洛溪大橋拓寬工程斜拉橋主塔基礎設計與施工

謝尉鴻，陳 睿，牟 軍

（1.四川西南交大土木工程設計有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510095;2.四川西南交大土木工程設計有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510095；3.廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 511431）

1 工程概況

洛溪大橋拓寬工程為廣州市南北向主干道廣州大道快捷化改造系統工程的關鍵節點，項目北接廣州大道、三滘立交南側，往南跨越珠江后航道瀝滘水道，南接105國道。道路等級為城市主干道，設計車速60 km/h。洛溪大橋舊橋于1984年動工，1988年建成通車，主橋采用65 m+125 m+180 m+110 m預應力混凝土連續剛構，當時為亞洲同類橋梁之冠，享有“洛溪飛虹”的美譽。拓寬工程采用雙側加寬的方式進行拓寬，在既有洛溪大橋東、西兩側各新建一座與舊橋分離的橋梁[1],見圖1。

圖1 洛溪大橋效果圖

新建橋梁主橋采用雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，跨徑組成30m+95m+305m+110 m+30 m=570 m，見圖2。左、右分幅布置，兩側新橋中心與舊橋中心間距24 m，單幅橋寬為14.5 m，見圖3。

圖2 斜拉橋立面布置（單位：m）

圖3 斜拉橋橫斷面布置（單位：m）

2 主塔基礎結構設計

主塔采用變異鉆石型塔，塔墩基礎采用群樁基礎，承臺采用八邊形承臺，承臺橫橋向寬19.4 m，順橋向寬17.4 m，厚4.5 m。每個承臺下采用22根變截面鉆孔灌注樁，按梅花型布置，樁上段直徑為為210 cm（鋼護筒外徑），長18.5 m；下段直徑為180 cm，長度根據每個主墩地質情況確定，11.5～23 m不等，總樁長30～41.5 m，見圖4、圖5。主塔基礎處地層主要有海陸交互沉積層、沖積層、殘積層、白堊系下統白鶴洞組猴崗段泥質粉砂巖。樁基持力層為微風化泥質粉砂巖，單軸飽和抗壓強度約10 MPa,按嵌巖樁設計。

圖4 北側主塔墩基礎（單位：m）

圖5 南側主塔墩基礎（單位：m）

為減少新建橋梁基礎對河道壓縮，降低阻水比，根據防洪論證報告要求，北側主墩承臺埋置進河床覆蓋層，采用低樁承臺設計。南側主墩根據航道論證要求，為避免新橋建成后新舊橋橋面較寬形成巷道效應，影響行船安全，要求新舊橋中心距盡量縮小，南岸主墩緊貼舊橋防撞圍堰，為避免圍堰施工擾動舊橋基礎，影響舊橋安全，南側主墩采用高樁承臺設計。

3 變截面鉆孔樁發展歷程及應用實例

3.1 變截面鉆孔樁的發展歷程

改革開放以來，隨著國民經濟發展，我國橋梁工程建設也取得了突飛猛進的發展。為適應不同橋梁結構和不同地質情況要求，早在20世紀80年代我國橋梁建設者就已提出一套完整的變截面樁基技術，并成功的應用在多個大型橋梁工程。表1列舉了部分采用變截面鉆孔樁作為橋梁基礎的工程[2]。

表1 采用變截面鉆孔樁工程表

1985年，廣東九江大橋國內首次實行橋梁工程項目設計、施工總承包。原設計主墩樁基為24根?2.5 m鉆孔灌注樁，為降低工程造價同時加快施工進度，主墩樁基設計優化為 18 根（?3m/?2.5m/?2 m）變截面樁。修改設計后的18根變截面樁與原設計24根?2.5 m樁基抗水平力效果基本相等，并且由于樁尖嵌巖段沒有彎矩只有垂直支承力，在充分利用樁尖巖石強度情況下，又可將嵌巖段樁徑減小到?2 m，大大降低了工程造價[3]。2003年蘇通長江大橋1 088 m 斜拉橋主墩設計中，采用（?2.8 m/?2.5 m）變截面樁，更是打開了變截面樁在1 000 m以上超大跨度橋梁上應用的大門。

3.2 近期類似工程與洛溪大橋拓寬工程對比

表2 、表3列舉了近年來幾座特大橋采用變截面鉆孔樁樁徑情況及樁身鋼筋配置情況。為充分發揮變截面樁上大下小，上抗彎下提供地基承載力的特點，樁身鋼筋布置基本采用雙層鋼筋籠型式，即直徑較大的上段樁身采用雙層鋼筋籠，可大大提高樁基抗彎能力，直徑較小的下段樁身采用單層鋼筋籠，方便施工。

表2 近期類似工程表

表3 五座特大橋主墩樁身配筋率對比表

4 采用變截面樁的設計意圖

4.1 符合樁基受力特點

本項目采用斜拉橋結構，主墩基礎在運營計算工況組合下彎矩達389 495 kN·m。樁基受力曲線表明，樁基礎靠近地面區域為彎矩較大區段，本項目主墩樁基上段直徑為210 cm，長18.5 m，采用雙層鋼筋籠，主筋直徑28 mm，內圈外圈各布置36根，經計算能有效保證主橋基礎抗水平推力及樁基抗彎性能，同時提高結構抗震性能。而樁基下段直徑為180 cm，此區域彎矩已經極小基本只有垂直支承力作用，經計算足以滿足主墩承載力要求[4]。

4.2 改善經濟性，節省造價

采用較大的上段樁徑，相對小直徑等截面樁，可以有效減少抵抗樁頂水平推力樁基根數，從而節省工程造價。

4.3 降低施工難度

為減緩水流對原洛溪大橋舊橋基礎的沖刷，舊橋養護時在主墩位置河床頂面采取了拋石防護措施，為方便樁基穿過拋石區，下段樁基采用較小直徑，可降低施工難度。

4.4 減少主墩承臺規模

本工程根據航道要求，盡量壓縮兩側新建橋梁與舊橋之間的間距，新橋承臺施工時圍堰會與舊橋圍堰發生沖突，需對舊橋圍堰進行局部改造。采用變截面樁，主墩基礎樁間距按下段樁基樁徑180 cm控制，可壓縮樁間距，有效減少主墩承臺規模，不僅節省了工程量，同時減少了舊橋圍堰改造工作量。初步設計主墩承臺尺寸為19 m×21.2 m，施工圖設計時，考慮到上述因素，對主墩承臺尺寸進行了優化，主墩承臺尺寸調整為17.4 m×19.4 m，承臺規模大幅縮小，節省承臺工程量16%。

5 主塔基礎施工方案

5.1 變截面樁施工

根據本工程的地層情況、樁徑及鉆孔深度，選擇技術性能先進、扭矩大、提升能力強的旋挖鉆機[5]進行樁基施工。旋挖鉆機施工原理是利用可以伸縮的旋式鉆桿在鉆具重量、油缸壓力及動力頭扭矩的共同作用下，將地下土、巖屑裝入鉆頭（筒），再用卷揚機提升取土（巖）成孔。鉆機自動定位，垂直旋孔，具有裝機功率大、機動靈活、施工效率高等特點，配合不同鉆具，可適用于不同孔徑及地質條件的成孔作業，特別適合本項目變截面樁施工，上段樁和下段樁通過選擇不同規格鉆具實現樁基截面大小的變化。主塔樁基施工選用徐工集團XR400D旋挖鉆機，最大鉆孔深度110 m，最大鉆孔直徑3.0 m，最大輸出扭矩400 kN·m，整機工作狀態重約132 t。本項目實際施工約48 h即可完成一根樁基成孔作業，大大加快了施工進度。

5.2 北側主塔承臺施工

北側主墩承臺頂面設計標高-2.7 m（廣州城建高程），底面設計標高-7.2 m；封底混凝土厚2.5 m，封底底面標高-9.7 m。承臺施工期間施工高水位+6.80 m，施工低水位+3.69 m，最大水頭差達14.0 m，水頭差大、施工風險高，經比選采用安全性好的雙壁鋼圍堰進行施工。

雙壁鋼圍堰平面采用八邊型，總高度18.5 m，高度方向分3節制作，從下往上節段高度依次為7.5 m+6.0 m+5.0 m。壁體寬度1.5 m，圍堰設置兩層內撐系統。雙壁鋼圍堰施工照片見圖6。

圖6 北側主墩雙壁鋼圍堰施工照片

雙壁鋼圍堰[6]在工廠加工制作、拼裝，驗收合格后船運至施工現場。平潮水位時采用“粵東莞工0198”800T起重船吊裝下放至清除后的泥巖上，平穩后焊接定位牛腿固定。為保證抽水后高水位工況下圍堰和封底混凝土的抗浮能力，且增加最下一節圍堰的側向剛度，圍堰內外側壁之間灌注C20填芯混凝土。承臺封底混凝土厚度2.5 m，分兩次澆筑完成，第一次澆筑2.2 m水下封底混凝土，養生等強后抽水，澆筑第二層0.3 m混凝土找平層。主墩承臺混凝土厚度4.5 m，分兩次澆筑成型，澆筑高度2.0 m+2.5 m。

5.3 南側主塔承臺施工

南側主墩承臺頂面設計標高+5.3 m,底面設計標高+0.8 m；封底混凝土厚2.0 m，封底底面標高-1.2 m。承臺施工期間最大水頭差為8 m，經比選采用經濟性較好，施工難度較小的單壁鋼套箱進行施工。

套箱采用單壁有底鋼套箱[7]，側模高度為9.5 m。套箱上承重系統采用2I45b工字鋼作承重梁，下承重系統采用2I45b工字鋼主梁、I45b工字鋼次梁和20 cm厚鋼筋混凝土底板，整個系統用?32精軋螺紋鋼做吊桿連接，上承重梁支撐在樁基護筒凹槽內。套箱內設置兩道內撐圈梁，同時在關鍵節點處添加豎向支撐桿和水平向點支撐桿。單壁套箱圍堰施工照片見圖7。

圖7 南側主墩單壁鋼套箱施工照片

套箱在工廠加工制作、拼裝，驗收合格后分塊運至施工現場，利用16臺液壓千斤頂同步下放。套箱下放到位后，進行承臺封底施工，封底厚度為2.0 m，分兩次施工，第一層封底采用水下混凝土澆筑，厚1.5 m。套箱抽水后進行體系轉換工作，然后澆筑第二層封底混凝土，厚0.5 m。之后綁扎承臺鋼筋，分層進行混凝土澆筑。

6 結 語

洛溪大橋位于廣州市中心城區，是連接海珠區與番禺區的重要過江通道，是珠江主航道上的標志性建筑之一。主塔基礎因地制宜，結合舊橋基礎及地質情況，采用變截面鉆孔灌注樁，充分發揮了變截面樁的優點，既保證了樁基礎結構受力，又減少了承臺規模，降低了新建橋梁基礎對舊橋基礎的影響，節省了工程造價。北岸、南岸主墩承臺分別采用雙壁鋼圍堰、單壁鋼套箱進行施工，工藝成熟，施工有保證，目前，本項目主塔基礎施工進展順利，已完成全部樁基施工及一個承臺澆筑。洛溪大橋主塔基礎設計、施工可為以后同類型橋梁建設提供參考。