新建安九铁路长江大桥主塔墩基础设计与施工

罗华莹，张小川

（1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司,湖北 武汉 430056;2.中铁大桥局集团有限公司,湖北 武汉 430050）

1 概述

新建安庆至九江铁路长江大桥是九江至安庆铁路的重要组成部分，拟建桥位南侧位于九江县，北侧位于黄梅县，距下游已建成通车的长江公路大桥约5.3 km。按四线铁路桥梁标准建设，其中两线为客运专线，为高速铁路等级，设计荷载采用ZK活载，设计行车速度为350 km/h；另两线为预留外绕线，为双线Ⅰ级铁路，设计荷载采用中-活载，设计行车速度为200 km/h[1]。

新建安庆至九江铁路长江大桥包括两座通航孔桥，其中南汊主航道桥采用8跨连续双塔混合箱梁交叉索面斜拉桥方案，跨度布置为（2×50+224+672+174+3×50）m，主桥全长 1 320 m。南汊主航道桥立面布置如图1所示。

图1 主桥总体立面布置图（单位：cm）

2 建设条件

2.1 地形与地貌

桥位在距九江二桥5.3 km的鳊鱼洲桥位，该桥位河道顺直，九江侧线位正处于城西港区一、二期开发片区之间。

2.2 气象与水文

九江地区属亚热带季风气候区，年平均气温16.5～17.0℃，年极端高温41.2℃，年极端低温-18.9℃；设计最大风速V10为25.6 m/s；年平均降水量为1 347～1 440 mm。

桥址断面处300年一遇的设计洪水位为23.01 m，设计洪峰流量为85 700 m3/s，流水最大表面平均流速按照2.94 m/s考虑。

2.3 通航与防撞

主航道桥最高通航水位为21.85 m，通航孔双向有效通航净宽不小于419 m，净高不小于24 m，通航代表船型及船队为5 000 t级浅吃水海船、10 000 t级内河散货船或4.8万t 4排4列船队。主塔墩按10 000 t级内河船舶撞击力考虑防撞标准。

2.4 工程地质

桥址区覆盖层表部主要为软塑至可塑状黏性土，鳊鱼洲、河槽表层为松散状的粉、细砂；中部主要为中密至密实状的砂砾石层；底部为硬塑至坚硬状黏性土，下伏基岩为弱风化灰岩、弱风化泥质灰岩或弱风化角砾状灰岩。基岩埋藏较深，岩溶较发育，表现在岩面起伏跌宕，岩体内存在溶沟、溶隙、溶槽及溶洞等不良地质体，溶洞内由黏性土和风化灰岩碎块全充填、半充填或空洞，岩溶发育深度大多在高程-50 m以上，但个别钻孔在高程-70 m仍有揭示。单个溶洞或岩溶充填物洞高多为0.1～15.2 m，局部岩溶呈串珠状，岩溶裂隙发育[2]。

根据钻孔的岩芯取样试验，弱风化灰岩单轴饱和极限抗压强度达到43 MPa，弱风化泥质灰岩单轴饱和极限抗压强度达到24 MPa，弱风化泥质角砾状灰岩单轴饱和极限抗压强度达到28 MPa。

2.5 抗震设防标准

依据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），桥址处地震基本烈度为Ⅵ度，地震动峰值加速度为0.05g，设计地震分组属第一组。根据桥位工程地质条件，桥址区场地类别为Ⅲ类，地震动反应谱特征周期值为0.45 s。

3 主塔墩基础设计

3.1 基础形式选择

深水基础形式有沉井基础、气压沉箱基础、钻孔桩基础及组合基础等[3-4]。考虑到桥址处船撞力大、河道冲刷深以及特殊的地质情况——河床分布有20～50 m厚的坚硬黏土层，沉井等穿越该层困难较大，且沉井下沉取土对大堤的安全会造成不利影响[5]，灰岩岩面顶有较大倾角，灰岩内分布较多形态不规则的串珠状溶洞，沉井及其他管柱基础等均不具有可实施性。采用大直径钻孔桩基础水平刚度大，同时可减少钻孔桩数量，优化群桩布置，并减少承台平面尺寸，其设计、施工工艺均已较成熟，可适用于各种复杂不良地质条件，桩长适应范围广，施工质量和工期较易控制[6]。故该桥采用大直径钻孔灌注桩基础，以弱风化灰岩为持力层，按照嵌岩桩进行设计。

3.2 桩径选择

考虑该桥桥址区基岩强度高，结合市场既有的设备现状及施工技术水平，为保证大桥施工质量和进度、防患施工风险，对主墩采用2.2 m、3.0 m和3.4 m三种桩径的钻孔桩基础方案进行同深度的结构受力分析、综合比选：84根2.2 m桩基方案；45根3.0 m桩基方案；36根3.4 m桩基方案。主塔墩不同桩径基础方案比较见表1。

表1 主塔墩桩基础方案比较

3.3 主塔墩基础结构设计

主塔墩基础的计算荷载包括恒载、长钢轨纵向水平力、竖向活载、制动力、横向摇摆力、风力、水浮力、水流压力、温度力、船撞力、地震力等[4，7]。根据《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）和《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093—2017）等规定进行荷载组合，以检算结构受力。

4 主塔墩基础施工

4号主塔墩基础在水中，水深流急，若采用先围堰后平台的施工方案，在复杂水域条件下围堰运输、定位、下沉施工风险较大，故主塔墩基础采用先平台后围堰的施工方法[6，8]。5号主塔墩位于大堤内岸上，为减少基础施工对大堤的影响，基础施工前对大堤提前进行主动防护，先完成大堤防护桩、防渗墙的施工。然后利用抓斗船对墩位范围表层片石进行清理；待片石清理完成后再搭设钻孔平台，进行后期钻孔桩和围堰施工。

钻孔桩采用小桩钻孔平台施工，为钢管桩+贝雷梁形式，并利用履带吊+门吊配合钻孔桩施工，钢护筒插打设置导向装置，渡洪期间钻孔平台与部分钢护筒连接以抵抗水流力。

图2 主塔墩基础构造图（单位：cm）

承台采用钢套箱围堰施工，施工时最大水深38.0 m，围堰顶高程20.5 m，围堰底高程-16.0 m，封底高程-17.5 m，围堰平面尺寸为59.4 m×40.6 m，高36.5 m，重约4 800t。主墩承台施工围堰布置如图3所示。

主要施工流程：搭设钻孔平台→插打钢护筒→安装门吊→施工钻孔桩→围堰工厂制造→分块浮运至墩位→拼装底节围堰→整体提升→拆除钻孔平台→下放就位→浇筑刃脚混凝土→拼装第二节围堰→双壁内充水围堰着床→拼装第三节围堰→分仓浇筑双壁间混凝土→围堰内吸泥下沉到位→浇筑封底混凝土→抽水施工承台。

图3 主墩承台施工围堰布置图（单位：cm）

5 深水岩溶处理措施

桥址区岩溶发育深度大多在高程-50 m以上，溶洞较发育，大部分溶洞填充物为硬塑性黏土，部分溶洞填充物性状为软塑或流塑状黏土，呈现半填充或者空洞状态，钻进过程中易发生塌孔、卡钻、掉钻、漏浆等现象。在桩基础施工前，设计时采用动态设计系统，对溶洞情况提出预注浆处理、施工过程中采取其他应急处理措施等指导性原则和建议措施，保证桩基顺利成孔，减少事故发生[9]。

5.1 岩溶预注浆处理

为防止施工时击穿溶洞顶板时发生顶板垮塌引起塌孔，根据逐桩钻孔资料确定的溶洞情况，在钻孔桩施工前，对溶洞填充物性状不好或半填充、空洞状态的桩基周侧，采用先打小孔至溶洞底，下PVC套管，用袖阀花管进行自下而上的分层分段灌浆的方法，将溶洞提前处理密实，减少桩基施工时塌孔的可能性。

5.2 钻进过程中的溶洞处理

钻进过程中应急处理可采用抛填片石黏土法、灌注低标号片石混凝土、钢护筒跟进法等[9]。

根据地勘资料显示，岩溶发育区域上方分布有20～50 m厚的坚硬黏土层，钢护筒穿越该层困难较大，且岩溶发育深度大多在高程-50 m以上，采用钢护筒跟进法导致钢护筒很长，壁厚较厚、成本较高，设计时不建议采用钢护筒跟进法。另外根据现有地勘资料显示，主塔墩位置处无大型溶洞空溶腔，大多数岩溶填充物为黏土，故不必采用水下混凝土充填法。从经济性和施工易操作性等方面综合考虑，设计建议钻进过程中采用抛填片石黏土法，即当钻孔施工接近溶洞顶部时，降低钻机进尺速度，同时严密监控孔内水头。当钻进进入溶洞孔内出现水头迅速下降，应立即向孔内补充泥浆，同时提钻至孔口，向孔内投入片石、黏土块和水泥填充溶洞，并采取冲击钻反复冲砸，填塞溶洞、挤密护壁，当孔内水头稳定后再继续钻进。抛填片石大小以10～15 cm为宜，建议不要扁平的，利于在钻头冲击下挤密孔壁，黏土与片石的比例宜为 1∶1[10]。

6 结语

新建安庆至九江铁路长江大桥是一座主跨跨度为672 m的双塔混合箱梁交叉索面铁路斜拉桥，桥址处水深、覆盖层厚、冲刷深度大、船撞力大，桥位处基岩埋深较深，岩溶发育，岩面起伏较大。通过对桥塔基础多种方案的比选，选择了45根3.0 m钻孔灌注桩的方案，合理控制了基础规模。因该桥位于岩溶发育区，设计时采用动态设计系统，对溶洞情况提出了预处理与应急处理指导性原则、建议措施，保证桩基顺利成孔，减少施工事故的发生，为大桥后期安全有序施工和控制总工期提供了保障，为今后岩溶地区深水桥梁基础设计、施工提供了借鉴。