公铁合建跨海桥梁裸岩区深水基础设计

李桂林 文望青 严爱国 王鹏宇 崔苗苗

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.中国铁建股份有限公司桥梁工程实验室，武汉 430063）

1 工程概况

一公铁合建跨海大桥跨越宽4～18 km 水道，采用（1 050+980）m双悬索桥方案，其中主航道孔跨1 050 m，如图1 所示。桥下通航区长900 m，净空高62.65 m。水下地形北浅南深。

该桥为公铁分层钢桁梁悬索桥，节段钢桁梁采用全焊接结构。大桥下层为双线客运专线（兼顾预留开行少量轻快货物列车的条件），设计车速为250 km/h，设计荷载为ZK 活载，桥梁加载采用牵引质量控制及加载长度控制包络计算［1-2］；上层为双向6 车道高速公路，设计荷载为公路-Ⅰ级，设计车速为100 km/h。主桥采用2 根直径1.301 m 的主缆。主塔为H 形，塔柱为钢筋混凝土结构，横梁为X形钢结构。

小里程侧主墩4#墩设置于水深45 m 区域，基础工程面临风大、浪高、水深、流急等多方面技术挑战，且地质条件特殊，为海域裸岩区。若采用常规的桩基方案，则平台设置、桩基钢护筒插打难度大。为选择适用于该深水裸岩区基础合理结构形式，本文对4#墩基础方案进行比选研究。

图1 跨海大桥立面布置（单位：m）

2 建设条件

2.1 气象条件

工程区域年平均气温16.9 ℃，极端最高、最低气温分别为40.6，-6.6 ℃。设计最大风速40.4 m/s，建议风随高度的变化系数（地面粗糙度系数α）在100 m（含）以下取0.14，100 m 以上取标准值0.12。年平均出现8级和7级大风的天数分别为18.1，53.3 d。

2.2 水文特点

桥区海流介于规则半日潮和不规则半日潮之间，工程水域具有较强的浅水效应。百年一遇最高、最低潮位分别为+3.65，-2.64 m，最大潮差6.29 m。平均浪高3.74 m，平均周期9.5 s，平均浪长133.5 m。百年一遇最大设计浪高8.65 m，最大设计流速3.27 m/s；20年重现期浪高6.96 m。

2.3 通航及防撞

水道通航代表船形为7 万t级集装箱船和8 万t 级油船。设计最高、最低通航水位分别为3.35，-2.18 m；海港工程设计高水位为2.09 m，设计低水位为-1.42 m。主墩基础按8 万t（兼10 万t）船舶标准进行防撞设计，最大船撞力横桥向为128.8 MN，顺桥向为64.4 MN。

2.4 地质特点

桥址区出露地层主要为侏罗系上统陆相火山岩系，次为白垩系火山-沉积岩系、燕山晚期和喜马拉雅期侵入岩，海积平原区及谷地区分布有第四系松散地层。桥址区域主要为强风化及弱风化凝灰岩。4#墩基础位置原始海床面高程-48 m，无覆盖层，其地质条件：①上层为强风化凝灰岩，灰黄色、褐紫色、灰青色，凝灰质结构，块状构造；主要矿物成分为石英、长石等，节理裂隙发育，岩芯碎块状，局部短柱状；厚度为6.8～12 m，平均9.4 m；基本承载力［σ0］=400 kPa；②下层为弱风化凝灰岩，褐紫色，熔结凝灰结构，块状构造；主要矿物成分为石英、长石等，节理裂隙稍发育，岩芯呈柱状，局部呈碎块状，锤击不易碎，未揭穿，［σ0］=2 000 kPa。

3 裸岩区深水基础方案比选

沉箱基础基底需设碎石垫层，基床基本承载力仅为600 kPa，基础位置基岩的高承载力得不到充分发挥，故不采用。结合工程区域水文、气象等自然条件及桥址处水深、地质情况，4#墩基础可采用设置沉井基础、钻孔桩基础。

3.1 设置沉井基础方案

设置沉井基底持力层为弱风化凝灰岩。设置沉井总高65 m，底面、顶面标高分别为-61.5，3.5 m。施工过程中沿高度方向分为9 个节段，底节高9 m，其余节段高7 m。

设置沉井基础断面应采用惯性矩较大、核心半径较大、模板制作简单的结构形式。因桥塔为门式结构，纵横向尺寸相差较大，为更好适应桥塔截面，设置沉井基础可选用圆端形截面或圆环形截面［3］。

圆端形设置沉井基础平面尺寸为68.9 m×39.5 m，设2 道顺桥向、4 道横桥向的隔舱，分为15 个井孔，截面布置如图2所示。

圆环形设置沉井内、外直径分别为32，56 m；沿圆环设置12 道隔舱，分为12 个井孔；标准段内、外侧圆环壁厚分别为1.8，2.0 m，隔墙厚1.3 m，截面布置如图3所示。

图2 圆端形设置沉井基础截面布置（单位：m）

图3 圆环形设置沉井基础截面布置（单位：m）

3.2 钻孔桩基础方案

为降低施工难度，桩基础采用自由长度大的高桩承台，承台底距岩面约43 m。桩基础设计受船撞力控制（横向船撞力约128.8 MN），须采用大直径桩孔灌注桩或钢管复合桩。经比选，采用桩孔直径为4 m 的灌注桩基础。桩基布置如图4所示。

图4 钻孔桩基础截面布置（单位：m）

3.3 方案比选

3种基础方案的工程量及施工工期比选见表1。

表1 3种基础方案工程量及工期比选

圆端形设置沉井基础的特点：①结构紧凑，刚度大，整体性和稳定性好，承受水平荷载能力强；②比圆环形设置沉井基础纵向尺寸小，承受波流力小；③施工流程相对简单，临时辅助工程较少，主要涉及定位船、锚固定位系统等；④满足同样承载力的前提下，比桩基础平面面积小。

圆环形设置沉井基础的特点：①施工流程相对简单，临时辅助工程较少；②满足同样的承载力时，比桩基础平面面积小；③内环封底混凝土直径达30 m，传力范围不明确；④平面定位比圆端形设置沉井简单。

钻孔桩基础的特点：①对水下地形、地质条件适应性强；②施工化整为零，风险略小；③施工占用水域范围小，对航道影响小；④水深较深，地质覆盖层薄，海上钻孔平台施工难度较大；⑤工期长，临时设施多。

综上，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。其中圆端形设置沉井纵向尺寸更小，工程区域对水流适应性更好，冲刷深度更小，基底传力更为明确。

经综合比较，对于4#墩基础，推荐圆端形设置沉井基础方案。

4 圆端形设置沉井基础设计

4.1 持力层选择

4#墩处基岩裸露于海底，岩面纵向倾角约15°，上层强风化凝灰岩厚薄不均，且基本承载力较低。参考国内外经验并根据地质条件进行计算分析，最终选择下层的弱风化凝灰岩为设置沉井的持力层，最小嵌岩深度按3 m设计，基础底部整体嵌入持力层3～13 m。

4.2 海床防冲刷措施

由于设置沉井是直接放置在弱风化凝灰岩层上，其周围及下方的岩层可能被强潮流冲刷，威胁基础的稳定性，所以必须采取一定的防冲刷措施。国外已实施的采用设置基础的桥梁防护方案以底滤层+抛石为主［4-6］，回填深度为0.75～12.00 m。根据4#墩处水流及冲刷强度，设计回填深度5 m。

4.3 基坑开挖方案

水下基础爆破总体施工方案为单层全断面分区段分次钻孔，当日成孔当日一次性爆破，全部爆破后分区依次清渣。国内外典形裸岩区设置基础基坑开挖方案［5］见表2。

4#墩基坑底平面尺寸按总余裕宽度4 m 设计，即基础平面尺寸分别向外扩展2 m；岩石区域按1∶0.5放坡；基坑开挖岩石爆破量为52 433 m3。4#墩基础水下爆破施工基坑如图5所示。

表2 典形裸岩区设置基础基坑开挖方案示例

图5 4#墩基础水下爆破施工基坑示意（单位：m）

4.4 设置沉井结构设计

设置沉井钢壳采用Q355C 钢；井壁填充和水下封底采用C35 混凝土，沉井盖板采用C45 混凝土。为方便承台及桥塔底部在无水状态下施工，设置沉井上接8 m 高双壁钢围堰，围堰顶高程为+11.5 m。承台厚8 m，封底混凝土厚11 m。

设置沉井标准段钢沉井井壁厚1.8 m，隔墙厚1.3 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1.8 m。为保证封底混凝土和井壁之间有效联结，更好地传递封底混凝土基底反力，将第2 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，沉井外壁楔形断面宽2.6 m，隔墙楔形断面宽2.5 m。设置沉井结构布置见图6。

图6 圆端形设置沉井结构布置（单位：m）

4.5 基础结构检算

4.5.1 荷载工况

4#墩基础荷载组合工况见表3。其中工况1 为主力工况，工况2—5 为主力+附加力工况，工况6—7 为特殊荷载工况。

表3 4#墩基础荷载组合工况

4.5.2 稳定性检算

根据TB 10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》［7］第3.1.1—3.1.2 条进行设置沉井基础的稳定性检算，计算其在不同工况下的倾覆稳定系数K0和滑移稳定系数Kc，结果见表4。计算时考虑到基底持力层为弱风化凝灰岩，摩擦因数取0.6。

表4 设置沉井基础稳定性计算结果

根据 TB 10093—2017，K0和Kc限值分别为 1.5，1.3。由表4可知，设置沉井基础使用阶段的稳定性满足规范要求。

4.5.3 地基承载力检算

计算各工况下设置沉井基底应力的最大值σmax和最小值σmin，并与该工况下的容许承载力［σ］对比，结果见表5。计算时不考虑井壁四周岩体对设置沉井基础的嵌固有利作用［7-9］，按扩大基础计算。

由表5 可知，各工况下基底承受的最大应力均小于该工况下的容许承载力，且未出现基底受拉脱空产生应力重分布的情况，满足规范要求。

表5 设置沉井基底应力计算结果

4.5.4 抗浮检算

在封底及井壁混凝土灌注完成而盖板混凝土尚未灌注时，检算此时的沉井抗浮安全系数，结果为1.55，大于1；钢沉井偏心距检算由极限横风工况控制，e/ρ（合力偏心矩/基底截面核心半径）为0.939，小于1.500。抗浮检算结果满足TB 10093—2017要求。

4.6 钢沉井浮运

满足钢沉井整体拼装的船厂距离桥址约35 km，途经2座大桥，其通航净高分别为51.0，49.5 m。无任何措施的情况下钢沉井浮运干舷高度为42 m，考虑潮汐波浪等因素，实施过程中可采取灌注底节混凝土、真空加压等措施调整钢沉井干舷高度，整体运输条件满足要求。

浮运过程中在牵引力、风力等作用下，钢沉井浮心处产生弯矩，发生倾斜。为保证安全托运，要求倾斜后钢沉井顶面露出水面0.5～1.0 m，倾斜角度不应大于6°。施工过程中须结合实际牵引力、风力等进行检算［10］，将钢沉井安全浮运至桥址位置。

4.7 指导性施工组织方案

施工顺序：①钢沉井于船坞内拼装；②采用钻爆法进行基坑水下爆破，使其整体成形；③基坑水下清渣完成后，对基底进行整平施工，并将钢沉井运输至墩位附近进行临时锚泊；④进行基坑槽验收；⑤将钢沉井溜放至墩位处，采用锚碇系统进行初步定位，注水下沉，精确定位后着床；⑥沿钢沉井外周围抛石回填，浇筑柱体部分井壁混凝土；⑦最后施工箱盖板。

5 结语

一公铁合建跨海大桥采用（1 050+980）m 双悬索桥方案，结构新颖，造形美观，对通航影响较小。主通航孔桥小里程侧桥塔基础位于裸岩区，建设环境复杂，是该桥设计的关键技术难题。从结构受力、施工、经济性等方面对圆端形设置沉井基础、圆环形设置沉井基础、钻孔桩基础方案比较，推荐采用圆端形设置沉井基础。圆端形设置沉井基础刚度大、整体性和稳定性好，施工方便、经济性好，很好的适应了裸岩区、水深大、水流急、冲刷深、荷载大等复杂建设环境。