大跨度钢性梁柔性拱桥主墩基础设计

张金涛 刘俊锋 梅新咏

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司， 武汉 430050)

结合长三角城际铁路规划、锡通公路通道规划，沪通长江大桥按4线铁路(2线沪通铁路+2线城际铁路)和6车道高速公路合建。沪通长江大桥天生港专用航道桥位于2号～5号墩间，采用刚性梁柔性拱的钢拱桥方案，孔跨布置为(141.5+336+141.5) m，如图1所示。主梁采用三主桁双层板桁组合结构，桁高15.7 m，桁宽34.5 m，节间长14 m；公路与铁路桥面系均采用正交异性板整体钢桥面；拱肋为箱形截面柔性拱肋，矢高60 m；吊杆采用平行钢丝拉索；主桥主墩为3号、4号墩(其中3号墩为固定墩，4号墩为活动墩)，主墩基础采用36根直径2.5 m的钻孔桩，直径2.8 m的钢护筒。

桥址地层以砂类土为主，且具有层序复杂、相变剧烈、厚度较大的特点。

主墩基础受力大，建设条件复杂，水位较深，地质复杂。

图1 专用航道桥4线铁路方案立面示意图(m)

1 基础建设条件

沪通铁路位于上海市和江苏省北部，属长江三角洲地区，桥位区陆域地貌属长江冲积平原的新长江三角洲，是长江三角洲的近前缘地段，一般标高2～3 m，通常低于长江的最高潮位和洪水位，形成洪水期暂时性悬河景观。陆域地势平坦开阔，地面自西向东微倾，两岸向江边低倾。北岸地面标高相对较低，一般为2～3 m，南岸地面标高2～5 m。近桥位的两岸平原区河网纵横交错。

1.1 气象条件

南通市年平均气温15.4 ℃，年极端最高气温42.2 ℃(1934年7月12日),年极端最低气温-12.7 ℃(1931年1月10日)。张家港市年平均气温15.6 ℃，年极端最高气温38.7 ℃(2007年7月31日),年极端最低气温-11.3 ℃(1969年2月6日)。两地最冷月均为1月，最热月均为7月，南通市1月平均气温3.0 ℃，7月平均气温27.5 ℃。张家港市1月平均气温2.9 ℃，7月平均气温27.7 ℃。

1.2 设计风速

根据江苏省气象科学研究所完成的专题研究报告，按百年一遇，距地面10 m高、10 min平均最大风速V10=38.20 m/s作为设计基本风速。

1.3 桥渡水文

桥址区处于长江河口段，为感潮河段，受径流和潮流双向水流作用。天生港站距离拟建沪通铁路桥约3 km，有较长系列的实测潮位。根据实测资料、数模计算、定床物模试验，求出天生港站高低潮位与桥址断面高低潮位相关方程，利用天生港站不同频率潮位，计算桥址断面不同频率高低潮位，指导结构设计。

1.4 冲刷

冲刷计算采用实测资料推算的设计单宽流量，结合水工试验成果，按TBJ 17-86《铁路桥渡勘测设计规范》进行计算，得出3号墩最大冲刷局部22 m，4号墩最大局部冲刷27 m。

1.5 工程地质

桥址位于长江三角洲平原区，海陆交互频繁，地层成因复杂，区内第四系为一套河湖、滨海相松散沉积物，总厚度可达240 m(其厚度受基岩面标高变化及长江侵蚀深度控制)。第四系土层的形成和结构与长江三角洲的发育、江海变迁、气候、植被等自然变化有着密切的联系，具有层序复杂、相变剧烈、厚度较大的特点。覆盖层多为松散～中密粉细砂、粉质黏土，力学强度低，工程地质性能差，不能做基础持力层。覆盖层中下部的密实状粉细砂、中粗砂、砾砂、硬塑～坚硬状粉质黏土，工程性能较好，可作为基础持力层。

1.6 地震

主跨336 m拱桥的抗震设防标准取一般冲刷线位置处的地震动参数。多遇地震水平地震动峰值加速度为0.075 g，设计地震水平地震动峰值加速度为0.13 g。

1.7 船撞力

根据研究结果，本桥通航孔桥墩设置防撞装置，其它桥墩依靠桥墩结构自身防撞，3号、4号桥墩船撞力如表1所示。

表1 专用航道桥船撞力表

2 主墩基础形式比选分析

专用航道桥(140+336+140)m连续钢桁梁由于主墩(3、4号墩)船撞力及地震力较大，船撞力组合下横桥向最大弯矩 950 840 kN·m，地震力组合下横桥向最大弯矩 1 766 150 kN·m，在满足结构受力及刚度要求的前提下，对沉井基础、钻孔桩基础进行综合比选分析。沉井基础设计如图2所示，钻孔桩基础设计如图3所示。

图2 专用航道桥沉井基础示意图(cm)

图3 专用航道桥 3号、4号主墩钻孔桩基础示意图(cm)

2.1 沉井基础方案

3号、4号主墩沉井基础平面尺寸为39.2 m×25.2 m，沉井顶标高-5.0(-12.0) m。沉井外井壁厚1.6 m，隔墙厚度1.2 m，沉井平面布置6个11.2 m×10.4 m井孔。按冲刷深度及结构受力计算，沉井高78 m，沉井底封底混凝土厚9 m，沉井顶承台厚5 m。依据施工期间冲刷深度，沉井底部设置钢沉井，钢沉井高35 m，其余部分为混凝土沉井[1-2]。

2.2 桩基础方案

3号、4号墩采用36φ2.5 m钻孔桩基础，按摩擦桩、行列式布置设计，桩长115～120 m，桩底持力层为粉质粘土。承台为矩形，平面尺寸55 m×25 m×6.5 m(横桥向×纵桥向×承台厚)。

2.3 主墩基础方案综合比选

桩基础为柔性基础，能适应各种不同的地质条件，施工工艺也较为成熟，工期适中，承台围堰封底、施工质量控制等技术均较为成熟[3]。本设计桩径较大，比较适合采用钻孔桩基础施工[1]。

矩形沉井基础为整体刚性基础，整体性和稳定性较好，基础变形小[4]。与钻孔桩基础相比,承受船撞和地震等巨大水平力作用时结构受力较好，但造价偏高，且施工工期较钻孔桩长[5]。两种方案综合对比如表2所示。

表2 专用航道桥钻孔桩基础和沉井基础综合对比表

由以上分析可以看出，受水深条件的影响，如果采用沉井基础，沉井的浮运、运输等均有困难，施工难度较大。故该主桥基础推荐采用钻孔桩基础。

3 结构设计

3.1 墩身设计

墩身设计高度根据设计高程及承台顶标高确定，墩身采用C40混凝土，3号墩设计墩高41.8 m，4号墩设计墩高50.7 m。为减少墩身设计工程量，墩身采用墩顶设置墩帽的单箱三室的空心墩结构，墩帽顶平面尺寸42 m×9 m×1.5 m(横桥向×纵桥向×厚度)；墩帽底尺寸37 m×8 m(横桥向×纵桥向)，墩身纵向外轮廓采用40∶1坡度放坡至墩底，空心墩纵向内壁采用60∶1放坡至墩底[6]，墩身纵向壁厚随墩身外壁放坡而逐渐增大，标高+10 m到承台顶设置防撞填芯混凝土。

3.2 桩基承台设计

专用航道桥3号、4号主墩均采用36φ2.5 m钻孔桩基础，按摩擦桩、行列式布置设计，3号墩设计桩长120 m，4号墩设计桩长115 m。桩顶设δ=20 mmφ2.8 m钢护筒，桩身采用C40混凝土，桩底持力层为粉质粘土。承台为矩形，采用C45混凝土，平面尺寸55 m×25 m×6.5 m(横桥向×纵桥向×承台厚)。

3.3 主要施工方法

3号、4号主墩承台采用双壁钢套箱围堰方案施工。施工时先插打钢护筒，建立施工平台，钻孔，灌注混凝土。围堰在工厂分块制造，码头下河，通过浮吊吊装至拼装平台。钻孔桩施工结束后，经桩基检测合格，开始钢围堰的拼装。然后下放围堰至设计标高，定位固定，浇筑封底混凝土。待封底混凝土达到设计强度后，抽水形成无水环境，再进行承台、墩身结构施工。墩身采用整体钢模板现场浇注翻模法施工。

4 结论

本文通过对沪通长江大桥专用航道桥基础方案进行分析，根据主墩基础建设条件、结构受力特性、经济性能、施工便捷性等，对钻孔桩基础方案和沉井基础进行了方案比选，最终推荐采用桩基础方案，可为今后类似建设条件的桥梁结构可以提供参考。