跨海橋梁深水設置基礎建造技術進展

姜 宏，周翰斌

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

0 引言

橋梁設置基礎由于可使基礎結(jié)構走向大型整體化、建造走向預制化及施工裝備大型化、自動化的發(fā)展方向，將海上大量現(xiàn)場作業(yè)移到岸上作業(yè)，減少海上現(xiàn)場作業(yè)時間，以較快速度完成環(huán)境惡劣的海上基礎的修筑，可大大減小施工難度，提高工程質(zhì)量，縮短工期，而且承載力高、整體剛度大，抗側(cè)向外力的性能好[1]，已成為深海急流、強震、強風浪、易受巨輪撞擊等復雜惡劣海洋環(huán)境下跨海橋梁優(yōu)先考慮的基礎形式。此類基礎在我國雖應用還較少，但具有較廣闊的應用前景，因此，研究其建造技術有著現(xiàn)實的意義。

1 國外深水設置基礎的建造實例及技術現(xiàn)狀

20世紀80～90年代，日本和丹麥兩個島國完成了跨海連島工程的壯舉，設置基礎由于具有眾多優(yōu)勢，是這一系列跨海連島橋梁工程中一種最主要的基礎形式，設置基礎建造技術也得到了很大的發(fā)展和應用，在國外跨海橋梁工程應用不斷增多。表1為按跨海橋梁建成年代列出的部分深水設置基礎實例。

日本南北備贊瀨戶大橋的施工區(qū)是繁忙的國際航道，最大的7A錨墩設置基礎尺寸為75m×59m×55m(長×寬×高)。施工時研發(fā)了大型多功能自升式海上工作平臺，在50多m水深的海底鉆孔、超聲波無線控制海底爆破、φ2.5m鉆機磨平基巖面，120t級的超重型抓斗，海底檢驗探測地基處理質(zhì)量的潛水艇等，基礎浮運到現(xiàn)場后用計算機控制對位下沉，就位誤差15cm，然后填充石料，采用240m3/h的“世紀”號大型灌漿船壓漿[2]。這些大型機具設備同樣用于本四聯(lián)絡橋其它橋梁施工，降低了成本。多多羅大橋主墩基礎采用南北備贊瀨戶大橋相同的施工方法。明石海峽大橋的潮流速度比南北備贊瀨戶大橋還大，水深相差不多，主塔墩基礎為雙層壁的圓筒形鋼沉井，分別為外徑80m、高70m(2P墩)和外徑78m、高67m(3P墩)，施工方法與南北備贊瀨戶大橋基本相同，不同點在于不需要借助自升式平臺進行海底爆破和巖面凹凸高差磨平到±10cm之內(nèi)，而是根據(jù)不同挖掘地層、部位和挖掘作業(yè)的極限潮速，采用不同重量的抓斗進行挖掘[3-5]，挖掘平均精度在0～-10cm范圍內(nèi)，用無人潛水機進行水下錄像拍照，確認底面挖掘狀況；另一不同點在于充填混凝土不是預填骨料壓漿混凝土，而是采用了新研發(fā)的水下混凝土。日本采用的設置基礎主要是鋼沉井形式，一方面在于日本的鋼結(jié)構行業(yè)發(fā)達，另一方面考慮鋼制沉井具有壓漿混凝土施工時起模板作用以及有利于水中浮運等兩種功能。

表1 國外部分跨海橋梁深水設置基礎實例

丹麥跨海橋梁的設置基礎建造技術不亞于同時代的日本。大貝爾特海峽西橋的海上沉箱基礎開挖約10m深基坑，由“勃查”號海上自升式平臺完成清基、鋪設1.5～4.0m厚碎石墊層及平整夯實，用6 500t“天鵝”號大型浮吊直接運輸及沉放(與墩身起始段一起)，碎石墊層上部0.3m未經(jīng)夯實，但碎石面要求非常平整，基礎下落中自然壓緊，基底以下不灌漿，基礎內(nèi)填砂土[2] [6]。大貝爾特海峽東橋的引橋沉箱基礎重量超過3 000t者浮運安放，小于3 000t者用一艘拖船輔助一艘3 000t吊船運輸?shù)蕉瘴缓蟮跹b就位，沉箱底的碎石層壓漿填實；主塔墩沉箱基礎78.1m×35m、高20m、重3.2萬t，在離橋約56km處的干船塢制造，吃水11.5m，浮運靠于墩位處預拋錨好的定位船灌水下沉，基礎底部0.5m高的裙邊放下時壓入5m厚的碎石層0.3m，沉箱底同樣壓漿填實；錨碇基礎設計非常有特色，基礎水深約10m，需要承受大約600MN主纜力，浮運時尺寸為121.5m×54.5m×16.5m，重3.6萬t，吃水9m，沉放設置在水下V形基坑填石整平的楔槽上,以抵抗水平力[7]。由于基礎底部大，基底應力可能分布不均勻，會影響到錨碇的整體穩(wěn)定性，設計通過設置前后兩個楔形碎石床使得基礎中段不承擔荷載，僅是前后段部分與地基接觸來進行直接的荷載傳遞。經(jīng)這樣處理后錨碇基礎雖然整體預制，實際上相當于兩個連成一體共同工作的分置沉箱，而相應的碎石墊層分成兩部分來設置。經(jīng)試驗研究分析取楔形碎石床的前部傾角約16°，它與錨碇基礎自重和主纜拉力的合力大體保持垂直，從而避免錨碇基礎整體沿著碎石與土體交界面的滑動破壞(圖1)。

厄勒海峽大橋的主塔墩基礎底面35m×37.18m、高20m、重約2萬t，在干船塢預制后，用2艘浮箱聯(lián)結(jié)組成一個浮駁組合體提升沉箱拖出船塢，浮運至墩位處定位下沉、支承在事先設置固定找平的3個混凝土墊塊上，底面約1m空隙壓注充填混凝土，沉箱回填壓重、防護[2][8]；邊跨引橋墩的沉箱基礎底面為18m×20m和18m×24m，采用改造后的8 700t長頸“天鵝”號浮吊從預制廠吊運到墩位安裝(圖2)，重量按“天鵝”號浮吊的起吊能力控制，沉箱頂面在安裝后高于海面4m。

圖1 錨碇基礎及楔形碎石床

圖2 長頸“天鵝”號吊裝沉箱基礎

諾森伯蘭海峽大橋的氣候條件非常惡劣，承包商吸取了丹麥建設大貝爾特海峽西橋的經(jīng)驗，邀請應用“天鵝”號浮吊經(jīng)驗豐富的公司參加建設，將“天鵝”號浮吊加寬、加高改造成起重量8 700t 的長頸“天鵝”號浮吊，使海上基礎、墩身及上部結(jié)構均采用了超大預制塊全裝配化技術，其規(guī)模之大、速度之快，實為罕見[9]。海上基礎尺寸由流冰產(chǎn)生的冰壓力決定?；A高31～42m，分為圓錐部分和圓柱部分，環(huán)形底板直徑22～28m，圓柱部分直徑10m，高度隨基礎深度變化，再上為圓錐部分以套裝墩身(圖3)。基礎重3 500～5 500t，由大噸位油壓式運輸車搬運到棧橋，再由長頸“天鵝”號自行式浮吊搬運到現(xiàn)場架設。施工時先開挖到基巖，在基巖面挖下一圈環(huán)槽，將以鋼結(jié)構聯(lián)結(jié)的三塊混凝土板放入環(huán)槽內(nèi)，形成三點穩(wěn)定的支承點，然后將基礎吊放支承于混凝土板，應用GPS使基礎安放精度在6mm以內(nèi)?；A底的空隙澆筑高耐久性的水下混凝土。

圖3 預制基礎

希臘里翁-安蒂里翁大橋改變了此前設置基礎應用在淺覆蓋層、基礎要坐落于基巖、強調(diào)基礎與基巖間要固結(jié)連接的要求，將設置基礎技術應用到水深達65m、海床下500m處仍沒有巖床的深厚覆蓋層、橫跨強烈地震斷層、橋址處的伯羅奔尼撒半島現(xiàn)在仍以每年8～1lmm的速度漂離希臘本土的科林斯海灣，給人們帶來難以置信的建造成果。由于建橋條件非常復雜帶來建設要求很苛刻，1992年希臘工程師協(xié)會重新研究建橋可能性時仍認為在此建橋不可能。最終采用混凝土沉箱基礎，直接安放在采用直徑2m鋼管加固的地基上[10]。打入地基的鋼管長25～30m、間距一般取7～8m，每個塔墩處大約打入200～250 根鋼管(圖4)，將加固土層改善為抗剪強度足以承受大的地震力以及在極端地震活動中，足以承受大橋可能經(jīng)受的液動水壓力。鋼管頂部鋪設3m厚的卵石砂礫層，與沉箱基礎間卻沒有連接，可使基礎在地震時隨土層上移或水平滑移(運營期及小地震時不會滑動)，起到隔震的作用[11]。這的確是一項設計非常新穎而大膽有趣的技術，是前所未有的嘗試。這種創(chuàng)新的土層加固方式，事先由法國國立路橋大學中心試驗室進行了廣泛的數(shù)字模擬研究及離心模型測試，證實了基礎設計的可靠性。巧合的是，在索塔和主梁施工期間的2003年8月14日，發(fā)生了一次里氏6.2級的大地震，但該橋安然無恙，基礎經(jīng)歷了大地震的考驗?；A底座直徑90m，厚度從中心13.5m 降到邊緣9.0m，基礎上半部的圓錐形構造從底端38 m過渡到上端27m，高度37～53m。施工時，將自升式工作平臺改建成1艘專用駁船，用于海床挖掘、打設鋼管樁、砂礫層鋪設及整平等海上作業(yè)。沉箱基礎在干船塢澆筑到15m高后，拖至旁邊的濕船塢，完成上部的圓錐形結(jié)構澆筑，然后拖到永久墩位沉放，座在砂礫墊層上。基礎浮態(tài)澆筑時利用底座的32個隔倉灌水，用電腦微分壓艙系統(tǒng)對其進行24h監(jiān)控，使基礎保持鉛垂狀態(tài)，避免了受風和水流影響。橋墩施工中，基礎保持預載狀態(tài)，以校正細微沉降。

圖4 復合地基上設置沉箱基礎

里翁-安蒂里翁大橋的設置基礎綜合考慮了抗震特點、結(jié)構受力合理性、施工方便快捷等因素，是非常值得予以借鑒的基礎方案，其對類似條件的跨海橋梁建設的影響是巨大的。同樣處于強烈地震帶的土耳其伊茲米特海灣大橋[12]，準備建設的丹麥-德國間的費馬恩海峽大橋[8](后由于環(huán)保因素改為沉管隧道方案)，以及丹麥新斯托(Storstr?m)海峽橋都采用混凝土沉箱直接坐落于鋼管加固地基上的設置基礎。

國外一些內(nèi)河橋梁同樣采用了設置基礎。英國達福特橋主塔墩在石灰?guī)r上鋪以土工布包裹的碎石墊層，沉放的沉箱基礎底部的裙板插入碎石墊層中，沉箱底部的空隙灌漿填充[14]，裙板用于限制灌漿的外溢。塞文二橋全橋49個墩臺中的34個為混凝土沉箱基礎，沉箱重1 000～2 000t，用海上工作平臺的吊機起吊沉放。2018年完工的加拿大新尚普蘭大橋橫跨的圣勞倫斯河非常寬闊，最深處的水深僅9m，但流速最大達到4.6m/s，這項3.4km的大橋最大的挑戰(zhàn)是只有42個月的緊張工期以及嚴酷的冬季，決定采用加拿大已有的一個先例——諾森伯蘭海峽大橋，包括設計基礎的方法來迎接挑戰(zhàn)。水中基礎的平面尺寸11m×11m(或9m×9m)，高2m，加上墩身起始段的高度為14m，重量在600～1 000t，采用Sarens公司研發(fā)的FFI雙體船進行提升、運輸，以誤差25mm沉放到位。該船類似于“天鵝”號浮吊，自帶推進系統(tǒng)、液壓和電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但粗定位后先用定位樁將FFI錨錠(圖5)，采用可旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)將基礎360°旋轉(zhuǎn)，利用滑移系統(tǒng)向前、向后或橫向水平移動等將基礎精確定位。

圖5 FFI雙體船吊裝基礎

從上述工程實例可以看出，國外橋梁已經(jīng)不限于在深水急流的淺覆蓋層采用設置基礎，而且已掌握了在水深近70m、急流、軟弱厚覆蓋層、地震力控制設計條件下深海設置基礎的設計施工技術，積累了豐富的科研成果和工程實踐經(jīng)驗，引領著跨海橋梁深水設置基礎技術的發(fā)展。

2 國內(nèi)深水設置基礎的建造實例及技術現(xiàn)狀

我國跨江海等深水橋梁基礎主要采用的是樁基加承臺基礎和沉井兩種形式，設置基礎的應用不多，如表2所示。

表2 我國深水橋梁設置基礎應用實例

澎湖望安將軍跨海大橋施工時，采用平臺船上的長臂挖土機連接破碎機來破碎玄武巖，然后挖土機換上挖斗挖走石塊，用水中鑿巖機和礫石回填來處理巖面凹凸及夯實，預制好的沉箱拖至墩位處灌水沉放，沉箱底部的空隙灌漿固結(jié)[13]。遺憾的是，類似環(huán)境的臺灣金門大橋未能進一步推廣應用設置基礎，而采用全套管管柱基礎，該橋自2012年開工至今仍未完成，期間停工多次的重要原因之一，在于海上惡劣的水文天氣及石灰?guī)r地質(zhì)對海上深水基礎施工造成了非常大的困難。

大連星海灣跨海大橋的錨碇基礎為國內(nèi)首例懸索橋深海設置沉箱錨碇基礎，海床挖掘最大15m深度，10～14m基床拋填50～200mm骨料石。沉箱船塢內(nèi)預制，起浮拖至墩位安放，采用兩個小沉箱和拖船、600t吊船輔助配合精確定位安裝。安裝就位后，骨料石基床升漿混凝土形成錨碇基礎[14]。蕪湖長江公鐵大橋3號墩基礎的基坑采用鉆爆法整層爆破成型，大型抓斗挖泥船清渣，船載多波束和側(cè)掃聲納法進行水下測量，采用重型錨碇系統(tǒng)及調(diào)平系統(tǒng)進行沉井基礎精確定位著床，然后進行水下封底作業(yè)[15]。

目前我國跨江海橋梁深水基礎普遍采用的樁基加承臺形式，在水深達到50m的惡劣海洋環(huán)境下，抗側(cè)向力的能力已經(jīng)難以滿足要求，施工上也會有很大難題。而里翁-安蒂里翁大橋采用的復合地基上的設置基礎建造技術，則提供了很好的借鑒經(jīng)驗。張鴻等[16]結(jié)合規(guī)劃的瓊州海峽跨海工程研究，提出一種復合樁箱基礎形式，其實就是在里翁-安蒂里翁大橋的設置基礎上，將沉箱底板外周的鋼管樁與底板固結(jié)，由沉箱基礎底板承擔部分外荷載，鋼管樁承擔部分外荷載并控制工后沉降。這種復合樁箱基礎雖然考慮樁土的共同作用，發(fā)揮土體的承載能力，由樁基將荷載傳遞至地層深處，可適應厚軟土層地基工后沉降變形的特點，但正是由于將鋼管樁與底板進行了固結(jié)連接，地震時基礎不能隨土層有較大的上移或水平滑移，反而不利于強震地帶的橋梁結(jié)構受力。另外，這種基礎的鋼管樁和沉箱受力分配關系，基礎、土層參數(shù)與地基沉降之間的關系，以及鋼管樁與沉箱結(jié)合特性、傳力模式、與沉箱連接施工的可靠性及耐久性等方面，都需要深入研究。

3 我國跨海橋梁深水設置基礎技術發(fā)展的探討與建議

通過上述國內(nèi)外跨海橋梁深水設置基礎技術現(xiàn)狀的分析，可以看出兩者的差距：國外不僅在深水急流的淺覆蓋層采用設置基礎，而且已將設置基礎技術創(chuàng)新地推廣應用到近70m水深、急流、軟弱厚覆蓋層、強地震荷載的深海橋梁，并且積累了豐富的研究成果和實踐經(jīng)驗；而國內(nèi)主要采用圍堰加樁基承臺形式，即便是在淺覆蓋層甚至巖面裸露的復雜海況條件下，依然采用鉆孔樁基礎，導致施工時勞心勞力。雖然這種差距是多種因素造成的，但與我國橋梁基礎的設計理念和設計理論、技術習慣、大型施工裝備有很大關系。

世界范圍內(nèi)規(guī)劃的眾多的跨海通道有的已經(jīng)在準備建設當中[2]，東南亞一些島國及西亞都準備或開始興建跨海連島工程，歐美強國上個世紀建設的橋梁已運營了70～近百年，進入衰老期，部分橋梁如加拿大尚普蘭大橋、英國福斯公路大橋和Mersey Gateway大橋、法國留尼旺島沿海大橋等已完成或正在新建、擴建中，丹麥新Storstroem橋已完成招標準備開工，這些橋梁大多采用了設置基礎。估計在接下來的2020～2030年代，國外橋梁將會迎來新一輪的新建、擴建高潮，需要重建新建許多跨江跨海大橋，這是實施“一帶一路”戰(zhàn)略面臨的機遇。而我國沿海諸多島嶼之間以及與大陸間的橋梁聯(lián)絡工程，都需要修建深水基礎，水深最大可能達到100m左右。這應是我國今后跨海橋梁深水基礎的廣闊市場前景。

為適應我國未來跨海橋梁深水設置基礎的建設，需要注意掌握以下幾方面的關鍵技術：

(1)深水設置基礎的設計理論。國外橋梁界在深水設置基礎設計技術方面已經(jīng)過眾多橋梁工程實踐檢驗，甚至是施工期間就經(jīng)歷了大地震的考驗，積累了豐富的技術成果，引領著深水設置基礎技術的發(fā)展。我們需要正視與國外的差距，深水基礎不能再囿于圍堰加樁基承臺的形式，需要大膽突破傳統(tǒng)的深水基礎設計思路。在深海地基勘探技術，深水軟弱粘性土地基大型設置基礎的設計理論、分析手段和方法，大型沉箱基礎的關鍵構造，深海軟弱地基處理技術及受力機理和模型試驗，深海地基承載能力及地基處理檢測技術等方面深入研究。

(2)適應深海設置基礎作業(yè)的大型施工裝備。發(fā)達國家目前正在為深水橋梁新建、擴建高潮的到來進行積極準備，正在研究利用最先進的機電一體化技術發(fā)展大型施工裝備(自動化、智能化建筑機器人)，使更大的設置基礎都能迅速、準確就位。海上多功能可升降工作平臺是關鍵設備之一，可有效解決深海橋梁的一些施工技術難題，提高海底挖掘及清基、打樁、墊層鋪設和整平的施工效率，留尼旺島新沿海大橋采用帶8個支腿的可升降施工平臺“章魚”號甚至還完成了4 800t沉箱基礎、墩身、墩頂梁段的運輸及安裝(圖6)。適合在海床軟弱、水深近100m復雜惡劣的海洋環(huán)境中進行橋梁基礎施工的多功能模塊化拼裝平臺是今后需要研究的。除了巨型沉箱需要浮運外，設置基礎走向大型整體化預制，由大型浮吊直接吊裝到位已是共識，浮吊將會更加大型化和智能化。機械化、大型化、智能化是跨海橋梁施工裝備發(fā)展的趨勢。上述的工程實例中，無一不需要動用大型的海上施工裝備，設置基礎往往由施工裝備能力引導設計方案或優(yōu)化施工圖設計，可以說具有這種能力的海上大型施工裝備，將引領設置基礎建造技術發(fā)展的方向。

圖6 “章魚”號升降平臺吊裝基礎

(3)與大型施工裝備相對應的設置基礎施工關鍵技術。包括深海施工勘探技術，深?；油诰蚝突蹭佋O整平技術，深海地基加固處理施工技術，深海設置基礎大型浮吊吊裝技術，巨型沉箱浮態(tài)接高、錨碇定位沉放技術，深?；坠酀{技術，深海地基承載力及基礎檢測監(jiān)測技術等施工關鍵技術，應是今后需要研究的重點。這些施工技術雖在跨江近海施工中有過應用，但隨著水深的增加和設置基礎的工程量很大，并疊加深海海洋因素的嚴重影響，已遠遠超出了我們在內(nèi)陸江河橋梁中所形成的工程規(guī)模概念，在量變中往往含有質(zhì)變的可能性，這是必須予以慎重考慮的。

4 結(jié)語

(1)國外跨海橋梁深水設置基礎的設計施工技術已經(jīng)較為成熟，不僅在深水急流的淺覆蓋層采用設置基礎，而且已將設置基礎技術創(chuàng)新地推廣應用到近70m水深、急流、軟弱厚覆蓋層、強地震荷載的深海橋梁，積累了豐富的技術成果和工程經(jīng)驗，是值得未來跨海大橋建設借鑒的。

(2)我國跨海橋梁深水設置基礎技術與國外相比存在著較大差距，需要在設計理論、大型施工裝備、施工關鍵技術方面進行深入研究并加以掌握，為未來深水設置基礎的建造進行積極準備。