北沿江公铁两用特大桥主塔基础设计研究

唐斌

中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉430050

1 工程概况

北沿江公铁两用特大桥是沪渝蓉高速铁路的控制性工程，双向6车道，设计车速100 km/h。跨中设置变坡点，两侧采用6‰的对称人字纵坡，考虑通航、水文及河道冲刷，其中主通航孔桥跨径布置为（111.4+172+400+197+111.4）m，桥长991.8 m［1］。主通航孔桥为主跨400 m双塔双索面钢桁梁斜拉桥，铁路桥面采用无砟轨道结构体系，为国内外首次采用最大跨度无砟轨道结构的公铁两用斜拉桥，也是铺设无砟轨道最大跨度的斜拉桥，主通航孔桥立面布置见图1。

图1 主通航孔桥立面布置（单位：m）

主塔基础场区勘探深度范围内无基岩，河床表层为松散粉砂，属可液化砂土，局部地段为淤泥、可塑状粉质黏土，该层厚度多在7～11 m；中上部主要为淤泥质粉质黏土，软塑状淤泥、稍密状粉土及中密状粉砂呈透镜体状分布其中，该层厚度为35～62 m；表层、中层承载力低，压缩性高，工程性质差。中下部主要为密实砂层，局部夹软塑状粉质黏土透镜体，该层厚度在75～85 m，分布广泛、稳定，中等偏低压缩性，承载力较高，是较好的基础持力层。

桥址年平均温度15.1℃，极端最低、最高气温分别为-12.1、40.2℃。100年一遇10 m高度处设计风速V10＝41.1 m/s，设计最低、最高通航水位分别为-2.15、4.38m。300年一遇最低、最高水位分别为-2.44、5.31 m。最大船撞力横桥、顺桥向分别为34.10、17.05 MN。3#墩一般冲刷后高程-14.67 m，局部冲刷后高程-39.9m；4#墩一般冲刷后高程-22.6 m，局部冲刷后高程-33.47 m。抗震设防标准为Ⅶ度。

该桥具有跨度大、荷载重等特点，桥塔基础穿越土层较多，桥梁基础无基岩，桥塔基础设计、施工难度较大。

2 桥塔基础方案比选

沉井基础为整体刚性基础［2-4］，整体性强、刚度大、稳定性优良，承载面积大，能承受较大的竖向荷载和水平荷载，结构受力性能较好。钻孔桩基础是桥梁深水基础的常用形式。桩基进入地基较深，承载力可靠，桩基有较大的竖向刚度，沉降较小，低桩承台群桩抵抗较大水平力能力较强，且桩长适应范围广。

主通航孔桥区域河床表层为厚度7～11 m的松散粉砂，其下为厚度35～62 m的淤泥质粉质黏土，再下面为厚度75～85 m的密实砂层。因表层松散粉砂和淤泥质粉质黏土的土体工程性质较差，而可作为持力层的密实砂层埋深较深。

经研究，主墩墩位处较适宜选用的基础形式为钻孔灌注桩基础、沉井基础。结合该桥建设条件，在进行桥塔基础设计研究时，从地质和水文状况的适应性、基础受力的合理性、工程造价、施工难易程度、工期、环境的影响等方面，对沉井和钻孔桩基础进行综合计算分析［5］。

2.1 沉井基础方案

对于沉井基础方案，采用圆端形钢壳混凝土沉井［6］，圆端形截面轮廓有利于控制下沉和适应水流冲刷。沉井标准平面外轮廓尺寸为62 m×38 m（横桥向×纵桥向）。为满足桥梁阻水率要求，沉井顶面标高置于河床面以下-8.0 m，底面标高为-70.0 m，基础持力层为饱和、密实的中砂。沉井整体总高度为62 m，其中钢沉井高度为52 m，钢筋混凝土段高度为10 m。承台厚度6.0 m，塔座高度3.0 m。根据通航要求，沉井顶面须在河床面以下，沉井承台须要做围堰来进行施工，增加了工程量。主塔沉井基础结构见图2。

图2 主塔沉井基础结构（单位：cm）

对沉井基础进行基底应力、下沉稳定性、抗浮稳定性、倾覆和滑动稳定系数的整体计算，同时进行刃脚外弯、刃脚内弯、刃脚根部及墙身、封底等局部受力验算。经检算，沉井满足TB 10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》［7］的受力要求，因此采用沉井基础方案具有一定的可行性。

2.2 钻孔桩基础方案

该桥塔基础须承受较大的水平荷载，若采用钻孔桩基础，单桩须具有较强的竖向及水平承载能力，因此钻孔桩应尽量采用较大的桩径［8］。对主墩基础进行计算比选，选取φ2.2、φ2.5、φ2.8 m三种不同的方案进行分析，结果见表1。可知，φ2.5 m桩基础方案的经济性最优，而且其桩数少、桩径大，更有利于保证施工工期和施工质量，主塔基础推荐采用φ2.5 m方案，即方案二。

表1 钻孔桩基础方案比选

桥梁深水桩基础是深水基础中最为经济的基础形式。其承载力高，沉降变形小，能较好地适应复杂地质条件。桥梁上部结构的荷载通过桩基础传递至很深的持力层上，受力明确，施工设备简单、轻便、易于操作、造价较低。φ2.5 m大直径钻孔桩是目前国内外深水桥梁普遍采用的一种基础形式，近年来在武汉青山长江大桥、武汉长江二桥等公路桥上已有成熟应用。

根据TB 10093—2017，钻孔灌注摩擦桩的轴向受压容许承载力为

式中：P为桩的容许承载力；U为桩身截面周长；fi为各土层的极限摩阻力；li为各土层厚度；m0为桩底支承力折减系数；A为桩底支承面面积；[σ]为桩底地基上的容许承载力。

根据式（1）进行检算，主力、主力+附加力、主力+特殊荷载各种工况最不利单桩竖向承载力计算结果见表2。

表2 各工况下最不利单桩竖向承载力

由表2可知：采用φ2.5 m钻孔桩基础，各荷载工况最不利组合单桩竖向承载力小于容许承载力，可满足TB 10093—2017受力要求。

2.3 方案比选

对桩基础推荐方案二与沉井基础方案从工程量、施工难度与风险、经济性三方面进行充分比选，比较结果见表3。可见，桩基础方案工期可控，工程量最省，经济性较好，故推荐采用φ2.5 m钻孔灌注桩基础。

表3 主墩基础方案综合比选

3 桥塔基础结构设计

主塔基础采用整体式承台配大直径钻孔桩基础。3#、4#主塔基础采用74-φ2.5 m钻孔灌注桩，桩长130 m，桩基础平面按照行列式和梅花形组合布置，基准桩间距6.25 m。承台按照圆端形设计，厚度为6.5 m，承台平面见图3。

图3 承台平面（单位：cm）

4 桥塔基础施工方案

桥塔基础采用先架设钻孔平台施工钻孔桩，然后采用钢套箱围堰施工承台的施工方案。具体步骤如下：

①钻孔桩施工完成后在平台上安装双壁钢套箱围堰。

②接高支承钢护筒并安装吊挂系统。

③围堰吊挂在支承钢护筒上下放并取土下沉至设计标高。

④清基、水下灌注封底混凝土。

⑤抽水进行承台施工。承台施工时应采取布设冷却管或其他有效措施以降低混凝土的水化热，并加强养护，避免混凝土产生收缩裂缝，并注意桥塔预埋钢筋的埋设。

5 结论

本文以北沿江公铁两用特大桥主塔基础为工程背景，对主塔基础结构设计进行了方案研究。得到以下主要结论：

1）桥址区存在的特殊性岩土主要为软土及松软土。软土、松软土天然含水量高，孔隙比大，强度低，压缩性高且具有流变性和触变性，工程性能差，建设条件恶劣。通过对沉井和桩基方案进行比选，推荐北沿江公铁两用特大桥主塔基础均采用桩基方案。

2）根据该桥的气象、水文、地质等建设条件，考虑基础结构受力、经济性以及施工便利性等方面，经不同桩径基础比选后，推荐受力性能好、经济性优、施工工期短且技术相对成熟的φ2.5 m钻孔桩基础方案。

3）北沿江公铁两用特大桥具有跨度大、基础水深、覆盖层厚、冲刷深度大、地质条件复杂的特点，主塔桩基础主力、主力+附加力、主力+特殊荷载各工况最不利组合单桩竖向承载力小于容许承载力，满足规范受力要求。

4）该桥选择了经济、技术合理的桩基础方案，有效地减小了桥梁基础规模，控制了高速铁路桥梁基础沉降，节约了施工工期，对大跨度桥梁深水基础超长钻孔桩设计和施工具有指导意义。