【摘要】武漢白沙洲長江大橋是一座跨越分汊河流的橋梁，橋址處地質條件較差，水文條件復雜，且航運繁忙。本文著重介紹了橋式方案布設對防洪、通航的考慮，主橋斜拉橋的設計構思及對大型深水主域基礎的比選。
【關鍵詞】武漢白沙洲長江大橋 技術特點 設計構思

一、建設背景及主要建設條件
1．建設背景
武漢白沙洲大橋橋位是武漢市總體交通規劃預留的中環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雜、航運繁忙、地質條件較差，橋梁建設難度較大。武漢市過江交通雖有一橋、二橋維系，但是，隨著國民經濟的發展，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、堤防的關系，解決好橋址處特殊水文、地質條件所形成的技術問題，選擇合適的橋式方案，為早日建成大橋創造條件。
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，自本世紀初形成至今，平面位置都處于相對穩定狀態，河床近期平面變化主要表現在年際年內洲灘的消長，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定時期。
武漢河段的整治工程可行性研究已進行多年，其具體內容是封堵白沙洲南汊，以漢陽岸江堤為準，控制河寬在1200～1300m。從有關模型試驗資料看，整治后水流流速普遍增大，河床發生沖刷下切，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收縮，對航運極為有利。
（2）航運
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l000t輪船。本橋通航凈高按內河航道標準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
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，固結成巖程度不一，軟硬不均。按巖性及成分可分為砂質泥巖、含礫砂質泥巖、砂巖、疏松砂巖等六類，其單軸極限強度在0．5～5MPa之間。主河槽中覆蓋層的表層以粉細沙為主，厚8～23m，其下由硬塑半干硬粘性土及圓礫上組成，厚9～18m。
3．主要技術標準
（1）荷載等級
汽車--超20級設計；
掛車--120級檢算。
（2）設計車速80km/h。
（3）橋面寬度
橋面設六條機動車道，車行道寬22m，中央分隔帶寬1.5m，路
緣帶寬度共lm，兩側各設寬0．75m檢修道，檢修道與機動車道間
設置0．25m的防護欄。橋面凈寬26.5m。
（4）設計基本風速 V10＝25．8m／s．
（5）地震按6度設計．

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，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的變化；白沙洲及南汊主要應能滿足汛期行洪需要，并要求不致對河勢變化產生不良影響。因此，在橋式總體布置構思中應盡量減小對河勢的不利影響，或通過方案的選配使建橋對河勢的影響趨向有利；要最大限度地改善航運條件，滿足通航要求；要有利于加快工程進度，降低造價，為大橋早日建成創造前提條件。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；南塔墩置于現行航道一般年份枯水期航跡線以外，既不改變又覆蓋了習慣性航道，由此，兩塔間主跨當在600m左右。與北邊跨對稱設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時啟用。根據以上分析，經河工模型試驗驗證及通航尺度論證，結合斜拉橋結構的特點，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，考慮其對河勢變化及防洪等影響，以期經濟合理地解決技術問題。單純從過洪分流考慮，應以大跨為宜，受河道整治規劃研究的啟發，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，可促使潛洲右側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，對枯水期航運極為有利。經多方案比選，按采用小跨方案的原則，綜合考慮施工、工期、經濟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，按經濟合理的原則，選用跨度40m的簡支T梁方案。

三、主跨618m斜拉橋的設計構思
1．結構布置
在滿足功能要求的前題下，結構布置處理關系到造價、工期及工程實施難易等問題，必須結合斜拉橋的力學特點、自然條件及施工工藝、設備條件等因素綜合考慮。
武漢地區抗風抗震問題并不突出，斜拉橋的設計主要應處理好靜力問題，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跨連續結構，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。兩塔墩處對稱設有縱向彈性約束。梁上索距為12m，4.5m。主塔采用鉆石形結構，自塔座以上全高174．45m，共設兩道橫梁，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．結構特點
（ l）斜拉橋邊跨跨度比為（180＋50）/618=0.372，主梁每側包括50m邊跨及向180m跨延伸37m共87m長區段采用混凝土箱梁，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，充分利用尾索效應改善了斜拉橋結構受力狀況，特別是改善了主塔及其基礎的受力狀況，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，深水基礎修建費用很高，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反力，從而減小主塔墩基礎規模。不僅降低工程造價，而且可縮短工期。
（3）主梁采用鋼箱梁，標準節段長12m拼裝工作量大為減小，工程進度大大加快，為大橋盡早建成通車奠定基礎。邊跨87m段采用混凝土箱梁，可解決邊墩及輔助墩負反力問題。利用混凝土箱梁較鋼箱梁剛度大的特點，加強錨跨鋼度。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的造價，而混凝土梁本身費用要低于鋼箱梁。
（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軸力大、彎矩及剪力較小的狀況，接頭受力非常有利。結合段設有特制鋼箱節段，其一端設有剪力鍵與混凝土梁結合，另一端與180m合龍段鋼箱梁相匹配，結合段還均勻分散設置了預應力束（筋）以確保結合可靠。斜拉橋180m邊跨合龍在兩懸臂狀態進行，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、主塔墩基礎比選
主塔基礎規模大、施工環節多、工藝設備復雜、建設費用高，橋址位處長江中游，水位變化大、流速大、沖刷嚴重，在地基承載力很低、地質條件較差的條件下，選擇合適的基礎形式，縮小基礎規模，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泥巖組成，巖石極限抗壓強度Ra=0．5～2．5MPa。本橋主塔基礎主要以沉井基礎與樁基兩大類型進行比較研究。
沉井基礎因河床沖刷較深，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，只能按摩擦樁設計，故重點對兩種不同的防水圍堰類型進行綜合比選。
雙壁剛圍堰適應性較好，安全可靠，技術成熟。但由于地質不良，所需鉆孔樁數量較多，相應圍堰很大，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，但工程數量大、造價高。
吊箱圍堰在一般河流、小型基礎以及水位變化不大、流速很小如海灣上應用較多，但在長江中下游水深流急、像本橋這樣的大型基礎上采用，尚屬新的嘗試，必須深入研究結構細節及工藝細節才能保證方案順利實施。根據水文、地質條件，經過不斷地研究深化，設計采用了高樁承臺自浮式吊箱圍堰鉆孔樁基礎方案。施工時先插打定位樁及鋼護筒，連接并拼裝鉆孔平臺；先完成6～8根鉆孔樁確保安全渡洪，并繼續完成全部鉆孔樁施工，拆除鉆機平臺；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備；圍堰以鉆孔樁鋼護筒為導向，定位準確、容易，工序簡單，施工快捷。因基礎承臺較高，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，縮小了基礎規模。主塔墩基礎采用40根φ1.55m鉆孔樁，承臺尺寸20.4m * 32.4m * 5m。主塔墩基礎見圖5。

五、結束語
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、主梁合龍等設計的一些構想得到了順利實施與驗證。

參考文獻
［l］嚴國敏．現代斜拉橋．西南交通大學出版社，1996