面外径75 m，内径43.4 m，混凝土沉井标准段平面外径75 m，内径43.6 m，为方便吸泥取土下沉，周边均匀布置16个带倒角扇形大井孔，井孔外侧弧长10.72 m，内侧弧长5.73 m，扇径10.7 m，为方便封底混凝土施工，在沉井中间圆形井孔内布置十字形隔墙，隔墙厚1.3 m，见图7。

混凝土沉井总高48 m，分为7个节段，标准段高6 m，顶节段高12 m。混凝土沉井标准段壁厚1.6 m，隔墙厚1.1 m。沉井基础按自身承受船撞力设计，为满足防撞需要[2-3]，承台底以下、通航海轮最低吃水深度以上12.3 m范围内井壁向外侧加厚1.4 m。为满足锚碇基础构造要求，顶节沉井外径增大3 m，承台厚9 m。

钢沉井10个节段，底节高8 m，其余节段高6 m，标准段钢沉井井壁厚1.8 m，隔墙厚1.3 m。为减少侧壁摩阻力、便于下沉，底节钢沉井平面外径较标准节段增加0.4 m。沉井刃脚高1.8 m，刃脚踏面宽0.2 m，内隔墙底面距刃脚底面1.65 m。

封底混凝土厚14 m，为保证封底混凝土和井壁之间的有效联结，更好传递封底混凝土基底反力，将第二节钢沉井刃脚上方外壁和隔墙断面设计成下窄上宽的楔形[2]，沉井外壁楔形断面宽2.4 m，隔墙楔形断面宽2.5 m。

图7 沉井结构布置(单位：m)

4.5 主要计算结果

对共锚碇圆形沉井基础的基底应力及稳定性进行检算，基础结构受力均满足规范要求，主要计算结果如表2所示。

表2 共锚碇沉井基础主要计算结果

4.6 指导性施工组织

结合桥位附近的建设条件，共锚碇沉井基础可采用以下总体施工方案：(1)对沉井周围20 m范围内海床采用抛填防护层的方法进行预防护[15-17]；(2)钢沉井在桥位附近船坞内整体制造成型，出坞浮运至桥位[18-19]；(3)利用定位船或锚桩锚碇定位系统精确定位，注水下沉着床至稳定深度[20]；(4)灌注井壁及隔墙内混凝土；(5)沉井吸泥下沉与混凝土接高交替进行，直至沉井刃脚到达设计高程；(6)沉井清孔，封底混凝土灌注；(7)承台混凝土施工。

5 结语

甬舟铁路跨越金塘水道，金塘水道主航道桥采用1 050 m+980 m两大跨共锚碇悬索桥方案，结构新颖，造型美观，对通航影响较小。共锚碇基础荷载大，建设环境复杂，是该桥设计的关键技术难题，结合共锚碇基础的建设条件，采用圆形沉井基础，刚度大、整体性和稳定性好，施工方便、经济性好，很好地适应了共锚碇基础水深大、水流急、冲刷深、荷载大等复杂建设环境。