【摘要】武漢白沙洲長江大橋是一座跨越分汊河流的橋梁，橋址處地質(zhì)條件較差，水文條件復(fù)雜，且航運(yùn)繁忙。本文著重介紹了橋式方案布設(shè)對防洪、通航的考慮，主橋斜拉橋的設(shè)計構(gòu)思及對大型深水主域基礎(chǔ)的比選。
【關(guān)鍵詞】武漢白沙洲長江大橋
技術(shù)特點 設(shè)計構(gòu)思
一、建設(shè)背景及主要建設(shè)條件
1．建設(shè)背景
武漢白沙洲大橋橋位是武漢市總體交通規(guī)劃預(yù)留的中環(huán)線上跨越長江的橋位，位于武漢長江大橋上游約8.6km的白沙洲中部偏上游處，橋址河段水文條件復(fù)雜、航運(yùn)繁忙、地質(zhì)條件較差，橋梁建設(shè)難度較大。武漢市過江交通雖有一橋、二橋維系，但是，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，過江交通仍然十分緊張，修建武漢白沙洲大橋非常緊迫。因此，大橋的修建必須處理好過江交通與航運(yùn)、堤防的關(guān)系，解決好橋址處特殊水文、地質(zhì)條件所形成的技術(shù)問題，選擇合適的橋式方案，為早日建成大橋創(chuàng)造條件。
2．橋址自然條件
（1）河道及水文
武漢白沙洲大橋位于武漢市的白沙洲河段上，從白沙洲中部偏上游處跨越長江。本河段中白沙洲、潛洲、荒五里邊灘和漢陽也灘，自本世紀(jì)初形成至今，平面位置都處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，河床近期平面變化主要表現(xiàn)在年際年內(nèi)洲灘的消長，深槽隨來水來沙條件上提下移。
深泓縱剖面年際間變化特點是沖淤交替。橋址附近河段處于相對穩(wěn)定時期。
武漢河段的整治工程可行性研究已進(jìn)行多年，其具體內(nèi)容是封堵白沙洲南汊，以漢陽岸江堤為準(zhǔn)，控制河寬在1200～1300m。從有關(guān)模型試驗資料看，整治后水流流速普遍增大，河床發(fā)生沖刷下切，河床高程普遍降低，其中以深槽下切為主，荒五里邊灘及漢陽邊灘也相應(yīng)收縮，對航運(yùn)極為有利。
（2）航運(yùn)
本橋橋址位于武漢至宜昌航段，高水位時能通行3000t輪船，低水位對能通行l(wèi)000t輪船。本橋通航凈高按內(nèi)河航道標(biāo)準(zhǔn)I（2）級考慮。橋址處僅北汊是通航河道，通過高、中、低水位實船航跡線測量和歷年航道調(diào)查，橋址處航道覆蓋寬約800m。橋址河段航道特點是高、中水位條件下航道順直，在枯水期，由于漢陽荒五里邊灘的沖淤年際變化較大，加之水位下落泥沙落淤所形成的河心灘埂，可行航道彎曲，可通航范圍較窄。橋址河段枯水期水道深泓隨每年來水來沙條件不同而左右變化。
（3）工程地質(zhì)
橋址處基巖為白堊～第三系陸相碎屑巖，巖面較平坦，埋深約20～45m，巖面高程-24．5～-15．6m，巖性、巖相變化較大，固結(jié)成巖程度不一，軟硬不均。按巖性及成分可分為砂質(zhì)泥巖、含礫砂質(zhì)泥巖、砂巖、疏松砂巖等六類，其單軸極限強(qiáng)度在0．5～5MPa之間。主河槽中覆蓋層的表層以粉細(xì)沙為主，厚8～23m，其下由硬塑半干硬粘性土及圓礫上組成，厚9～18m。
3．主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
（1）荷載等級
汽車--超20級設(shè)計；
掛車--120級檢算。
（2）設(shè)計車速80km/h。
（3）橋面寬度
橋面設(shè)六條機(jī)動車道，車行道寬22m，中央分隔帶寬1.5m，路
緣帶寬度共lm，兩側(cè)各設(shè)寬0．75m檢修道，檢修道與機(jī)動車道間
設(shè)置0．25m的防護(hù)欄。橋面凈寬26.5m。
（4）設(shè)計基本風(fēng)速
V10＝25．8m／s．
（5）地震按6度設(shè)計．
二、橋式總體布置
1．橋式布置的原則
橋址處河道由南汊、白沙洲、北汊和漢陽邊灘組成，兩岸大堤間距約2.4km，北汊為主河槽，寬約1200m，通航航道全年均在北汊內(nèi)，北汊汛期行洪分流比占全河道的85％左右，白沙洲及南汊分流比僅占15％左右，漢陽邊灘汛期有水，水深較淺，過洪分流比極小。主河槽重點要解決好通航問題，特別是枯水期的航道問題，還要考慮到航道可能出現(xiàn)的變化；白沙洲及南汊主要應(yīng)能滿足汛期行洪需要，并要求不致對河勢變化產(chǎn)生不良影響。因此，在橋式總體布置構(gòu)思中應(yīng)盡量減小對河勢的不利影響，或通過方案的選配使建橋?qū)觿莸挠绊戁呄蛴欣灰畲笙薅鹊馗纳坪竭\(yùn)條件，滿足通航要求；要有利于加快工程進(jìn)度，降低造價，為大橋早日建成創(chuàng)造前提條件。正橋橋式布置見圖1。
2．主河槽橋式布置
主河槽橋式布置經(jīng)多方案的論證比選，以采用大跨雙塔鋼箱梁斜拉橋方案為宜，從通航要求考慮，北塔墩置于上、下行航道分界航標(biāo)處，北邊跨覆蓋中高水位上行航道，下行從主跨通過；南塔墩置于現(xiàn)行航道一般年份枯水期航跡線以外，既不改變又覆蓋了習(xí)慣性航道，由此，兩塔間主跨當(dāng)在600m左右。與北邊跨對稱設(shè)置的南邊跨作為備用通航孔，以備特殊年份橋址河段水位很低、水道深泓又偏向白沙洲側(cè)時啟用。根據(jù)以上分析，經(jīng)河工模型試驗驗證及通航尺度論證，結(jié)合斜拉橋結(jié)構(gòu)的特點，確定采用主跨
618m雙塔斜拉橋方案。這一方案較好地解決了通航問題。
3．白沙洲及南汊橋式布置
白沙洲及南汊的橋式選擇主要從水文角度出發(fā)，考慮其對河勢變化及防洪等影響，以期經(jīng)濟(jì)合理地解決技術(shù)問題。單純從過洪分流考慮，應(yīng)以大跨為宜，受河道整治規(guī)劃研究的啟發(fā)，提供試驗研究時，增加了小跨布置方案，河勢演變分析和動、定床河工模型試驗表明，主河槽采用大路斜拉橋，白沙洲及南汊按小跨度布置后，可促使?jié)撝抻覀?cè)淤積將有利于實施武
漢河段第三期整治工程（該整治工程是封堵南汊最終形成單一河道）。不僅改善防洪條件，同時由于主槽下切，邊灘收縮，對枯水期航運(yùn)極為有利。經(jīng)多方案比選，按采用小跨方案的原則，綜合考慮施工、工期、經(jīng)濟(jì)等條件確定采用跨度50m的簡支T梁方案。
4．北岸漢陽邊攤橋式布置
漢陽邊灘地勢較高，僅洪水期淹沒，且過水分流比極小，按經(jīng)濟(jì)合理的原則，選用跨度40m的簡支T梁方案。
三、主跨618m斜拉橋的設(shè)計構(gòu)思
1．結(jié)構(gòu)布置
在滿足功能要求的前題下，結(jié)構(gòu)布置處理關(guān)系到造價、工期及工程實施難易等問題，必須結(jié)合斜拉橋的力學(xué)特點、自然條件及施工工藝、設(shè)備條件等因素綜合考慮。
武漢地區(qū)抗風(fēng)抗震問題并不突出，斜拉橋的設(shè)計主要應(yīng)處理好靜力問題，本橋采用雙塔雙索面鋼、混凝土箱梁組合型斜拉橋，跨度布置為對50+180+618+50（m）5跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，主梁全長1078m，兩端各有87m梁段采用混凝土箱梁，其余904m均為鋼箱梁，見圖2。兩塔墩處對稱設(shè)有縱向彈性約束。梁上索距為12m，4.5m。主塔采用鉆石形結(jié)構(gòu)，自塔座以上全高174．45m，共設(shè)兩道橫梁，塔柱及橫梁均采用空心矩形斷面，塔柱縱向尺寸：下橫梁以上
6.5m，下橫梁以下由6.5m過渡到7m，見圖3。主梁高3m，全寬30.1m，見圖4。
2．結(jié)構(gòu)特點
（
l）斜拉橋邊跨跨度比為（180＋50）/618=0.372，主梁每側(cè)包括50m邊跨及向180m跨延伸37m共87m長區(qū)段采用混凝土箱梁，該段錨有13對斜拉索（共24對邊索）。這種梁、墩及斜拉索的布置極大地提高斜拉橋邊路的錨固剛度，充分利用尾索效應(yīng)改善了斜拉橋結(jié)構(gòu)受力狀況，特別是改善了主塔及其基礎(chǔ)的受力狀況，從而減小材料用量，降低工程造價。
（2）本橋址處地基承載力較差，深水基礎(chǔ)修建費(fèi)用很高，在工程造價上所占比例高，因此主梁采用輕型鋼箱梁可以大幅減小基礎(chǔ)反力，從而減小主塔墩基礎(chǔ)規(guī)模。不僅降低工程造價，而且可縮短工期。
（3）主梁采用鋼箱梁，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長12m拼裝工作量大為減小，工程進(jìn)度大大加快，為大橋盡早建成通車奠定基礎(chǔ)。邊跨87m段采用混凝土箱梁，可解決邊墩及輔助墩負(fù)反力問題。利用混凝土箱梁較鋼箱梁剛度大的特點，加強(qiáng)錨跨鋼度。由于邊跨一定范圍河床面較高且隨年度變化，若采用鋼箱梁吊裝如正值枯水期則難以實施。87m梁段便于采用掛籃對稱懸澆施工。另一方面，由于180m為通航孔，l號、4號墩設(shè)計受船拉力控制，該梁段采用混凝土箱梁不會增加1號、4號兩輔助墩墩身及其基礎(chǔ)的造價，而混凝土梁本身費(fèi)用要低于鋼箱梁。
（4）鋼箱梁與混凝土箱梁的分界點布置在距輔助墩37m（距梁端87m）的位置，回避了輔助墩處彎矩及剪力峰值，成橋后該接頭位置受力呈現(xiàn)軸力大、彎矩及剪力較小的狀況，接頭受力非常有利。結(jié)合段設(shè)有特制鋼箱節(jié)段，其一端設(shè)有剪力鍵與混凝土梁結(jié)合，另一端與180m合龍段鋼箱梁相匹配，結(jié)合段還均勻分散設(shè)置了預(yù)應(yīng)力束（筋）以確保結(jié)合可靠。斜拉橋180m邊跨合龍在兩懸臂狀態(tài)進(jìn)行，實踐證明合龍順利，并無特別的難點。
（5）斜拉橋雙伸臂懸拼施工至 2 *
137.5m即可邊跨合龍，無需采用臨時抗風(fēng)措施。
（6）鋼箱梁與混凝土箱梁接合點位置居于一跨之間，主梁豎向剛度變化較為勻順，有利于改善行車條件。
四、主塔墩基礎(chǔ)比選
主塔基礎(chǔ)規(guī)模大、施工環(huán)節(jié)多、工藝設(shè)備復(fù)雜、建設(shè)費(fèi)用高，橋址位處長江中游，水位變化大、流速大、沖刷嚴(yán)重，在地基承載力很低、地質(zhì)條件較差的條件下，選擇合適的基礎(chǔ)形式，縮小基礎(chǔ)規(guī)模，控制投資，保證方案順利實施極為重要。
本橋兩個主塔墩基礎(chǔ)均位于主河槽，施工水深18～22m，河床覆蓋層上部主要為松散、飽和狀粉細(xì)中砂層，厚7～11m；中部為硬塑-半干硬狀粘性土，厚約9m；下部為中密飽和狀圓礫土，厚約4m。下伏基巖主要由砂質(zhì)泥巖組成，巖石極限抗壓強(qiáng)度Ra=0．5～2．5MPa。本橋主塔基礎(chǔ)主要以沉井基礎(chǔ)與樁基兩大類型進(jìn)行比較研究。
沉井基礎(chǔ)因河床沖刷較深，基底必須埋置較深，尤其必須穿過厚約9m的粘土層，施工難度太大，工期無法保證，故予以放棄。
采用鉆孔樁方案，因基巖承載力極低，只能按摩擦樁設(shè)計，故重點對兩種不同的防水圍堰類型進(jìn)行綜合比選。
雙壁剛圍堰適應(yīng)性較好，安全可靠，技術(shù)成熟。但由于地質(zhì)不良，所需鉆孔樁數(shù)量較多，相應(yīng)圍堰很大，而龐大的圍堰及其封底混凝土重量又需由鉆孔樁承受，加之沖刷較大，圍堰著河床穩(wěn)定要求須嵌入硬塑粘土層，基底不透水，圍堰所受的水頭壓力也要由鉆孔樁承受。故該方案雖然可行，但工程數(shù)量大、造價高。
吊箱圍堰在一般河流、小型基礎(chǔ)以及水位變化不大、流速很小如海灣上應(yīng)用較多，但在長江中下游水深流急、像本橋這樣的大型基礎(chǔ)上采用，尚屬新的嘗試，必須深入研究結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及工藝細(xì)節(jié)才能保證方案順利實施。根據(jù)水文、地質(zhì)條件，經(jīng)過不斷地研究深化，設(shè)計采用了高樁承臺自浮式吊箱圍堰鉆孔樁基礎(chǔ)方案。施工時先插打定位樁及鋼護(hù)筒，連接并拼裝鉆孔平臺；先完成6～8根鉆孔樁確保安全渡洪，并繼續(xù)完成全部鉆孔樁施工，拆除鉆機(jī)平臺；分段安裝下沉吊箱圍堰，圍堰吊點以鉆孔樁為支承，整個圍堰能自浮于水中，從而避免大型起吊設(shè)備；圍堰以鉆孔樁鋼護(hù)筒為導(dǎo)向，定位準(zhǔn)確、容易，工序簡單，施工快捷。因基礎(chǔ)承臺較高，封底混凝土厚度僅2m，圍堰鋼料用量也大量減小，基礎(chǔ)自身荷載大幅降低，同時亦消除了水頭壓力等附加荷載，縮小了基礎(chǔ)規(guī)模。主塔墩基礎(chǔ)采用40根φ1.55m鉆孔樁，承臺尺寸20.4m
* 32.4m * 5m。主塔墩基礎(chǔ)見圖5。
五、結(jié)束語
本橋于1997年3月28日舉行開工儀式，同年11月主塔墩基礎(chǔ)完工，1999年9月斜拉橋中跨順利合龍，歷時2年6個月，其間還因1998年、1999年洪水等原因延誤了一些工期。從工程實施情況看，主塔墩基礎(chǔ)、主梁合龍等設(shè)計的一些構(gòu)想得到了順利實施與驗證。
參考文獻(xiàn)
［l］嚴(yán)國敏．現(xiàn)代斜拉橋．西南交通大學(xué)出版社，1996
