大型橋梁深水基礎類型及其特點

韋清江1，劉  根2

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

    隨著鐵路和公路建設的迅猛發展，跨越江河湖泊海灣的  大跨徑橋梁建設呈現出空前繁榮的局面，大型深水基礎施工，已經成為橋梁施工的重點和難點課題之一。

1.深水基礎的主要類型

    大型橋梁深水基礎，其施工技術水平是保證整座橋梁工期和施工質量的關鍵。我國橋梁深水基礎技術，從20世紀50年代開始發展至今，已達到國際先進水平。常用的基礎主要類型有以下幾種。

    1.1管柱基礎

    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，首創管柱基礎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，管柱基礎應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，其管柱基礎直徑達5.8m，是當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應力鋼筋混凝土大型管柱，也是目前中國最深的管柱基礎。九江長江大橋于1973年動工修建，1991年建成，歷時l9載。該水域地質情況復雜，水深流急，基礎施工難度非常大。它成功地將低承臺管柱基礎的鋼板樁圍堰改成了雙壁鋼圍堰，不僅使低承臺的適應水深更深 (達55m)，還加快了施工速度。l995年建成的武漢長江二橋，由于基巖復雜，主塔墩也采用雙壁鋼圍堰管柱基礎，直徑 2.5m，最大深度達水下64m。到目前為止，管柱在基礎中多為鉛直狀，但也有過少數斜管柱基礎的例子，由于斜管柱的施工難度更大，故很少采用。

    1.2沉井基礎和鉆孔樁基礎

    沉井是非常傳統的橋梁基礎形式。20世紀60年代在修建南京長江大橋過程中，施工水深達30.5m，覆蓋層最大厚度達54.87m，由此發展了重型混凝土沉井、深水浮運鋼筋混凝土沉井和鋼沉井，實現了沉井在橋梁深水基礎中的應用。1997年完成的江陰長江大橋北錨錠沉井基礎尺寸為69m×51m×58m(長×寬×深)，是當時世界上最大的沉井基礎。美國在20世紀初就發明了鉆孔樁的方法。但當時的鉆孔樁工藝和設備尚不完善，鉆孔直徑較小，樁基承載力不高，在橋梁基礎中使用不多。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應用于公路橋梁。鐵路橋梁上采用鉆孔樁基礎始于成昆線的需要，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，并且成為當前使用最廣泛的基礎形式。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4m。我國黃河中下游地區的橋梁建設中多數都采用了80m以上的鉆孔灌注樁，如山東省利津黃河大橋的樁長達l00m；濱州黃河大橋(原北鎮黃河公路橋)的墩臺基礎采用鉆孔灌注樁，基樁最長120m，最大入土深度達107m。

    1.3復合基礎

    1936年在修建錢塘江大橋時，由于水深很深、覆蓋層非常厚，且地質條件復雜，受施工能力的限制，無法將單一基礎形式的基礎下沉到預期深度，因而采用了氣壓沉箱作平底結構，其上施工樁基礎，以接力的方法修筑橋梁深水基礎。南京長江大橋的2、3號墩采用了鋼沉井加管柱基礎的組合方式(如圖l)。九江長江大橋地質非常復雜，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，還在基巖好、巖面低的深水處采用雙壁鋼圍堰鉆孔樁基礎，4號墩處采用的是浮運鋼沉井鉆孔樁基礎(如圖2)。20世紀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、沉井及鋼管樁基礎外，還采用了雙承臺鋼管樁基礎。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，施工水深達30 m。

2.各種深水基礎的特點及工作原理

    2.1深水管柱基礎特點與工作原理

    管柱基礎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，可以把管柱基礎的承臺提高到墩帽位置，從而省去墩身(圖4)。根據材料不同，有鋼筋混凝土管柱、預應力混凝土管柱、鋼管柱三種形式，其中鋼筋混凝土管柱的人土深度小于25m，應用范圍較小。

    端承式管柱可利用管壁作套管，進行鑿巖鉆孔，再填筑鋼筋混凝土，使管柱錨于基巖，以增加基礎穩定性和支承能力。也可以在地層中鉆出大直徑孔，再把預制的管柱插入孔中，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。

    管柱基礎使水下的橋墩修建工作全部改在水面上進行，能減輕工人的勞動強度，縮短施工時間，加快工程進度，節約工程造價。同時管柱基礎能到達氣壓沉箱不能達到的水下施工深度，并避免了水下、高氣壓下作業，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，不適用于有嚴重缺陷的地區。

    與大直徑的樁基礎或小直徑沉井相比，管柱基礎由于柱底嵌巖(或嵌入密實土層)、柱頂嵌入剛性承臺，相當于兩端固定，因此柱的自由長度短，基礎的整體剛度大，而且承載力高。對于上部橋梁及周圍水壓產生的水平力與力矩，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，管柱基礎為預制結構并通過振動下沉，樁身質量有保證，側摩阻力也較大。

    2.2深水沉井基礎特點與工作原理

    用沉井法修筑基礎，沉井本身就是基礎的組成部分，在下沉的過程中起著擋土和．防水的臨時圍堰作用，不需另設坑壁支撐和板樁圍堰，既節約了材料，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，或者下沉到設計標高后需要進行基底處理，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，深水沉井基礎需要建立水上工作面作為施工的立足點，用于引導龐大笨重的沉井經深水落到河床上并進行下沉，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，浮式平臺普遍應用于江河湖泊中，而海上自升式固定工作平臺能進行墩位水下基底處理，縮短沉井在海上的操作時間。但設備投資巨大，只有象日本的本州一四國聯絡線這類有多座跨海大橋的工程才有實用價值和經濟效果。

    沉井下沉時通過壓水、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落底。沉井下沉至穩定深度后，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格，也帶來更大的難度。當巖面傾斜或沖刷可能深及巖面時，其工藝細節遠較陸上施工艱難復雜。

    2.3深水樁基礎的特點與工作原理

    橋梁深水樁基礎是橋梁深水基礎中最為經濟的基礎形式。與沉井、沉箱基礎相比，在多數情況下，樁基所需下沉深度小。當深度相同時，樁基的用料比沉井、沉箱基礎少40％。60％，因而造價更低。但是樁基礎的剛度小，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，也對施工機械提出巨大的挑戰。

    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，這將影響樁基結構型式的選擇。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，當覆蓋層中具有很厚的淤泥質軟土層時，斜樁將會產生相當大的附加彎矩(如圖5)，計算中須予以考慮。

    深水樁基礎形式的選擇，應根據橋墩基礎受力情況、地形、地質、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水平的不同而難以統一。

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

參考文獻：

[1]劉自明．橋梁深水基礎[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．大型深水基礎施工方案研究[J]．鐵道標準設計，2005(6)：34—38

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

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

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)