大跨度鋼性梁柔性拱橋主墩基礎設計

張金濤 劉俊鋒 梅新詠

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司， 武漢 430050)

結合長三角城際鐵路規劃、錫通公路通道規劃，滬通長江大橋按4線鐵路(2線滬通鐵路+2線城際鐵路)和6車道高速公路合建。滬通長江大橋天生港專用航道橋位于2號～5號墩間，采用剛性梁柔性拱的鋼拱橋方案，孔跨布置為(141.5+336+141.5) m，如圖1所示。主梁采用三主桁雙層板桁組合結構，桁高15.7 m，桁寬34.5 m，節間長14 m；公路與鐵路橋面系均采用正交異性板整體鋼橋面；拱肋為箱形截面柔性拱肋，矢高60 m；吊桿采用平行鋼絲拉索；主橋主墩為3號、4號墩(其中3號墩為固定墩，4號墩為活動墩)，主墩基礎采用36根直徑2.5 m的鉆孔樁，直徑2.8 m的鋼護筒。

橋址地層以砂類土為主，且具有層序復雜、相變劇烈、厚度較大的特點。

主墩基礎受力大，建設條件復雜，水位較深，地質復雜。

圖1 專用航道橋4線鐵路方案立面示意圖(m)

1 基礎建設條件

滬通鐵路位于上海市和江蘇省北部，屬長江三角洲地區，橋位區陸域地貌屬長江沖積平原的新長江三角洲，是長江三角洲的近前緣地段，一般標高2～3 m，通常低于長江的最高潮位和洪水位，形成洪水期暫時性懸河景觀。陸域地勢平坦開闊，地面自西向東微傾，兩岸向江邊低傾。北岸地面標高相對較低，一般為2～3 m，南岸地面標高2～5 m。近橋位的兩岸平原區河網縱橫交錯。

1.1 氣象條件

南通市年平均氣溫15.4 ℃，年極端最高氣溫42.2 ℃(1934年7月12日),年極端最低氣溫-12.7 ℃(1931年1月10日)。張家港市年平均氣溫15.6 ℃，年極端最高氣溫38.7 ℃(2007年7月31日),年極端最低氣溫-11.3 ℃(1969年2月6日)。兩地最冷月均為1月，最熱月均為7月，南通市1月平均氣溫3.0 ℃，7月平均氣溫27.5 ℃。張家港市1月平均氣溫2.9 ℃，7月平均氣溫27.7 ℃。

1.2 設計風速

根據江蘇省氣象科學研究所完成的專題研究報告，按百年一遇，距地面10 m高、10 min平均最大風速V10=38.20 m/s作為設計基本風速。

1.3 橋渡水文

橋址區處于長江河口段，為感潮河段，受徑流和潮流雙向水流作用。天生港站距離擬建滬通鐵路橋約3 km，有較長系列的實測潮位。根據實測資料、數模計算、定床物模試驗，求出天生港站高低潮位與橋址斷面高低潮位相關方程，利用天生港站不同頻率潮位，計算橋址斷面不同頻率高低潮位，指導結構設計。

1.4 沖刷

沖刷計算采用實測資料推算的設計單寬流量，結合水工試驗成果，按TBJ 17-86《鐵路橋渡勘測設計規范》進行計算，得出3號墩最大沖刷局部22 m，4號墩最大局部沖刷27 m。

1.5 工程地質

橋址位于長江三角洲平原區，海陸交互頻繁，地層成因復雜，區內第四系為一套河湖、濱海相松散沉積物，總厚度可達240 m(其厚度受基巖面標高變化及長江侵蝕深度控制)。第四系土層的形成和結構與長江三角洲的發育、江海變遷、氣候、植被等自然變化有著密切的聯系，具有層序復雜、相變劇烈、厚度較大的特點。覆蓋層多為松散～中密粉細砂、粉質黏土，力學強度低，工程地質性能差，不能做基礎持力層。覆蓋層中下部的密實狀粉細砂、中粗砂、礫砂、硬塑～堅硬狀粉質黏土，工程性能較好，可作為基礎持力層。

1.6 地震

主跨336 m拱橋的抗震設防標準取一般沖刷線位置處的地震動參數。多遇地震水平地震動峰值加速度為0.075 g，設計地震水平地震動峰值加速度為0.13 g。

1.7 船撞力

根據研究結果，本橋通航孔橋墩設置防撞裝置，其它橋墩依靠橋墩結構自身防撞，3號、4號橋墩船撞力如表1所示。

表1 專用航道橋船撞力表

2 主墩基礎形式比選分析

專用航道橋(140+336+140)m連續鋼桁梁由于主墩(3、4號墩)船撞力及地震力較大，船撞力組合下橫橋向最大彎矩 950 840 kN·m，地震力組合下橫橋向最大彎矩 1 766 150 kN·m，在滿足結構受力及剛度要求的前提下，對沉井基礎、鉆孔樁基礎進行綜合比選分析。沉井基礎設計如圖2所示，鉆孔樁基礎設計如圖3所示。

圖2 專用航道橋沉井基礎示意圖(cm)

圖3 專用航道橋 3號、4號主墩鉆孔樁基礎示意圖(cm)

2.1 沉井基礎方案

3號、4號主墩沉井基礎平面尺寸為39.2 m×25.2 m，沉井頂標高-5.0(-12.0) m。沉井外井壁厚1.6 m，隔墻厚度1.2 m，沉井平面布置6個11.2 m×10.4 m井孔。按沖刷深度及結構受力計算，沉井高78 m，沉井底封底混凝土厚9 m，沉井頂承臺厚5 m。依據施工期間沖刷深度，沉井底部設置鋼沉井，鋼沉井高35 m，其余部分為混凝土沉井[1-2]。

2.2 樁基礎方案

3號、4號墩采用36φ2.5 m鉆孔樁基礎，按摩擦樁、行列式布置設計，樁長115～120 m，樁底持力層為粉質粘土。承臺為矩形，平面尺寸55 m×25 m×6.5 m(橫橋向×縱橋向×承臺厚)。

2.3 主墩基礎方案綜合比選

樁基礎為柔性基礎，能適應各種不同的地質條件，施工工藝也較為成熟，工期適中，承臺圍堰封底、施工質量控制等技術均較為成熟[3]。本設計樁徑較大，比較適合采用鉆孔樁基礎施工[1]。

矩形沉井基礎為整體剛性基礎，整體性和穩定性較好，基礎變形小[4]。與鉆孔樁基礎相比,承受船撞和地震等巨大水平力作用時結構受力較好，但造價偏高，且施工工期較鉆孔樁長[5]。兩種方案綜合對比如表2所示。

表2 專用航道橋鉆孔樁基礎和沉井基礎綜合對比表

由以上分析可以看出，受水深條件的影響，如果采用沉井基礎，沉井的浮運、運輸等均有困難，施工難度較大。故該主橋基礎推薦采用鉆孔樁基礎。

3 結構設計

3.1 墩身設計

墩身設計高度根據設計高程及承臺頂標高確定，墩身采用C40混凝土，3號墩設計墩高41.8 m，4號墩設計墩高50.7 m。為減少墩身設計工程量，墩身采用墩頂設置墩帽的單箱三室的空心墩結構，墩帽頂平面尺寸42 m×9 m×1.5 m(橫橋向×縱橋向×厚度)；墩帽底尺寸37 m×8 m(橫橋向×縱橋向)，墩身縱向外輪廓采用40∶1坡度放坡至墩底，空心墩縱向內壁采用60∶1放坡至墩底[6]，墩身縱向壁厚隨墩身外壁放坡而逐漸增大，標高+10 m到承臺頂設置防撞填芯混凝土。

3.2 樁基承臺設計

專用航道橋3號、4號主墩均采用36φ2.5 m鉆孔樁基礎，按摩擦樁、行列式布置設計，3號墩設計樁長120 m，4號墩設計樁長115 m。樁頂設δ=20 mmφ2.8 m鋼護筒，樁身采用C40混凝土，樁底持力層為粉質粘土。承臺為矩形，采用C45混凝土，平面尺寸55 m×25 m×6.5 m(橫橋向×縱橋向×承臺厚)。

3.3 主要施工方法

3號、4號主墩承臺采用雙壁鋼套箱圍堰方案施工。施工時先插打鋼護筒，建立施工平臺，鉆孔，灌注混凝土。圍堰在工廠分塊制造，碼頭下河，通過浮吊吊裝至拼裝平臺。鉆孔樁施工結束后，經樁基檢測合格，開始鋼圍堰的拼裝。然后下放圍堰至設計標高，定位固定，澆筑封底混凝土。待封底混凝土達到設計強度后，抽水形成無水環境，再進行承臺、墩身結構施工。墩身采用整體鋼模板現場澆注翻模法施工。

4 結論

本文通過對滬通長江大橋專用航道橋基礎方案進行分析，根據主墩基礎建設條件、結構受力特性、經濟性能、施工便捷性等，對鉆孔樁基礎方案和沉井基礎進行了方案比選，最終推薦采用樁基礎方案，可為今后類似建設條件的橋梁結構可以提供參考。