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摘要：隨著鐵路和公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，跨越江河湖泊海灣的大跨徑橋梁建設(shè)呈現(xiàn)出空前繁榮的局面，大型深水基礎(chǔ)施工，已經(jīng)成為橋梁施工的重點和難點課題之一。...

大型橋梁深水基礎(chǔ)類型及其特點

韋清江1，劉  根2

(1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北武漢430050；2．西南交通大學(xué)，四川成都610031)

    隨著鐵路和公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，跨越江河湖泊海灣的  大跨徑橋梁建設(shè)呈現(xiàn)出空前繁榮的局面，大型深水基礎(chǔ)施工，已經(jīng)成為橋梁施工的重點和難點課題之一。

1.深水基礎(chǔ)的主要類型

    大型橋梁深水基礎(chǔ)，其施工技術(shù)水平是保證整座橋梁工期和施工質(zhì)量的關(guān)鍵。我國橋梁深水基礎(chǔ)技術(shù)，從20世紀(jì)50年代開始發(fā)展至今，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。常用的基礎(chǔ)主要類型有以下幾種。

    1.1管柱基礎(chǔ)

    1953年在修建武漢長江大橋時，摒棄了過去一直沿用的氣壓沉箱，首創(chuàng)管柱基礎(chǔ)和管柱鉆孔施工方法。管樁直徑1.55m，施工水深39m，鉆巖深度2～7m。1958年，管柱基礎(chǔ)應(yīng)用在鄭州黃河大橋新橋，直徑加大到3.6m，1962年建成的向(塘)“九(江)鐵路南昌贛江公鐵兩用橋，其管柱基礎(chǔ)直徑達(dá)5.8m，是當(dāng)前中國直徑最大的管柱。l968年建成的中國南京長江大橋采用的管柱基礎(chǔ)直徑為3.6m，水下深度30～40m，穿過覆蓋層約44m，錨入基巖3.5m，這是首次將鋼筋混凝土管柱改為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土大型管柱，也是目前中國最深的管柱基礎(chǔ)。九江長江大橋于1973年動工修建，1991年建成，歷時l9載。該水域地質(zhì)情況復(fù)雜，水深流急，基礎(chǔ)施工難度非常大。它成功地將低承臺管柱基礎(chǔ)的鋼板樁圍堰改成了雙壁鋼圍堰，不僅使低承臺的適應(yīng)水深更深 (達(dá)55m)，還加快了施工速度。l995年建成的武漢長江二橋，由于基巖復(fù)雜，主塔墩也采用雙壁鋼圍堰管柱基礎(chǔ)，直徑 2.5m，最大深度達(dá)水下64m。到目前為止，管柱在基礎(chǔ)中多為鉛直狀，但也有過少數(shù)斜管柱基礎(chǔ)的例子，由于斜管柱的施工難度更大，故很少采用。

    1.2沉井基礎(chǔ)和鉆孔樁基礎(chǔ)

    沉井是非常傳統(tǒng)的橋梁基礎(chǔ)形式。20世紀(jì)60年代在修建南京長江大橋過程中，施工水深達(dá)30.5m，覆蓋層最大厚度達(dá)54.87m，由此發(fā)展了重型混凝土沉井、深水浮運鋼筋混凝土沉井和鋼沉井，實現(xiàn)了沉井在橋梁深水基礎(chǔ)中的應(yīng)用。1997年完成的江陰長江大橋北錨錠沉井基礎(chǔ)尺寸為69m×51m×58m(長×寬×深)，是當(dāng)時世界上最大的沉井基礎(chǔ)。美國在20世紀(jì)初就發(fā)明了鉆孔樁的方法。但當(dāng)時的鉆孔樁工藝和設(shè)備尚不完善，鉆孔直徑較小，樁基承載力不高，在橋梁基礎(chǔ)中使用不多。1963年我國修建河南省安陽馮宿橋時第一次成功地將鉆孔樁基礎(chǔ)應(yīng)用于公路橋梁。鐵路橋梁上采用鉆孔樁基礎(chǔ)始于成昆線的需要，因為該線路需要跨越許多沖刷深度大、河床多為漂卵石透水層、基巖埋藏較深的河流，無法采用預(yù)制樁、管樁、沉井等方法。自此，我國橋梁工程開始廣泛采用鉆、挖孔灌注樁基礎(chǔ)，并且成為當(dāng)前使用最廣泛的基礎(chǔ)形式。l997年通車的江西省新八一大橋主橋、副橋的鉆孔樁直徑均達(dá)4m。我國黃河中下游地區(qū)的橋梁建設(shè)中多數(shù)都采用了80m以上的鉆孔灌注樁，如山東省利津黃河大橋的樁長達(dá)l00m；濱州黃河大橋(原北鎮(zhèn)黃河公路橋)的墩臺基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，基樁最長120m，最大入土深度達(dá)107m。

 

    1.3復(fù)合基礎(chǔ)

    1936年在修建錢塘江大橋時，由于水深很深、覆蓋層非常厚，且地質(zhì)條件復(fù)雜，受施工能力的限制，無法將單一基礎(chǔ)形式的基礎(chǔ)下沉到預(yù)期深度，因而采用了氣壓沉箱作平底結(jié)構(gòu)，其上施工樁基礎(chǔ)，以接力的方法修筑橋梁深水基礎(chǔ)。南京長江大橋的2、3號墩采用了鋼沉井加管柱基礎(chǔ)的組合方式(如圖l)。九江長江大橋地質(zhì)非常復(fù)雜，除上面提及的在巖面較高、覆蓋層不厚的墩位處采用雙壁鋼圍堰管柱基礎(chǔ)，還在基巖好、巖面低的深水處采用雙壁鋼圍堰鉆孔樁基礎(chǔ)，4號墩處采用的是浮運鋼沉井鉆孔樁基礎(chǔ)(如圖2)。20世紀(jì)80年代，在修建茅嶺江鐵路大橋采用了平臺式套箱圍堰；在修建肇慶西江大橋時除采用鉆孔樁、沉井及鋼管樁基礎(chǔ)外，還采用了雙承臺鋼管樁基礎(chǔ)。1998年建成的廣州江村大橋(南橋和北橋)位于衡廣線南段、廣州市北郊，采用了沉井加鉆孔樁組合基礎(chǔ)，施工水深達(dá)30 m。

2.各種深水基礎(chǔ)的特點及工作原理

    2.1深水管柱基礎(chǔ)特點與工作原理

    管柱基礎(chǔ)按地基土的支承情況可劃分為兩類，一類是管柱下沉至堅硬的巖層，與巖層固接或鉸接，成為柱式管柱(圖3)，也叫端承式管柱；另一類管柱下沉至密實的土層，依靠柱底端承力與柱周摩擦力共同受力，成為摩擦式管柱。在地基密實而均勻、橋墩不高的條件下，可以把管柱基礎(chǔ)的承臺提高到墩帽位置，從而省去墩身(圖4)。根據(jù)材料不同，有鋼筋混凝土管柱、預(yù)應(yīng)力混凝土管柱、鋼管柱三種形式，其中鋼筋混凝土管柱的人土深度小于25m，應(yīng)用范圍較小。

 

    端承式管柱可利用管壁作套管，進(jìn)行鑿巖鉆孔，再填筑鋼筋混凝土，使管柱錨于基巖，以增加基礎(chǔ)穩(wěn)定性和支承能力。也可以在地層中鉆出大直徑孔，再把預(yù)制的管柱插入孔中，并在柱壁與孔壁之間壓入水泥砂漿，使管柱與土層緊密連接，以提高承載力。管柱內(nèi)可填充混凝土或鋼筋混凝土，甚至做成部分空心體。

    管柱基礎(chǔ)使水下的橋墩修建工作全部改在水面上進(jìn)行，能減輕工人的勞動強(qiáng)度，縮短施工時間，加快工程進(jìn)度，節(jié)約工程造價。同時管柱基礎(chǔ)能到達(dá)氣壓沉箱不能達(dá)到的水下施工深度，并避免了水下、高氣壓下作業(yè)，有利于工人健康，而且水位的變化對施工影響不大，可常年施工。管柱可以穿越各種土質(zhì)覆蓋層或溶洞，支承于較密實的土上或新鮮巖面上。它一般適用于深水、有潮汐影響、無覆蓋層或厚覆蓋層、巖面起伏等橋址條件，不適用于有嚴(yán)重缺陷的地區(qū)。

    與大直徑的樁基礎(chǔ)或小直徑沉井相比，管柱基礎(chǔ)由于柱底嵌巖(或嵌入密實土層)、柱頂嵌入剛性承臺，相當(dāng)于兩端固定，因此柱的自由長度短，基礎(chǔ)的整體剛度大，而且承載力高。對于上部橋梁及周圍水壓產(chǎn)生的水平力與力矩，由嵌巖孔壁承受，而不必依靠周圍土體的抗力。與嵌巖鉆孔樁不同，管柱基礎(chǔ)為預(yù)制結(jié)構(gòu)并通過振動下沉，樁身質(zhì)量有保證，側(cè)摩阻力也較大。

    2.2深水沉井基礎(chǔ)特點與工作原理

    用沉井法修筑基礎(chǔ)，沉井本身就是基礎(chǔ)的組成部分，在下沉的過程中起著擋土和．防水的臨時圍堰作用，不需另設(shè)坑壁支撐和板樁圍堰，既節(jié)約了材料，又簡化了施工。沉井最適用于透水性較小的土層，因為這種情況下可排水挖土，容易控制下沉的方向，避免沉井傾斜；若土層中遇到障礙物需要清除，或者下沉到設(shè)計標(biāo)高后需要進(jìn)行基底處理，在無水的條件下容易解決。如果土層透水性大，沉井內(nèi)的水無法抽干或抽水引起涌沙造成沉井傾斜，只能采取不排水下沉，此時的施工效率較低，在遇到障礙物需要處理時則更加困難。

    與陸上沉井相比，深水沉井基礎(chǔ)需要建立水上工作面作為施工的立足點，用于引導(dǎo)龐大笨重的沉井經(jīng)深水落到河床上并進(jìn)行下沉，這也是深水沉井的施工重點。水上工作面通常有浮式平臺和固定平臺兩種做法，浮式平臺普遍應(yīng)用于江河湖泊中，而海上自升式固定工作平臺能進(jìn)行墩位水下基底處理，縮短沉井在海上的操作時間。但設(shè)備投資巨大，只有象日本的本州一四國聯(lián)絡(luò)線這類有多座跨海大橋的工程才有實用價值和經(jīng)濟(jì)效果。

    沉井下沉?xí)r通過壓水、壓氣、灌注混凝土及拉錨等措施控制各階段的安全入水深度與平穩(wěn)落底。沉井下沉至穩(wěn)定深度后，基本工序與陸上大致相同，但深水沉井的清基與灌注水下混凝土工藝要求較陸上沉井更為嚴(yán)格，也帶來更大的難度。當(dāng)巖面傾斜或沖刷可能深及巖面時，其工藝細(xì)節(jié)遠(yuǎn)較陸上施工艱難復(fù)雜。

    2.3深水樁基礎(chǔ)的特點與工作原理

    橋梁深水樁基礎(chǔ)是橋梁深水基礎(chǔ)中最為經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式。與沉井、沉箱基礎(chǔ)相比，在多數(shù)情況下，樁基所需下沉深度小。當(dāng)深度相同時，樁基的用料比沉井、沉箱基礎(chǔ)少40％。60％，因而造價更低。但是樁基礎(chǔ)的剛度小，在流速大、沖刷深的情況下，樁的直徑必須隨沖刷深度的增加而增大，不僅會增加造價，也對施工機(jī)械提出巨大的挑戰(zhàn)。

    與普通樁基相比，橋梁深水樁基還要考慮船舶碰撞力。因此所受水平力較大，作用在承臺上的合力與垂線的夾角也較大，這將影響樁基結(jié)構(gòu)型式的選擇。深水樁基中較多采用斜樁，因為它對抵抗水平力非常有效，但其斜度(水平長度／垂直長度)不宜過大，以免造成打樁或鉆孔困難。在某些情況下，需要加大樁徑來抵抗水平力。另外，當(dāng)覆蓋層中具有很厚的淤泥質(zhì)軟土層時，斜樁將會產(chǎn)生相當(dāng)大的附加彎矩(如圖5)，計算中須予以考慮。

 

    深水樁基礎(chǔ)形式的選擇，應(yīng)根據(jù)橋墩基礎(chǔ)受力情況、地形、地質(zhì)、水文(水深、流速、沖刷、夾砂、流石等)、施工條件與工期等因素確定。樁長由單樁承載能力和最大可能的打入、鉆入或設(shè)置深度控制。單樁承載力比較容易獲得，但鉆入深度因各地施工技術(shù)水平的不同而難以統(tǒng)一。

    由于環(huán)境水對混凝土、鋼筋及鋼材的腐蝕、侵蝕與磨損問題，深水樁的防護(hù)措施非常重要。對于鋼筋混凝土樁與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樁，為防止硫酸鹽侵蝕，可采用增加水泥用量、減小水灰比等常規(guī)方法，同時可使用抗硫酸鹽水泥、增設(shè)犧牲厚度、使用防護(hù)涂層等方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉自明．橋梁深水基礎(chǔ)[M]．北京：人民交通出版社，2003．

[2]呂元林．大跨度公路橋梁深水基礎(chǔ)施工方案比較[J]．水運工程，2001(4)：59—61．

[3]于祥君，戴宗誠．大型深水基礎(chǔ)施工方案研究[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2005(6)：34—38

[4]趙勝．橋梁深水基礎(chǔ)施工技術(shù)[J]．中國科技信息，2005(10)：122—123．

[5]周一橋．橋梁深水基礎(chǔ)的新動向[J]．公路交通技術(shù)，2000(4)：32—36．

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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