跨海桥梁深水设置基础建造技术进展

2019-04-03周翰斌

广东公路交通 2019年1期

姜宏，周翰斌

(1.中交四航工程研究院有限公司，广州，510231；2.中交第四航务工程局有限公司，广州，510290)

0 引言

桥梁设置基础由于可使基础结构走向大型整体化、建造走向预制化及施工装备大型化、自动化的发展方向，将海上大量现场作业移到岸上作业，减少海上现场作业时间，以较快速度完成环境恶劣的海上基础的修筑，可大大减小施工难度，提高工程质量，缩短工期，而且承载力高、整体刚度大，抗侧向外力的性能好[1]，已成为深海急流、强震、强风浪、易受巨轮撞击等复杂恶劣海洋环境下跨海桥梁优先考虑的基础形式。此类基础在我国虽应用还较少，但具有较广阔的应用前景，因此，研究其建造技术有着现实的意义。

1 国外深水设置基础的建造实例及技术现状

20世纪80～90年代，日本和丹麦两个岛国完成了跨海连岛工程的壮举，设置基础由于具有众多优势，是这一系列跨海连岛桥梁工程中一种最主要的基础形式，设置基础建造技术也得到了很大的发展和应用，在国外跨海桥梁工程应用不断增多。表1为按跨海桥梁建成年代列出的部分深水设置基础实例。

日本南北备赞濑户大桥的施工区是繁忙的国际航道，最大的7A锚墩设置基础尺寸为75m×59m×55m(长×宽×高)。施工时研发了大型多功能自升式海上工作平台，在50多m水深的海底钻孔、超声波无线控制海底爆破、φ2.5m钻机磨平基岩面，120t级的超重型抓斗，海底检验探测地基处理质量的潜水艇等，基础浮运到现场后用计算机控制对位下沉，就位误差15cm，然后填充石料，采用240m3/h的“世纪”号大型灌浆船压浆[2]。这些大型机具设备同样用于本四联络桥其它桥梁施工，降低了成本。多多罗大桥主墩基础采用南北备赞濑户大桥相同的施工方法。明石海峡大桥的潮流速度比南北备赞濑户大桥还大，水深相差不多，主塔墩基础为双层壁的圆筒形钢沉井，分别为外径80m、高70m(2P墩)和外径78m、高67m(3P墩)，施工方法与南北备赞濑户大桥基本相同，不同点在于不需要借助自升式平台进行海底爆破和岩面凹凸高差磨平到±10cm之内，而是根据不同挖掘地层、部位和挖掘作业的极限潮速，采用不同重量的抓斗进行挖掘[3-5]，挖掘平均精度在0～-10cm范围内，用无人潜水机进行水下录像拍照，确认底面挖掘状况；另一不同点在于充填混凝土不是预填骨料压浆混凝土，而是采用了新研发的水下混凝土。日本采用的设置基础主要是钢沉井形式，一方面在于日本的钢结构行业发达，另一方面考虑钢制沉井具有压浆混凝土施工时起模板作用以及有利于水中浮运等两种功能。

表1 国外部分跨海桥梁深水设置基础实例

丹麦跨海桥梁的设置基础建造技术不亚于同时代的日本。大贝尔特海峡西桥的海上沉箱基础开挖约10m深基坑，由“勃查”号海上自升式平台完成清基、铺设1.5～4.0m厚碎石垫层及平整夯实，用6 500t“天鹅”号大型浮吊直接运输及沉放(与墩身起始段一起)，碎石垫层上部0.3m未经夯实，但碎石面要求非常平整，基础下落中自然压紧，基底以下不灌浆，基础内填砂土[2] [6]。大贝尔特海峡东桥的引桥沉箱基础重量超过3 000t者浮运安放，小于3 000t者用一艘拖船辅助一艘3 000t吊船运输到墩位后吊装就位，沉箱底的碎石层压浆填实；主塔墩沉箱基础78.1m×35m、高20m、重3.2万t，在离桥约56km处的干船坞制造，吃水11.5m，浮运靠于墩位处预抛锚好的定位船灌水下沉，基础底部0.5m高的裙边放下时压入5m厚的碎石层0.3m，沉箱底同样压浆填实；锚碇基础设计非常有特色，基础水深约10m，需要承受大约600MN主缆力，浮运时尺寸为121.5m×54.5m×16.5m，重3.6万t，吃水9m，沉放设置在水下V形基坑填石整平的楔槽上,以抵抗水平力[7]。由于基础底部大，基底应力可能分布不均匀，会影响到锚碇的整体稳定性，设计通过设置前后两个楔形碎石床使得基础中段不承担荷载，仅是前后段部分与地基接触来进行直接的荷载传递。经这样处理后锚碇基础虽然整体预制，实际上相当于两个连成一体共同工作的分置沉箱，而相应的碎石垫层分成两部分来设置。经试验研究分析取楔形碎石床的前部倾角约16°，它与锚碇基础自重和主缆拉力的合力大体保持垂直，从而避免锚碇基础整体沿着碎石与土体交界面的滑动破坏(图1)。

厄勒海峡大桥的主塔墩基础底面35m×37.18m、高20m、重约2万t，在干船坞预制后，用2艘浮箱联结组成一个浮驳组合体提升沉箱拖出船坞，浮运至墩位处定位下沉、支承在事先设置固定找平的3个混凝土垫块上，底面约1m空隙压注充填混凝土，沉箱回填压重、防护[2][8]；边跨引桥墩的沉箱基础底面为18m×20m和18m×24m，采用改造后的8 700t长颈“天鹅”号浮吊从预制厂吊运到墩位安装(图2)，重量按“天鹅”号浮吊的起吊能力控制，沉箱顶面在安装后高于海面4m。

图1 锚碇基础及楔形碎石床

图2 长颈“天鹅”号吊装沉箱基础

诺森伯兰海峡大桥的气候条件非常恶劣，承包商吸取了丹麦建设大贝尔特海峡西桥的经验，邀请应用“天鹅”号浮吊经验丰富的公司参加建设，将“天鹅”号浮吊加宽、加高改造成起重量8 700t 的长颈“天鹅”号浮吊，使海上基础、墩身及上部结构均采用了超大预制块全装配化技术，其规模之大、速度之快，实为罕见[9]。海上基础尺寸由流冰产生的冰压力决定。基础高31～42m，分为圆锥部分和圆柱部分，环形底板直径22～28m，圆柱部分直径10m，高度随基础深度变化，再上为圆锥部分以套装墩身(图3)。基础重3 500～5 500t，由大吨位油压式运输车搬运到栈桥，再由长颈“天鹅”号自行式浮吊搬运到现场架设。施工时先开挖到基岩，在基岩面挖下一圈环槽，将以钢结构联结的三块混凝土板放入环槽内，形成三点稳定的支承点，然后将基础吊放支承于混凝土板，应用GPS使基础安放精度在6mm以内。基础底的空隙浇筑高耐久性的水下混凝土。

图3 预制基础

希腊里翁-安蒂里翁大桥改变了此前设置基础应用在浅覆盖层、基础要坐落于基岩、强调基础与基岩间要固结连接的要求，将设置基础技术应用到水深达65m、海床下500m处仍没有岩床的深厚覆盖层、横跨强烈地震断层、桥址处的伯罗奔尼撒半岛现在仍以每年8～1lmm的速度漂离希腊本土的科林斯海湾，给人们带来难以置信的建造成果。由于建桥条件非常复杂带来建设要求很苛刻，1992年希腊工程师协会重新研究建桥可能性时仍认为在此建桥不可能。最终采用混凝土沉箱基础，直接安放在采用直径2m钢管加固的地基上[10]。打入地基的钢管长25～30m、间距一般取7～8m，每个塔墩处大约打入200～250 根钢管(图4)，将加固土层改善为抗剪强度足以承受大的地震力以及在极端地震活动中，足以承受大桥可能经受的液动水压力。钢管顶部铺设3m厚的卵石砂砾层，与沉箱基础间却没有连接，可使基础在地震时随土层上移或水平滑移(运营期及小地震时不会滑动)，起到隔震的作用[11]。这的确是一项设计非常新颖而大胆有趣的技术，是前所未有的尝试。这种创新的土层加固方式，事先由法国国立路桥大学中心试验室进行了广泛的数字模拟研究及离心模型测试，证实了基础设计的可靠性。巧合的是，在索塔和主梁施工期间的2003年8月14日，发生了一次里氏6.2级的大地震，但该桥安然无恙，基础经历了大地震的考验。基础底座直径90m，厚度从中心13.5m 降到边缘9.0m，基础上半部的圆锥形构造从底端38 m过渡到上端27m，高度37～53m。施工时，将自升式工作平台改建成1艘专用驳船，用于海床挖掘、打设钢管桩、砂砾层铺设及整平等海上作业。沉箱基础在干船坞浇筑到15m高后，拖至旁边的湿船坞，完成上部的圆锥形结构浇筑，然后拖到永久墩位沉放，座在砂砾垫层上。基础浮态浇筑时利用底座的32个隔仓灌水，用电脑微分压舱系统对其进行24h监控，使基础保持铅垂状态，避免了受风和水流影响。桥墩施工中，基础保持预载状态，以校正细微沉降。

图4 复合地基上设置沉箱基础

里翁-安蒂里翁大桥的设置基础综合考虑了抗震特点、结构受力合理性、施工方便快捷等因素，是非常值得予以借鉴的基础方案，其对类似条件的跨海桥梁建设的影响是巨大的。同样处于强烈地震带的土耳其伊兹米特海湾大桥[12]，准备建设的丹麦-德国间的费马恩海峡大桥[8](后由于环保因素改为沉管隧道方案)，以及丹麦新斯托(Storstrøm)海峡桥都采用混凝土沉箱直接坐落于钢管加固地基上的设置基础。

国外一些内河桥梁同样采用了设置基础。英国达福特桥主塔墩在石灰岩上铺以土工布包裹的碎石垫层，沉放的沉箱基础底部的裙板插入碎石垫层中，沉箱底部的空隙灌浆填充[14]，裙板用于限制灌浆的外溢。塞文二桥全桥49个墩台中的34个为混凝土沉箱基础，沉箱重1 000～2 000t，用海上工作平台的吊机起吊沉放。2018年完工的加拿大新尚普兰大桥横跨的圣劳伦斯河非常宽阔，最深处的水深仅9m，但流速最大达到4.6m/s，这项3.4km的大桥最大的挑战是只有42个月的紧张工期以及严酷的冬季，决定采用加拿大已有的一个先例——诺森伯兰海峡大桥，包括设计基础的方法来迎接挑战。水中基础的平面尺寸11m×11m(或9m×9m)，高2m，加上墩身起始段的高度为14m，重量在600～1 000t，采用Sarens公司研发的FFI双体船进行提升、运输，以误差25mm沉放到位。该船类似于“天鹅”号浮吊，自带推进系统、液压和电子转向系统，但粗定位后先用定位桩将FFI锚锭(图5)，采用可旋转系统将基础360°旋转，利用滑移系统向前、向后或横向水平移动等将基础精确定位。

图5 FFI双体船吊装基础

从上述工程实例可以看出，国外桥梁已经不限于在深水急流的浅覆盖层采用设置基础，而且已掌握了在水深近70m、急流、软弱厚覆盖层、地震力控制设计条件下深海设置基础的设计施工技术，积累了丰富的科研成果和工程实践经验，引领着跨海桥梁深水设置基础技术的发展。

2 国内深水设置基础的建造实例及技术现状

我国跨江海等深水桥梁基础主要采用的是桩基加承台基础和沉井两种形式，设置基础的应用不多，如表2所示。

表2 我国深水桥梁设置基础应用实例

澎湖望安将军跨海大桥施工时，采用平台船上的长臂挖土机连接破碎机来破碎玄武岩，然后挖土机换上挖斗挖走石块，用水中凿岩机和砾石回填来处理岩面凹凸及夯实，预制好的沉箱拖至墩位处灌水沉放，沉箱底部的空隙灌浆固结[13]。遗憾的是，类似环境的台湾金门大桥未能进一步推广应用设置基础，而采用全套管管柱基础，该桥自2012年开工至今仍未完成，期间停工多次的重要原因之一，在于海上恶劣的水文天气及石灰岩地质对海上深水基础施工造成了非常大的困难。

大连星海湾跨海大桥的锚碇基础为国内首例悬索桥深海设置沉箱锚碇基础，海床挖掘最大15m深度，10～14m基床抛填50～200mm骨料石。沉箱船坞内预制，起浮拖至墩位安放，采用两个小沉箱和拖船、600t吊船辅助配合精确定位安装。安装就位后，骨料石基床升浆混凝土形成锚碇基础[14]。芜湖长江公铁大桥3号墩基础的基坑采用钻爆法整层爆破成型，大型抓斗挖泥船清渣，船载多波束和侧扫声纳法进行水下测量，采用重型锚碇系统及调平系统进行沉井基础精确定位着床，然后进行水下封底作业[15]。

目前我国跨江海桥梁深水基础普遍采用的桩基加承台形式，在水深达到50m的恶劣海洋环境下，抗侧向力的能力已经难以满足要求，施工上也会有很大难题。而里翁-安蒂里翁大桥采用的复合地基上的设置基础建造技术，则提供了很好的借鉴经验。张鸿等[16]结合规划的琼州海峡跨海工程研究，提出一种复合桩箱基础形式，其实就是在里翁-安蒂里翁大桥的设置基础上，将沉箱底板外周的钢管桩与底板固结，由沉箱基础底板承担部分外荷载，钢管桩承担部分外荷载并控制工后沉降。这种复合桩箱基础虽然考虑桩土的共同作用，发挥土体的承载能力，由桩基将荷载传递至地层深处，可适应厚软土层地基工后沉降变形的特点，但正是由于将钢管桩与底板进行了固结连接，地震时基础不能随土层有较大的上移或水平滑移，反而不利于强震地带的桥梁结构受力。另外，这种基础的钢管桩和沉箱受力分配关系，基础、土层参数与地基沉降之间的关系，以及钢管桩与沉箱结合特性、传力模式、与沉箱连接施工的可靠性及耐久性等方面，都需要深入研究。

3 我国跨海桥梁深水设置基础技术发展的探讨与建议

通过上述国内外跨海桥梁深水设置基础技术现状的分析，可以看出两者的差距：国外不仅在深水急流的浅覆盖层采用设置基础，而且已将设置基础技术创新地推广应用到近70m水深、急流、软弱厚覆盖层、强地震荷载的深海桥梁，并且积累了丰富的研究成果和实践经验；而国内主要采用围堰加桩基承台形式，即便是在浅覆盖层甚至岩面裸露的复杂海况条件下，依然采用钻孔桩基础，导致施工时劳心劳力。虽然这种差距是多种因素造成的，但与我国桥梁基础的设计理念和设计理论、技术习惯、大型施工装备有很大关系。

世界范围内规划的众多的跨海通道有的已经在准备建设当中[2]，东南亚一些岛国及西亚都准备或开始兴建跨海连岛工程，欧美强国上个世纪建设的桥梁已运营了70～近百年，进入衰老期，部分桥梁如加拿大尚普兰大桥、英国福斯公路大桥和Mersey Gateway大桥、法国留尼旺岛沿海大桥等已完成或正在新建、扩建中，丹麦新Storstroem桥已完成招标准备开工，这些桥梁大多采用了设置基础。估计在接下来的2020～2030年代，国外桥梁将会迎来新一轮的新建、扩建高潮，需要重建新建许多跨江跨海大桥，这是实施“一带一路”战略面临的机遇。而我国沿海诸多岛屿之间以及与大陆间的桥梁联络工程，都需要修建深水基础，水深最大可能达到100m左右。这应是我国今后跨海桥梁深水基础的广阔市场前景。

为适应我国未来跨海桥梁深水设置基础的建设，需要注意掌握以下几方面的关键技术：

(1)深水设置基础的设计理论。国外桥梁界在深水设置基础设计技术方面已经过众多桥梁工程实践检验，甚至是施工期间就经历了大地震的考验，积累了丰富的技术成果，引领着深水设置基础技术的发展。我们需要正视与国外的差距，深水基础不能再囿于围堰加桩基承台的形式，需要大胆突破传统的深水基础设计思路。在深海地基勘探技术，深水软弱粘性土地基大型设置基础的设计理论、分析手段和方法，大型沉箱基础的关键构造，深海软弱地基处理技术及受力机理和模型试验，深海地基承载能力及地基处理检测技术等方面深入研究。

(2)适应深海设置基础作业的大型施工装备。发达国家目前正在为深水桥梁新建、扩建高潮的到来进行积极准备，正在研究利用最先进的机电一体化技术发展大型施工装备(自动化、智能化建筑机器人)，使更大的设置基础都能迅速、准确就位。海上多功能可升降工作平台是关键设备之一，可有效解决深海桥梁的一些施工技术难题，提高海底挖掘及清基、打桩、垫层铺设和整平的施工效率，留尼旺岛新沿海大桥采用带8个支腿的可升降施工平台“章鱼”号甚至还完成了4 800t沉箱基础、墩身、墩顶梁段的运输及安装(图6)。适合在海床软弱、水深近100m复杂恶劣的海洋环境中进行桥梁基础施工的多功能模块化拼装平台是今后需要研究的。除了巨型沉箱需要浮运外，设置基础走向大型整体化预制，由大型浮吊直接吊装到位已是共识，浮吊将会更加大型化和智能化。机械化、大型化、智能化是跨海桥梁施工装备发展的趋势。上述的工程实例中，无一不需要动用大型的海上施工装备，设置基础往往由施工装备能力引导设计方案或优化施工图设计，可以说具有这种能力的海上大型施工装备，将引领设置基础建造技术发展的方向。

图6 “章鱼”号升降平台吊装基础

(3)与大型施工装备相对应的设置基础施工关键技术。包括深海施工勘探技术，深海基坑挖掘和基床铺设整平技术，深海地基加固处理施工技术，深海设置基础大型浮吊吊装技术，巨型沉箱浮态接高、锚碇定位沉放技术，深海基底灌浆技术，深海地基承载力及基础检测监测技术等施工关键技术，应是今后需要研究的重点。这些施工技术虽在跨江近海施工中有过应用，但随着水深的增加和设置基础的工程量很大，并叠加深海海洋因素的严重影响，已远远超出了我们在内陆江河桥梁中所形成的工程规模概念，在量变中往往含有质变的可能性，这是必须予以慎重考虑的。