洛溪大桥拓宽工程斜拉桥主塔基础设计与施工

谢尉鸿，陈 睿，牟 军

（1.四川西南交大土木工程设计有限公司广州分公司，广东 广州 510095;2.四川西南交大土木工程设计有限公司广州分公司，广东 广州 510095；3.广东省长大公路工程有限公司，广东 广州 511431）

1 工程概况

洛溪大桥拓宽工程为广州市南北向主干道广州大道快捷化改造系统工程的关键节点，项目北接广州大道、三滘立交南侧，往南跨越珠江后航道沥滘水道，南接105国道。道路等级为城市主干道，设计车速60 km/h。洛溪大桥旧桥于1984年动工，1988年建成通车，主桥采用65 m+125 m+180 m+110 m预应力混凝土连续刚构，当时为亚洲同类桥梁之冠，享有“洛溪飞虹”的美誉。拓宽工程采用双侧加宽的方式进行拓宽，在既有洛溪大桥东、西两侧各新建一座与旧桥分离的桥梁[1],见图1。

图1 洛溪大桥效果图

新建桥梁主桥采用双塔双索面叠合梁斜拉桥，跨径组成30m+95m+305m+110 m+30 m=570 m，见图2。左、右分幅布置，两侧新桥中心与旧桥中心间距24 m，单幅桥宽为14.5 m，见图3。

图2 斜拉桥立面布置（单位：m）

图3 斜拉桥横断面布置（单位：m）

2 主塔基础结构设计

主塔采用变异钻石型塔，塔墩基础采用群桩基础，承台采用八边形承台，承台横桥向宽19.4 m，顺桥向宽17.4 m，厚4.5 m。每个承台下采用22根变截面钻孔灌注桩，按梅花型布置，桩上段直径为为210 cm（钢护筒外径），长18.5 m；下段直径为180 cm，长度根据每个主墩地质情况确定，11.5～23 m不等，总桩长30～41.5 m，见图4、图5。主塔基础处地层主要有海陆交互沉积层、冲积层、残积层、白垩系下统白鹤洞组猴岗段泥质粉砂岩。桩基持力层为微风化泥质粉砂岩，单轴饱和抗压强度约10 MPa,按嵌岩桩设计。

图4 北侧主塔墩基础（单位：m）

图5 南侧主塔墩基础（单位：m）

为减少新建桥梁基础对河道压缩，降低阻水比，根据防洪论证报告要求，北侧主墩承台埋置进河床覆盖层，采用低桩承台设计。南侧主墩根据航道论证要求，为避免新桥建成后新旧桥桥面较宽形成巷道效应，影响行船安全，要求新旧桥中心距尽量缩小，南岸主墩紧贴旧桥防撞围堰，为避免围堰施工扰动旧桥基础，影响旧桥安全，南侧主墩采用高桩承台设计。

3 变截面钻孔桩发展历程及应用实例

3.1 变截面钻孔桩的发展历程

改革开放以来，随着国民经济发展，我国桥梁工程建设也取得了突飞猛进的发展。为适应不同桥梁结构和不同地质情况要求，早在20世纪80年代我国桥梁建设者就已提出一套完整的变截面桩基技术，并成功的应用在多个大型桥梁工程。表1列举了部分采用变截面钻孔桩作为桥梁基础的工程[2]。

表1 采用变截面钻孔桩工程表

1985年，广东九江大桥国内首次实行桥梁工程项目设计、施工总承包。原设计主墩桩基为24根ø2.5 m钻孔灌注桩，为降低工程造价同时加快施工进度，主墩桩基设计优化为 18 根（ø3m/ø2.5m/ø2 m）变截面桩。修改设计后的18根变截面桩与原设计24根ø2.5 m桩基抗水平力效果基本相等，并且由于桩尖嵌岩段没有弯矩只有垂直支承力，在充分利用桩尖岩石强度情况下，又可将嵌岩段桩径减小到ø2 m，大大降低了工程造价[3]。2003年苏通长江大桥1 088 m 斜拉桥主墩设计中，采用（ø2.8 m/ø2.5 m）变截面桩，更是打开了变截面桩在1 000 m以上超大跨度桥梁上应用的大门。

3.2 近期类似工程与洛溪大桥拓宽工程对比

表2 、表3列举了近年来几座特大桥采用变截面钻孔桩桩径情况及桩身钢筋配置情况。为充分发挥变截面桩上大下小，上抗弯下提供地基承载力的特点，桩身钢筋布置基本采用双层钢筋笼型式，即直径较大的上段桩身采用双层钢筋笼，可大大提高桩基抗弯能力，直径较小的下段桩身采用单层钢筋笼，方便施工。

表2 近期类似工程表

表3 五座特大桥主墩桩身配筋率对比表

4 采用变截面桩的设计意图

4.1 符合桩基受力特点

本项目采用斜拉桥结构，主墩基础在运营计算工况组合下弯矩达389 495 kN·m。桩基受力曲线表明，桩基础靠近地面区域为弯矩较大区段，本项目主墩桩基上段直径为210 cm，长18.5 m，采用双层钢筋笼，主筋直径28 mm，内圈外圈各布置36根，经计算能有效保证主桥基础抗水平推力及桩基抗弯性能，同时提高结构抗震性能。而桩基下段直径为180 cm，此区域弯矩已经极小基本只有垂直支承力作用，经计算足以满足主墩承载力要求[4]。

4.2 改善经济性，节省造价

采用较大的上段桩径，相对小直径等截面桩，可以有效减少抵抗桩顶水平推力桩基根数，从而节省工程造价。

4.3 降低施工难度

为减缓水流对原洛溪大桥旧桥基础的冲刷，旧桥养护时在主墩位置河床顶面采取了抛石防护措施，为方便桩基穿过抛石区，下段桩基采用较小直径，可降低施工难度。

4.4 减少主墩承台规模

本工程根据航道要求，尽量压缩两侧新建桥梁与旧桥之间的间距，新桥承台施工时围堰会与旧桥围堰发生冲突，需对旧桥围堰进行局部改造。采用变截面桩，主墩基础桩间距按下段桩基桩径180 cm控制，可压缩桩间距，有效减少主墩承台规模，不仅节省了工程量，同时减少了旧桥围堰改造工作量。初步设计主墩承台尺寸为19 m×21.2 m，施工图设计时，考虑到上述因素，对主墩承台尺寸进行了优化，主墩承台尺寸调整为17.4 m×19.4 m，承台规模大幅缩小，节省承台工程量16%。

5 主塔基础施工方案

5.1 变截面桩施工

根据本工程的地层情况、桩径及钻孔深度，选择技术性能先进、扭矩大、提升能力强的旋挖钻机[5]进行桩基施工。旋挖钻机施工原理是利用可以伸缩的旋式钻杆在钻具重量、油缸压力及动力头扭矩的共同作用下，将地下土、岩屑装入钻头（筒），再用卷扬机提升取土（岩）成孔。钻机自动定位，垂直旋孔，具有装机功率大、机动灵活、施工效率高等特点，配合不同钻具，可适用于不同孔径及地质条件的成孔作业，特别适合本项目变截面桩施工，上段桩和下段桩通过选择不同规格钻具实现桩基截面大小的变化。主塔桩基施工选用徐工集团XR400D旋挖钻机，最大钻孔深度110 m，最大钻孔直径3.0 m，最大输出扭矩400 kN·m，整机工作状态重约132 t。本项目实际施工约48 h即可完成一根桩基成孔作业，大大加快了施工进度。

5.2 北侧主塔承台施工

北侧主墩承台顶面设计标高-2.7 m（广州城建高程），底面设计标高-7.2 m；封底混凝土厚2.5 m，封底底面标高-9.7 m。承台施工期间施工高水位+6.80 m，施工低水位+3.69 m，最大水头差达14.0 m，水头差大、施工风险高，经比选采用安全性好的双壁钢围堰进行施工。

双壁钢围堰平面采用八边型，总高度18.5 m，高度方向分3节制作，从下往上节段高度依次为7.5 m+6.0 m+5.0 m。壁体宽度1.5 m，围堰设置两层内撑系统。双壁钢围堰施工照片见图6。

图6 北侧主墩双壁钢围堰施工照片

双壁钢围堰[6]在工厂加工制作、拼装，验收合格后船运至施工现场。平潮水位时采用“粤东莞工0198”800T起重船吊装下放至清除后的泥岩上，平稳后焊接定位牛腿固定。为保证抽水后高水位工况下围堰和封底混凝土的抗浮能力，且增加最下一节围堰的侧向刚度，围堰内外侧壁之间灌注C20填芯混凝土。承台封底混凝土厚度2.5 m，分两次浇筑完成，第一次浇筑2.2 m水下封底混凝土，养生等强后抽水，浇筑第二层0.3 m混凝土找平层。主墩承台混凝土厚度4.5 m，分两次浇筑成型，浇筑高度2.0 m+2.5 m。

5.3 南侧主塔承台施工

南侧主墩承台顶面设计标高+5.3 m,底面设计标高+0.8 m；封底混凝土厚2.0 m，封底底面标高-1.2 m。承台施工期间最大水头差为8 m，经比选采用经济性较好，施工难度较小的单壁钢套箱进行施工。

套箱采用单壁有底钢套箱[7]，侧模高度为9.5 m。套箱上承重系统采用2I45b工字钢作承重梁，下承重系统采用2I45b工字钢主梁、I45b工字钢次梁和20 cm厚钢筋混凝土底板，整个系统用ø32精轧螺纹钢做吊杆连接，上承重梁支撑在桩基护筒凹槽内。套箱内设置两道内撑圈梁，同时在关键节点处添加竖向支撑杆和水平向点支撑杆。单壁套箱围堰施工照片见图7。

图7 南侧主墩单壁钢套箱施工照片

套箱在工厂加工制作、拼装，验收合格后分块运至施工现场，利用16台液压千斤顶同步下放。套箱下放到位后，进行承台封底施工，封底厚度为2.0 m，分两次施工，第一层封底采用水下混凝土浇筑，厚1.5 m。套箱抽水后进行体系转换工作，然后浇筑第二层封底混凝土，厚0.5 m。之后绑扎承台钢筋，分层进行混凝土浇筑。

6 结 语

洛溪大桥位于广州市中心城区，是连接海珠区与番禺区的重要过江通道，是珠江主航道上的标志性建筑之一。主塔基础因地制宜，结合旧桥基础及地质情况，采用变截面钻孔灌注桩，充分发挥了变截面桩的优点，既保证了桩基础结构受力，又减少了承台规模，降低了新建桥梁基础对旧桥基础的影响，节省了工程造价。北岸、南岸主墩承台分别采用双壁钢围堰、单壁钢套箱进行施工，工艺成熟，施工有保证，目前，本项目主塔基础施工进展顺利，已完成全部桩基施工及一个承台浇筑。洛溪大桥主塔基础设计、施工可为以后同类型桥梁建设提供参考。