摘 要：四川江安二桥项目位于长江上游宜宾—泸州河段，主桥设计采用三塔两跨叠合梁斜拉桥结构形式，其中主桥4#主塔设于河道中部，考虑珍稀鱼类回流及河道环保等问题，将主塔基础承台全部设于卵石河床底部的中风化基岩内。本文通过对桥位处水文地质资料的分析和研究，以主桥4#主塔承台工程施工设计为核心，重点从围堰选型和结构设计两个方面开展技术论证和分析研究，为今后类似水文地质工况条件下的围堰施工设计提供经验借鉴。
关键词：河床基岩;深埋承台;围堰选型;结构设计;
随着经济建设的发展，工程结构设计与施工建设对于环境保护日趋重视，在四川江安项目主桥基础结构设计中，考虑到鱼类回流、河床冲刷以及船舶通行的因素，为降低桥梁主体结构对水下环境的干扰和危害，将主塔基础承台全部设于卵石层河床底部的中风化基岩内，如何既安全可靠的完成河床内深埋承台的施工，同时又能经济高效的开展围堰结构设计和施工组织，就成了施工组织设计的核心点和施工组织管控的关键点。依托本工程项目，结合桥位实际水文地质条件选取最安全可靠、工艺可行的围堰结构，对不同类型围堰结构设计和安全性进行分析比选，通过科学的理论计算。最终形成一套完整的围堰施工设计图，指导围堰结构加工制造和现场施工组织，为全面实现围堰结构及承台基础施工安全高效打下坚实基础。
(1)项目总体
四川江安二桥项目主桥设计采用三塔双索面叠合梁斜拉桥结构形式，跨径组成45+120+2×400+120+45=1130m。主桥桥面设计宽度32m，整体式断面布置，双向六车道规划设计。
图1 主桥桥型布置图/m 下载原图
(2)主塔工程
主桥共3座主塔，分别为北岸3#主塔(陆地上)、江中4#主塔(河道中部)和南岸5#主塔(边坡坡脚)。主塔均采用群桩基础+整体式承台结构设计，其中4#主塔位于长江河道中，单个主塔承台下设24根桩径2.8m的钻孔灌注桩，设计桩长35m。主塔承台采用横桥向外侧圆弧型的矩形整体结构，尺寸38×23×7.5m(顺×横×高)。
图2 主墩承台及地质条件示意图/cm 下载原图
(3)地质条件
根据地质勘查报告，结合桥位现场实际情况，主桥4#主塔承台设计位于卵石河床底部的中风化粉砂质泥岩内，承台顶设计标高为+233.0m，承台设计高度7.5m，底标高+255.5m，现场实测河床顶标高+242.5m，桥位处河床卵石层厚度在8～10m，即承台全部埋设于中风化泥岩岩层内。
(1)承台施工期跨越洪水期，主塔下塔柱有4～5节位于10年一遇洪水位线以下，施工安全风险大，组织难度大;
(2)承台埋置深度大，河床以下达17m，河床以上考虑丰水期高水位因素，围堰内深度纵深超过25m，围堰堰体将承受较大的水头压差及水土压力，结构受力大，安全性要求高;
(3)桥位处地下水包括上层滞水、松散岩类孔隙水和基岩裂隙水三类，江水与沿岸冲积层之间地下水存在互补关系，水位动态随季节性变化，水量丰富，地下水对围堰的止水要求高。
对于基岩深埋承台施工组织设计而言，丰水期河床以上存在着较高水位，河床以下承台整体又埋置于基岩内，在水中河床以下需进行深基坑开挖作业，这对围堰结构设计和施工组织都是重难点，基岩深埋承台具有以下施工特点。
(1)承台深埋于河床底部的基岩内，承台施工需在水下河床内进行基坑开挖，承台平面尺寸大，高度大，水下河床深基坑开挖工程量大;
(2)受水位影响，河床以上部分存在着较大的水位高差，围堰需抵抗较大的水压力荷载效应;
(3)对于围堰的结构设计，不仅要考虑河床以上部分的水压力作用，同时还需综合考虑河床以下基坑开挖部分的河床侧压力，围堰整体对于强度和刚度的要求均较高;
(4)对于河床深埋承台设计，围堰底口的标高设置以及如何将围堰安设至河床底部较深位置，对于围堰结构现场施工组织设计和工艺方案选择而言，是一个施工难点，同时也是围堰结构在施工过程中的安全、质量管控重点。
目前，国内桥梁工程施工领域对于河床深埋承台的围堰结构施工设计，虽有类似工程可作为参考借鉴，但多以相对较浅的河床埋置深度和相对较为有利的地质条件为多。对于砂类土、黏性土、卵石土等桥位地质条件而言，采用钢板桩或锁口钢管桩结构能够满足施工组织设计要求，但对于埋置较深，且承台全部埋置于岩层内的承台施工设计，在围堰结构设计方面可参考的工程案例和类似工程相对较少。
通过对主桥4#主塔基础工程施工工况和水文地质条件的分析，结合承台基坑开挖情况，在围堰设计深度方面分别对“深围堰”和“浅围堰”进行了施工分析，从承台总体施工组织方面分别对“度汛方案”和“非度汛方案”进行了施工论证，在围堰结构形式的选择方面，分别对土工围堰、钢围堰、锁口钢管桩围堰和钢板桩围堰进行了结构设计研究，从结构受力考虑，采用深围堰安全性能优于浅围堰方案，深围堰平面尺寸比浅围堰小，结构受力明确，安全性高于浅围堰方案。从施工工序考虑，深围堰方案不需要施作注浆帷幕和隔水墙等临时设施，可以规避裸岩基坑开挖过程中出现的岩面涌水、岩溶等安全风险，综合考虑围堰结构及施工期作业安全等因素，拟采用深围堰设计方案。对比不同类型的围堰结构，从施工工艺可行性和结构安全性方面考虑，锁口钢管桩刚度大，变形小，结构整体安全性和稳定性更高，最终决定采用锁口钢管桩围堰结构形式。
(1)必须确保围堰结构的整体安全性，充分考虑桥位水文地质等现场实际工况，尤其是丰水期高水位、高流速条件下，确保围堰自身结构在各施工工况条件下的整体强度、刚度和稳定性;
(2)对于深水区基岩深埋承台的围堰结构设计，应充分考虑围堰的施工工艺和现场技术组织问题，必须确保围堰结构的施工可行性，全力保证围堰工程的施工安全和质量;
(3)在围堰结构平面设计中，必须确保围堰与承台间有足够的空间保障，一般应按不小于1.2m，确保承台模板的安设及作业人员施工操作;同时在围堰内支撑结构设计中，应确保承台、塔座以及主塔塔柱的施工作业空间保障;
(4)在围堰结构设计过程中，对围堰结构、围檩及内支撑系统应进行科学严谨的优化，在确保围堰结构安全的情况下，通过科学系统的分析计算，达到结构简单轻巧，施工方便高效的目的，提高围堰施工经济性。
针对对项目主墩承台施工组织设计的全面分析，主桥4#墩围堰总体设计主要包括围堰顶标高设置、围堰平面规划及围堰内支撑设计。
(1)围堰顶标高设置
在围堰结构设计中，顶高程设置是一个关键参数。通过对桥位处近10年水文资料的分析，上游向家坝水电站自2015年全面运行后，整个河段洪峰流量得到明显调控，采用图纸设计的10年一遇洪水水位明显偏高，对围堰结构受力和施工经济性均较为不利。因此，项目通过对桥位上游合江门水文站和桥位下游合江县自2015年以来实测水文资料的统计和分析，对本项目桥位处水位进行推算，得出2015～2018年桥位处每月平均水位和最高水位值。通过推算分析，近4年内，每年6月下旬至9月下旬为高水位丰水期，最高水位均出现在7、8月份，其中2018年最高水位为249.5m，同时结合2019年桥位实测洪峰过境情况，在过境的3次较大洪峰中，最高水位为+249.0m。对于锁口钢管桩围堰顶标高设置，一般按施工期的最高水位加0.5m进行设计，从历年水位推算资料并结合桥位实测数据来分析，过去5年桥位处洪峰最高水位推算值为+249.5m。
结合工程施工进度情况，主桥4#墩承台塔座工程预计完成时间为2020年6月初，4#主塔塔柱起始标高+236.8m，塔柱单节浇筑高度按6m考虑，施工3个塔柱节段后施工作业面高程才能达到+254.8m。结合塔柱施工工效，2020年6月底前无法保证塔柱施工至洪峰最高水位以上，因此，对于主桥4#墩锁口钢管桩围堰的顶标高设置，按过去5年洪峰最高水位+0.5m考虑，故围堰顶高程设计为+250.0m。在实际施工生产时，若出现高于+250m特殊水位的情况下围堰内灌水保持内外水位平衡确保围堰结构安全。
(2)围堰平面规划
在围堰平面规划中，结合锁口钢管桩材料规格进行平面设计。单个锁口钢管桩由钢管和连接锁口组成，其中钢管桩之间的连接锁口采用C-T型。锁口钢管桩钢管采用Φ720×10mm规格，其中4#墩承台围堰单根锁口钢管桩设计长30m,C型锁口采用Φ180×10mm规格钢管(设20mm开口)，T型锁口采用工18钢，C-T锁口均与钢管采用焊接方式进行连接，在承台底标高以下区段钢管桩不设置锁口。
主桥4#墩围堰平面设计尺寸42.57×27.72m(横×纵)，其中横桥向共44根锁口钢管桩，纵桥向29根，由138根标准锁口钢管桩和4个拐角桩组成，围堰内承台横向外净距1.9m，纵向外净距2.0m，充分考虑围檩水平约70cm的宽度，能够充分满足施工作业需求。
(3)围堰内支撑设计
围堰设计顶标高+250.0m，考虑到围堰锁口钢管桩底口锚固以及底部止水效应，围堰底标高设计+220.0m，较承台低5.5m。围堰内沿竖向共设5道内支撑，在平面支撑设计中，在四个拐角处各设3道斜撑，在中部设3道对撑，以满足塔柱施工平面空间需求。
图3 主墩承台围堰施工设计图 下载原图
针对围堰结构计算，结合现场实际水文地质条件，通过对围堰工程自合龙后开挖至主体工程施工至河床以上位置的全过程分析，将施工作业工况划分为八个工况，其中前七个工况为施工过程工况，工况八为围堰最不利条件下的洪水工况。
围堰结构设计采用Midas有限元计算软件进行模拟计算分析，按实体围堰尺寸进行结构建模，充分考虑结构自重、井水压力、土压力、流水压力以及风荷载等作用效应，分别对八个施工工况进行计算分析，通过对围堰锁口钢管桩和内支撑系统的验算，得到以下结论:
(1)主桥4墩围堰钢管桩强度、刚度及整体稳定性满足规范要求;
(2)围堰内侧土反力在各工况作用下的标准值均小于围堰内侧土层被动土压力标准值，满足规范要求;
(3)钢管桩各工况强度均满足规范要求;
(4)内支撑及围檩在所有工况作用下的强度均满足规范要求;
(5)围堰整体屈曲稳定性验算满足规范要求。
图4 围堰结构计算受力分析图示 下载原图
项目于2019年9月全面开始围堰现场施工，2019年12月实现围堰主体合龙，目前围堰已开挖至临近基底，围堰各道内支撑及监控系统全部安设完成。围堰在施工过程中结构安全稳定、施工工艺成熟可靠，在开挖过程应力及位移监测良好。通过对围堰结构选型和设计的分析研究，在以围堰结构和施工生产安全为前提，结合桥位现场实际水位地质条件，紧密联系施工进度，全面落实围堰结构选型安全、工艺可行、作业高效，为全面实现项目关键节点目标打下坚定的基础，同时也为后续类似桥梁基础工程施工提供宝贵的经验和施工借鉴。
[1] JTG D50-2007，公路桥涵地基与基础设计规范．
[2] JTG/T F50-2011，公路桥涵施工技术规范．
[3] 苑广德．锁口钢管桩围堰施工工艺．科技信息，2011,(1)．
[4] 李永旗．浅谈锁口钢管桩围堰施工技术．科技论坛，2013年，(8)．
[5] 周水兴．路桥施工计算手册．北京:人民交通出版社，2001.
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