深水区域桥梁基础结构形式研究..

深水区域桥梁基础结构形式研究报告人：徐伟2008年12月本报告内容分为五部分深水桥梁基础的特点1高桩承台基础2浮运沉井基础3桥隧结合的“人工岛”4总结51.深水桥梁基础的特点定义：修建于深水环境之中，墩位河（海）床上水深流急、地基软弱的基础特点：•①受力复杂（波浪、水流等水平荷载）•②稳定性和安全度受水文条件控制•③基础选型关系到质量、工期和造价•④施工风险大，技术装备要求高2.深水高桩承台基础河床泥面承台施工水位桩基结构形式：高桩承台基础由承台和群桩组成，承台底面位于河床冲刷线以上，基桩部分桩身沉入土中，部分桩身外露在河床以上深水高桩承台基础插打钢管(斜)桩搭设钻孔施工平台振动下沉钢护筒拆除施工平台首节钢吊箱拼装首节钢吊箱下放接高下沉定位于设计标高混凝土封底干施工承台施工流程图水面钻孔平台钢管桩河床钻孔平台河床钻孔灌注桩河床钢护筒①②③插打钢管桩，搭设钻孔平台振动下沉钢护筒，施工钻孔灌注桩拆除钻孔施工平台④拼装首节钢吊箱首节钢吊箱⑤安装悬吊系统，下放首节钢吊箱悬吊系统⑥接高钢吊箱内撑⑦下放钢吊箱至设计标高，并固定⑧浇筑水下封底混凝土封底混凝土⑨抽水，割除护筒，浇筑承台封底混凝土承台河床河床河床河床河床河床深水高桩承台施工过程示意图苏通长江大桥苏通大桥主墩采用高桩承台基础，基础由131根长约120m、直径2.5m至2.8m的群桩组成，承台长114m，宽48m，是在40m水深以下厚达300m的软土地基上建起来的，是世界上规模最大、入土最深的群桩基础。施工平台是桩基础钻孔施工的作业平台，是施工装备、材料临时堆放的场地，同时也可以作为钢吊箱拼装、下沉的支撑平台，可分为钢管桩平台和钢护筒平台钢平台•钢吊箱是为承台施工提供干作业环境的有底套箱，它即可作为承台施工时的挡水结构，又可作为承台混凝土浇筑用的模板钢吊箱深水高桩承台基础的特点优点：桩基础能够将上部荷载直接传送到深部较好持力层或通过侧面摩阻力传递给桩周土体，从而获得较大的承载能力；桩基入土深度大，承载力高，因而基础沉降比较小，避免了上部桥梁结构过大的内力集中；用材少、造价低，当水深相同时，高桩承台基础的用料比沉井、沉箱基础少一半左右；水上施工设备需求相对较小，施工精度和质量更容易保证缺点：桩基础水平刚度相对较小，在地震、水流及波浪都等水平力作用下，基桩的受力情况较为不利，桩身内力和位移都将大于在同样水平外力作用下沉井基础；在流速大、冲刷深的情况下，桩径必须随冲刷深度的增加而增大，从而加大施工难度；抗震性能差，高桩承台基础上部结构重，下部桩基重量轻、刚度小，在地震作用下非常不利。适用条件•所处位置有一定水深，河床上覆软弱土层或软弱夹层，而其下在适宜深度处有较好持力层时；•河床上覆土层有被水流冲走且冲刷深度较深时；•墩位处水深较深，采用其他基础类型施工难度大时。3.浮运沉井基础深水沉井基础按其施工方法不同分为筑岛下沉和浮运下沉两种形式，其中浮式沉井是目前深水区域修筑沉井基础的主要形式泰州长江公路大桥中塔沉井基础总高76m，断面尺寸58.00m×44.00m，是我国国内规模最大的深水沉井基础，如下图所示1/21--1(1/22--2)1601280120128012012801201280160R800R64016012801206404400R405040/2承台6440/22007600+8.00-70.001/2正立面3800混凝土沉井800桥梁中心线2203000钢沉井20040012100160+6.001456556001601/2侧剖面5800160128012064012封底混凝土①浮运底节钢沉井就位，并抛锚定位钢沉井②接高钢沉井③注水下沉④再次接高钢沉井⑤继续注水下沉直至着床定位⑥现浇混凝土接高沉井⑦吸泥下沉直至设计标高⑧水下浇筑封底混凝土，并抽水封底混凝土⑨构筑内部结构，施工墩台填充物顶板河床底节钢沉井河床河床现浇混凝土沉井沉井基础施工流程吊装接高整体浮运钢沉井岸边临时锚碇Hmax77m21tRmax30m35m21tRmax30m2.7m*2.7mR9m35m钢沉井定位吸泥下沉混凝土沉井接高，并施工墩台沉井基础的优点•沉井基础能穿过各类土层达到较大深度，充分利用地基承载力，承受较大的垂直荷载和水平荷载；•结构刚度大，整体稳定性好，传力可靠，抗震性能优于其他深水基础结构形式；•沉井本身就是基础的组成部分，在下沉的过程中起着挡土和防水的临时围堰作用，不需另设坑壁支撑和板桩围堰，既节约了材料，又简化了施工。•在深水软弱地基上采用沉井基础，尤其当基底以下土层主要是粘性土时，会出现固结时间长，沉降不能较快完成，施工完成后还会有一定的沉降量，从而会引起较大的结构内力；•沉井施工下沉中可能出现摆动或局部冲刷过大、不易精确定位、沉床过程中易产生倾斜等问题。沉井基础的缺点4.桥隧结合的人工岛•桥隧结合可充分发挥桥梁与隧道各自的长处，利用河床的特点，因地制宜在浅水区布置桥梁，在深水区的航道上采用隧道，从而实现了经济性和技术性的完美统一。•在桥隧工程中，桥梁和隧道的过渡是通过天然岛屿或人工筑岛来实现，为了降低工程造价，在满足规划设计的基础上，桥隧过渡点尽可能选择在天然岛屿上，而当水域内无天然岛时，就需要在适当的水域修筑人工岛。福州湾跨海通道桥隧结合的人工岛方案图索塔桥面盾构隧道水位线河床吊箱涵河床沉井人工岛坡路面3%斜拉吊箱涵在修筑人工岛中的应用河床沉管隧道吊箱涵桥面河床索塔3%沉井封底混凝土斜板支撑结构水位线人工岛坡路面3%沉管隧道与桥梁结合的人工岛盾构隧道与桥梁结合的人工岛•斜拉吊箱涵的采用，有效实现了桥隧的顺利结合，即可减少人工岛的工程量，又可加快施工速度，节省工期，具有明显的结构优点；•由上还可看出，采用沉管法和盾构法隧道方案时，盾构法方案人工岛的总长度要明显大于沉管隧道的人工岛长度，因此，为减少人工岛的长度和工程量，在条件允许的情况下，隧道埋置深度应尽可能浅埋。AA沉井圆形人工岛施工水位河床沉管隧道桥面河床桥面河床封底混凝土盾构隧道路面路面封底混凝土①桥梁与沉管隧道结合②桥梁与盾构隧道结合施工水位河床可安排设备、商业公共设施用房A-A剖面图•和同条件的矩形人工岛相比，圆形人工岛的直径仅为矩形人工岛长边距离的四分之一，且圆形人工岛所受到的波浪、水流阻力以及局部冲刷都要远远小于矩形人工岛，对海域环境影响相对较小；•从上图还可以看出，相同直径的圆形人工岛，采用盾构隧道所需深度要远大于沉管隧道，但是不会增加人工岛的直径。5.总结•从发展趋势来看，深水高桩承台基础施工难度小，材料用量少，工程造价低，已成为桥梁深水基础中最为经济的基础形式，特别是世界第一斜拉桥——苏通大桥的建设，使得我国特大型钢吊箱加钻孔灌注桩高桩承台基础建设水平达到了一个新的高度•在软弱覆盖层较薄的前提下，采用深水沉井基础，既可以加快施工进度、减少恶劣环境下的作业时间和作业风险，有可以适应大跨度条件下地基承载力要求高、深水条件下抵抗水平荷载能力强的问题，但在河床软弱层较厚时，须对河床进行地基处理才能采用沉井基础•对于桥隧结合部的人工岛，采用沉管隧道时人工岛的长度要小于盾构法方案的人工岛长度，斜拉吊箱涵的采用，有效实现了桥隧的顺利结合，而圆型人工岛的采用将会给水中桥隧过渡和安排隧道工作井、休息井提供一种经济、有效、可行的结构形式