平潭海峡公铁两用大桥深水区栈桥下部结构设计

王东辉，胡雄伟

(中铁大桥局集团有限公司， 武汉 430050)

平潭海峡公铁两用大桥深水区栈桥下部结构设计

王东辉，胡雄伟

(中铁大桥局集团有限公司， 武汉 430050)

平潭海峡公铁两用大桥栈桥规模宏大，使用周期长，所处海域风大浪急、水深达46m，海床多有裸露花岗岩地层，海水腐蚀性强，栈桥下部结构设计与施工困难重重。针对不同地质、水深条件，细划栈桥分类，对深水区栈桥下部结构设计参数进行研究与分析，可为此类水域条件下的栈桥下部结构设计提供参考。

公铁两用桥；栈桥；下部结构；设计

1 栈桥工程概况

平潭海峡公铁两用大桥起于福建长乐市松下镇，止于平潭岛，全长16.338 km，桥位处97%区段同时存在复杂、恶劣的海况、气象、地质、水文及地形条件[1]。其中，福平铁路站前工程FPZQ-3标段起于长乐岸，止于大练岛，全长11 149.7 m，施工条件更为复杂，属本文研究范围。

栈桥所处海域中海况环境恶劣，风暴潮及经常出现的潮流强度大、波浪力大；海域岛屿众多，海水呈典型半日潮，水流流速大；海水腐蚀性强；地质条件复杂；栈桥各墩位平均水深约21 m，个别墩位水深达到46 m，导致了栈桥下部结构设计与施工困难重重。栈桥设计条件具体如下[2-3]。

图1 栈桥总平面布置

(1)潮位及流速

工程海域平均高潮位高程+2.39 m，平均低潮位为-1.89 m，平均潮差4.28 m。其中20年一遇高潮位为+4.33 m。海域内水流流速如表1所示。

表1 桥址处海域水流流速 m/s

(2)波浪

海域内波浪要素如表2所示。

表2 桥址处海域波浪要素

注：H5%是指累计频率为5%的波高。

(3)大风天气

桥位处风向季节性变化明显，桥址工程区域百年重现期10 min平均最大风速44.8 m/s，台风频繁，施工过程中的抗风问题突出。桥位处的极大风天数见表3。

表3 桥址处出现极大风天数统计 d

(4)地质

浅、无覆盖层地质分布广，海床多有裸露花岗岩地层，岩石强度高，钢管桩施工困难。

2 栈桥总体设计

为降低现场施工难度，提高施工作业效率，变水上施工为陆上施工，除元洪航道、鼓屿门水道及大小练岛水道3个航道外均设置与主桥中线平行的栈桥。栈桥设计全长为7 787.0 m，其中水深小于18 m(以20年一遇高潮位+4.33 m计，下同)区域的栈桥长度为3 228.75 m，水深介于18～46 m区域的栈桥长度为4 558.25 m。栈桥总体布置如图1所示。

根据地质与地形条件，细划栈桥结构类型。下部结构设计时将栈桥总体分为近岛段潮位变化区域栈桥、浅水区栈桥和深水区栈桥3种。深水区栈桥是指水深介于18～46 m区段的栈桥。下述仅针对深水区栈桥下部结构设计进行阐述。

栈桥全线车辆荷载等级为公路I级。考虑主桥施工需求，除44 m跨径外，栈桥上允许100 t履带吊机走行及吊装作业。

桥宽：为满足100 t履带吊机吊装作业和混凝土搅拌车错车的需求，结合各类运输车辆和履带吊机的外形尺寸进行研究，栈桥设计桥宽为8.0 m，面板设计为混凝土桥面板[4]。

栈桥的基本跨度确定为(12+28) m、(12+32) m、(12+36) m和(12+44) m共4种，主梁采用中铁大桥局设计研发的“大桥1号桁梁”。

栈桥钢管桩型号确定时，根据栈桥所处水深、地质条件、腐蚀情况和加工难易程度、施工机械等因素综合考虑，深水区栈桥最终有区别地选取φ1 500×18 mm、φ2 000×22 mm、φ2 400×28 mm等3种型号的钢管桩。单排桩基横桥向布置2根钢管，桩间距为9.0 m。

除厚覆盖层(指覆盖层厚度大于13.6 m)区域的栈桥钢管桩采用斜桩方案外，浅、无覆盖层区域的栈桥钢管桩均采用直桩方案。某标准区段栈桥的总体布置如图2所示。

图2 某标准区段栈桥总体布置(单位：m)

3 栈桥下部结构设计

3.1 横桥向刚度设计

钢管桩承受的水流力与直径成正比，波浪力与直径约成平方关系，而由悬臂单桩的横向位移计算公式f=PL3/3EI和圆形截面的惯性矩I可得，横向刚度与钢管桩径成四次方关系[5]。因此对于深水、浪高、流急等水域，采用大桩方案可以有效地解决栈桥横向刚度的问题。在水深35 m情况下，12 m+36 m跨径栈桥横桥位移与钢管桩型号关系见表4。

表4 栈桥横桥位移与钢管桩型号关系 mm

3.2 横向抗倾覆稳定性设计

按规范要求，墩台使用阶段抗倾覆稳定系数K不应小于1.5，施工阶段K不应小于1.2[6]。栈桥作为临时结构，设计时K值采用如下标准判定：在20年一遇工况下，栈桥的横桥向K值不小于1.5；100年一遇工况下，栈桥横桥向K值不小于1.3。栈桥下部结构设计时主要考虑以下4种措施。

(1)设计上采用更大配重的混凝土桥面板。

(2)加大栈桥横桥向的桩间距。栈桥横桥向单排钢管桩采用2根桩，桩间距为9.0 m。当桩间距再增大时，分配梁需采用新制钢箱梁，经济性差。经分析整理，在水深35 m情况下，12 m+36 m跨径栈桥横桥向抗倾覆稳定系数与横桥向桩间距关系见表5。

(3)栈桥钢管桩与钻孔平台钢管桩通过桩间联结系焊接成整体。此项措施可明显调整栈桥钢管桩与钻孔平台钢管桩之间的弯矩重分配，从而减少栈桥钢管桩因水平力引起的上拔力。

表5 栈桥横桥向抗倾覆稳定系数与横桥向桩间距关系

(4)当部分浅、无覆盖层区域的栈桥抗倾覆稳定性仍不满足要求时，可在钢管桩内设置混凝土锚桩。混凝土锚桩设置于岩层与管桩内部。与岩层接触长度根据计算需要的上拔力确定入岩深度，与钢管接触长度由上拔力计算所需黏结长度确定，同时混凝土锚桩由于自重大，形成桩底配重。

3.3 防腐设计

栈桥设计年限为6年，使用时间长，海水腐蚀性强。常规钢桩防腐处理可采用外表面涂防腐层、增加腐蚀余量和阴极保护等方法。栈桥作为临时施工结构，采用涂装与增加钢管腐蚀余量的方式防腐。

使用在海水中的无涂层钢材，其典型的浪溅区的腐蚀速率一般在每年0.15 mm左右；全浸区则为每年0.07 mm左右[7-8]。本栈桥钢管桩内外的总腐蚀量偏保守完全不考虑涂装的保护作用，并结合文献[6]，在浪溅区为3.6 mm，在全浸区为1.7 mm。据此，钢管桩壁厚均预留腐蚀余量，全浸区(高程-6.0 m以上部分)为4 mm，以下部分为2 mm。同时对全浸区钢管桩的外表面按《熔融结合环氧粉末涂料的防腐蚀涂装》(GB/T 18593—2010)第3类涂层类型进行涂装。

4 栈桥下部结构计算

4.1 入土锚固深度计算

栈桥横桥向位移计算时，需考虑钢管桩的固接深度。按文献[9]中弹性长桩入土深度要求，冲刷后钢管桩的入土深度应大于4T。T值求解公式如下[9]

(1)

式中，m为土的水平地基抗力系数随深度增长的比例系数(kN/m4)。m值宜通过单桩水平静载试验确定，或按文献[9]表D.3.1，即表6采用。

比照平潭地质勘察补充报告、表6以及单桩在地面处计算水平位移为3～4 mm的情况，m按4 500 kN/m4计，φ1.5 m的钢管桩的固接深度为13.6 m。

表6 土的m值

4.2 入岩锚固深度计算

若按单排桩或双排桩进行计算管桩的锚固深度，由于弯矩和水平力重新分配，后者计算值比单桩计算值小0.1～0.4 m，偏安全考虑，仍按单桩计算的锚固深度取。

(1)按文献[9]计算入岩固接深度

不进行水平静载荷试验的嵌岩桩，嵌岩端按固接设计时，嵌岩深度应不小于计算嵌岩深度，且应不小于1.5倍嵌岩段桩径。计算嵌岩深度可按下式计算

(2)

式中hr——计算嵌岩深度，m；

Vd——基岩顶面处桩身剪力设计值，kN；

β——系数，取0.2～1.0，根据岩层侧面构造和风化程度而定，节理发育的取小值，反之取大值，中风化岩不宜大于0.6；

frk——岩石饱和单轴抗压强度标准值，kPa，frk的取值应根据工程勘察报告提供并结合工程经验而定；

Md——基岩顶面处桩身弯矩设计值，kN·m；

D′——嵌岩段桩身直径，m。

(2)按文献[6]计算入岩锚固深度

当海床面有冲刷时，桩基需嵌入基岩，嵌岩桩按桩底嵌固设计。其应嵌入基岩中的深度，圆形桩可按下列公式计算(适用条件frk≥2 MPa)

(3)

式中h——桩嵌入基岩中的有效深度，m，不应小于0.5 m；

MH——在基岩顶面处的弯矩，kN·m；

frk——岩石饱和单轴抗压强度标准值，kPa；

β——系数，取0.5～1.0，根据岩层侧面构造而定，节理发育的取小值；节理不发育的取大值；

b——桩身直径，m。

(3)通过计算整理，并结合现场水平静载荷试验报告，φ1.5 m、φ2.0 m和φ2.4 m的钢管桩入岩固接深度距海床冲刷面分别为2.9、3.7、4.5 m。考虑冲刷深度约0.5 m，钢管桩设计入岩总深度分别按3.5、4.2 m和5.0 m计。

文献[6]所指h为嵌入基岩的有效深度，即不计强风化层和全风化层厚度。钢管桩入岩固接深度计算时，应特别注意此使用条件。在地质资料不够明确时，式(3)仅为参考使用，并需结合现场水平静荷载试验进行验证。

4.3 抗倾覆稳定性计算(图3)

栈桥横桥向抗倾覆稳定性计算时，抗倾覆弯矩为自重重心对一侧管桩桩底产生的弯矩，倾覆弯矩为波浪力、水流力及风力等水平荷载对桩底产生的弯矩，而不同水深、区段的水平荷载计算量大，并不实用。在对栈桥计算分析过程中，得出如下简易计算公式。

对于直桩，设一端桩底反力为x，另一端反力为y，则单排桩桩顶所分配的栈桥自重为x+y，栈桥所产生的抗倾覆弯矩：

L×Rt+L(x+y)/2=L(2Rt+x+y)/2

水平荷载作用下的倾覆弯矩

式中L——桩间距，m；

Rt——钢管桩的抗拔力；

x——较大竖向桩底反力；

y——较小竖向桩底反力。

栈桥的抗倾覆稳定性系数

(4)

图3 栈桥抗倾覆稳定性计算受力简图

4.4 单桩竖向承载力计算

钢管桩采用“海力801”打桩船插打，打击能量根据钢管桩型号及打击应力确定[10]。

由于海床面地形起伏变化大、栈桥桩位处地质资料缺乏，主体结构地质资料与栈桥桥位处地质资料相差较大，仅能作为参考。采用常用的摩擦桩计算公式并不能适用于本栈桥。

经广泛收集相关资料，栈桥钢管桩可采用海利(Heily)动力打桩公式按打入贯入度计算单桩竖向承载力。此计算方法已通过悟州码头三期工程、印尼马都拉海峡大桥等项目实证是可行的[11-12]。下述以φ2 400×28 mm钢管桩为例对海利公式进行介绍，打桩锤为S-280液压打桩锤，打击能量为150 kJ，设计停锤贯入度3～5 mm。海利动力打桩公式如下

(5)

式中Ru——桩最大承载力，kN；

W——锤芯(冲击体)重力，kN，查看资料数据为136 kN；

h——冲击行程，mm，能量150 kJ时为1 102.5 mm；

S——收锤时最小贯入度，mm，取停锤平均贯入度4 mm；

P——(桩+桩帽+砧)的总重力，kN，取850 kN；

C——反弹总量，mm，为Cc+Cp+Cq之和；

Cc——砧的反弹量，mm，取3 mm，砧为桩锤与桩帽间的缓冲垫层，常采用废旧钢丝绳制作；

Cp——桩身的反弹量，mm；

Cq——桩端土体弹性压缩量，mm；

e——液压锤的效率系数，参照研究资料取2.51；

f——不同液压锤的特性系数，参照研究资料取1.732。

经计算，采用式(5)计算的单桩竖向承载力为7 820 kN，大于单桩最大竖向反力3 280 kN，满足设计要求。

5 结语

平潭海峡公铁两用大桥栈桥所处海域同时存在深水、浪高、流急、风大、光板岩、地质条件不明、腐蚀性强等多种制约因素，通过多项措施从设计上保证了栈桥结构的安全。在施工期间，已建栈桥经受14级大风的考验并验证了结构是安全可靠的。主要结论如下。

(1)为保证车辆行驶的舒适性和栈桥的结构安全，采用大桩方案可明显提高栈桥的横向刚度。

(2)在水平荷载巨大的海域进行栈桥下部结构抗倾覆稳定性设计时，钢管桩横向桩间距应根据经济性比选，尽量取大。采用文中式(4)可快速求得栈桥的横桥向抗倾覆稳定系数。

(3)对于浅、无覆盖层区域，确定栈桥的入土(岩)锚固深度至关重要。采用式(2)、式(3)进行计算并结合现场水平静载荷试验是合理可行的。对于类似地质条件地区钢管桩的嵌固条件判断有一定的参考价值，但需开展相关的水平静荷载试验进行验证。

[1] 中铁大桥勘测设计院集团有限公司.平潭上岛铁路预可行性研究海坛海峡桥梁方案研究报告[R].武汉:中铁大桥勘测设计院集团有限公司，2010．

[2] 中铁大桥勘测设计院集团有限公司.新建福州至平潭铁路平潭海峡公铁两用大桥补充定测工程地质勘察报告[R].武汉：中铁大桥勘测设计院集团有限公司，2013．

[3] 国家海洋局第三海洋研究所.平潭上岛铁路海坛海峡大桥工程可行性研究水文分析计算专题报告[R].厦门：国家海洋局第三海洋研究所，2013．

[4] 张立青，铁路主要大型临时工程设计技术探析[J].铁道标准设计，2012(11):23-27．

[5] 孙训芳.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2002．

[6] 中华人民共和国交通部.JTG D63—2007公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京：人民交通出版社，2007．

[7] Ben C. Gerwick，Jr.海洋工程设计手册·海上施工分册[M].上海：上海交通大学出版社，2013．

[8] 陈涛.杭州湾跨海大桥钢管桩成套关键技术[J].公路，2010(5):57-61．

[9] 中华人民共和国交通运输部.JTS 167—4—2012.港口工程桩基规范[S].北京：人民交通出版社，2012．

[10]韩亮，姚爱军，郭萍，等.深海水下导管架钢管桩可打性实例分析[J].地下空间与工程学报，2014(11):1872-1875．

[11]李望东，文琳.荷兰IHC-S280液压锤的使用与性能[J].水运工程，2004(5):84-87.

[12]曲贝贝，陶小莉.海利动力打桩公式有关参数的取值研究[J].城市建设理论研究：电子版，2011(21)：1-7.

Substructure Design of Deepwater Trestle Bridge of Pingtan Strait Hi-Rail Bridge

WANG Dong-hui， HU Xiong-wei

(China Railway Major Bridge Engineering Group Co., Ltd， Wuhan 430050， China)

The difficulties in the construction of Pingtan strait hi-rail bridge come from its large scale， long life cycle， diverse ocean environment with deep water， strong wind， exposed granite and heavy sea water corrosion. In view of the different geological conditions and water depth， detailed classification of trestle bridge is employed and researches and analyses are conducted to define design parameters so as to provide

for the design of the substructure of such trestle bridges in similar water areas．

Hi-rail bridge; Trestle bridge; Substructure; Design

2014-12-03；

2014-12-24

王东辉(1970—)，男，教授级高级工程师，1992年毕业于长

沙铁道学院铁道工程专业，工学学士，E-mail:wangdonghui@126.com。

1004-2954(2015)10-0076-05

U448.18

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.018