怀来官厅水库特大桥主桥沉井基础设计

怀来官厅水库特大桥主桥沉井基础设计

1中国官厅水库跨官厅桥结构怀来官厅水库特大桥是一座大型市政桥梁。位于张家口市怀来县，连接南北两岸新城。道路标准为城市主干道，设计交通速度为60公里。该桥为官厅水库上的第三座桥梁，与既有京包铁路并行跨越官厅水库。官厅水库为北京市一级水源保护区，主桥为720m单跨悬索桥，主缆分跨布置(210+720+210)m,见图1。加劲梁采用免涂装耐候钢-混凝土组合梁，索塔采用混凝土门式索塔，两岸锚碇采用重力式结构，锚碇基础采用混凝土沉井基础2水库总需容、地层桥址区域属于怀来盆地，地势较平坦。年平均气温10.5℃,最冷一月平均气温-6.7℃;极端最高气温40.3℃,极端最低气温-21.7℃。全年平均风速约2.6m/s,最大风速24.0m/s。官厅水库总库容41.6亿m桥址区土层覆盖层较厚，勘测时未见基岩。地层主要包括粉土、细砂、粉质黏土，局部夹层圆砾土、粗砂，以硬塑粉质黏土为主。地震基本烈度为8度，设计地震加速度值为0.203沉井结构改造技术桥址处环保要求高，常年风速大，冬季气温低，抗震设防等级高，官厅水库特大桥主桥一跨跨越水源保护区水面。南北岸锚碇，地面高程分别为475.60,478.20m,沉井均为陆地沉井。国内大型沉井主要位于长江中下游地区，北方黏性土地区沉井建造的最大难题是井壁侧摩阻大，沉井下沉困难。井壁与土体之间的摩阻力，公路规范、铁路规范均给出了参考值，黏性土的侧摩阻25～50kPa,砂土的侧摩阻12～25kPa沉井基础的整体受力特点，属于深埋扩大基础针对锚碇沉井基础受力需要和北方黏性土地区的下沉难题，研究采取了以下技术措施。(1)增加沉井重率，采取空气幕助沉措施，解决了黏性土地区的下沉难题。(2)全高采用钢筋混凝土沉井，刃脚外包钢板，满足下沉要求的同时，提高了经济性。(3)考虑施工过程中的最不利水头差，加强底节隔墙与井壁连接构造，优化顶节隔墙布置，提高了下沉过程沉井底节、顶节的安全性。(4)底节施工采用土模法，降低底节高度，采取夯实表层土代替砂桩加固方案，降低了工程造价。4设计与设计4.1大跨度桥梁沉井结构圆形沉井承受水平土压力的性能好，下沉过程中易于控制。考虑锚体平面为梯形布置，散索点位置主缆横向间距37.8m,采用圆形沉井体量大，且井孔布置不均匀，不利于取土设备布置。矩形沉井抗弯刚度大，结构布置紧凑，井孔布置均匀，便于井孔内取土。国内大跨度桥梁沉井基础主要以钢筋混凝土和钢壳混凝土为主通过综合比选，采取倒圆角的矩形沉井。全高采用钢筋混凝土沉井，井壁刃脚2m高范围外包12mm厚钢板，隔墙刃脚1.5m高范围外包12mm厚钢板，代替传统的钢壳混凝土底节。4.2地层及持力层地表以下30m范围主要为中密粉土、可塑粉质黏土，承载能力低，不宜作为基础持力层。30m以下主要为硬塑粉质黏土、密实粉砂、密实粗砂等。北岸沉井持力层选择密实粗砂，埋深30m左右，层厚8～12m,基本承载力500kPa。南岸沉井持力层选择密实卵石土，埋深31m左右，层厚5～7m,基本承载力600kPa。4.3井壁结构及井壁厚度北岸沉井、南岸沉井顶面高程均为475.3m,北岸沉井高32m,南岸沉井高33m。沉井平面形状为倒圆角的矩形，纵向长50m、横向宽56m,倒圆角半径7.5m,平面分为16个井孔，见图2。井壁厚2.5m,底节向外设置20cm台阶，隔墙厚1.5m,隔墙与隔墙之间的倒角0.6m×0.6m,隔墙与井壁之间的倒角1.5m×1.5m。井壁刃脚高2.8m,踏面宽0.3m。隔墙刃脚高2m,踏面宽0.25m。顶盖板厚6～10m,封底混凝土厚6m。为满足压重需要，沉井下沉就位后，靠近主桥侧8个井孔填土，靠近引桥侧8个井孔填C20混凝土。4.4增设煤壁钢筋为布置型钢锚固系统，靠近引桥侧的盖板一般需加厚，顶盖板高度范围内不设置隔墙，见图3。为增强井壁刚度，顶盖板加高范围内，增设1道隔墙，隔墙水平钢筋伸入井壁勾住井壁外侧的竖向钢筋，见图4。根据国内沉井建造经验，下沉过程中，沉井底节隔墙与井壁交接部位、隔墙间交接部位容易开裂。考虑施工安全，将底节隔墙横向钢筋伸入至相交处的井壁、隔墙刃脚内，钢筋在刃脚钢板对应位置处打孔穿过，并留有锚固长度。4.5悬索桥沉井基础计算沉井计算包括下沉计算、整体基础计算和结构配筋计算。根据全桥计算，每个沉井承受的主缆拉力为3.5×10沉井下沉自重扣除浮力后，应大于下沉时土对井壁的摩阻力。沉井接高、沉井下沉就位时，沉井下沉自重扣除浮力后，应小于井壁摩阻力、刃脚及隔墙正面阻力之和。黏性土地区的陆地沉井，下沉系数控制设计。本桥计算时，可塑粉质黏土、可塑-硬塑粉质黏土的摩阻力取40kPa,最小下沉系数1.3,满足下沉要求。根据工程经验，规范给出的摩阻力参考值偏小，为保证顺利下沉，设置空气幕助沉措施。重率是判断沉井能否顺利下沉的重要指标，重率的意义是沉井下沉阶段自重可以克服的单位摩擦力。不排水下沉，沉井的自重扣除浮力作为沉井的下沉重力，除以沉井井壁的周边面积，即为重率。悬索桥锚碇沉井抵抗主缆拉力，除沉井重力，锚体还设有压重块，压重块是沉井就位后施工的。因此，适当增加沉井自重，可以保证顺利下沉，且不增加工程造价。本桥沉井的重率为69.5kPa。整体基础计算，主要包括基底土的承载力计算、基础抗滑动计算、抗倾覆计算和沉降计算。悬索桥重力式锚碇承受较大的水平力和上拔力，规范要求抗滑动稳定系数、抗倾覆稳定系数不小于2.0结构配筋计算，主要包括刃脚水平抗弯计算、底节沉井竖向抗弯计算、井壁竖向抗拉计算、井壁水平抗弯计算，根据计算结果配置普通钢筋。井壁水平抗弯计算，除考虑土压力，还应考虑施工过程中可能出现的井内外最大水头差，按最不利工况计算。单个井孔的封底混凝土简化为四周简支板验算其强度。4.6防护桩桩底高程设计锚碇位于京包铁路下游约50m,为保证施工期间京包铁路安全，沉井施工之前在沉井外侧设置直径1.5m的防护桩，防护桩顶部设置冠梁，对京包铁路路基进行防护。防护桩距沉井边缘10m,防护桩桩底高程比沉井底高程低10m。采用PLAXIS3D软件计算分析沉井下沉对既有京包铁路的影响，京包铁路最大沉降量2.5mm。5施工方案的研究5.1气蚤和空气幕布置采用干挖取土下沉、不排水吸泥下沉两种方式设置空气幕助沉措施，空气幕布置在沉井外侧，沉井底部6m和顶部6m范围内不布置。气龛按梅花形布置，平均间距1.5m。空气幕开启时，按从上至下逐层开启的原则。5.2土模法支护施工底节施工前，清理地表土，挖填平整。对沉井范围地表土进行换填、夯实，使地基承载力满足底节施工要求。保证地基承载力均匀一致，避免底节施工时不均匀沉降导致的开裂。底节采用土模法施工，根据刃脚位置及形状开挖沟槽，沟槽内布置刃脚钢板，混凝土分层浇筑。和常规的支垫、抽垫工艺相比，采用土模法避免了底节“四点支撑”的不利工况，降低了施工难度，提高了安全性。2016年完成南岸锚碇沉井下沉，2017年完成北岸锚碇沉井下沉，在下沉最后4m时，下沉困难，开启了空气幕，见图5。根据施工监控数据，京包铁路未发生沉降和位移，防护桩效果明显。沉井顶面最大高差8cm,平面扭转角度3′,终沉姿态平稳6设置空气幕助沉措施怀来官厅水库特大桥锚碇沉井基础为北方黏性土地区的大型钢筋混凝土沉井，邻近既有铁路，下沉难度大，施工条件复杂。结合建设条件开展关键技术研究，主要成果如下。(1)采取倒圆角矩形沉井，增加沉井重率，设置空气幕助沉措施，解决了黏性土地区悬索桥锚碇沉井基础的下沉难题。(2)全高采用钢筋混凝土沉井，刃脚外包钢板，优化底节隔墙与井壁、隔