東海大橋深水群樁基礎(chǔ)防沖刷設(shè)計(jì)與施工

毛娟龍，楊 磊

(中交三航局第二工程有限公司，上海 200122)

1 工程概況

東海大橋作為洋山深水港區(qū)配套工程，起始于上海浦東南匯蘆潮港，跨越杭州灣北部海域，直達(dá)浙江省嵊泗縣崎嶇列島小洋山。東海大橋全長約32.5km，橋面為雙向6車道高速公路，設(shè)計(jì)速度80km/h，橋面寬31.5m。下部基礎(chǔ)采用高樁承臺結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)采用φ1 500mm鋼管樁，每個承臺布置15～20根樁基礎(chǔ)。

2 沖刷現(xiàn)狀

東海大橋海區(qū)最常見的底質(zhì)沉積物為黏土質(zhì)粉砂。根據(jù)大橋區(qū)域泥面2008—2018年掃測資料，大橋軸線水域普遍存在沖刷現(xiàn)象，并在每個橋墩下部形成沖刷坑。至2018年，沖刷坑最大沖深達(dá)-19m警戒點(diǎn)的橋墩已達(dá)284處，其中最大沖深達(dá)-20m的橋墩為107處。

3 防沖刷必要性

本工程海域是長江口泥砂向外擴(kuò)散的主要途徑，長江上游流域泥砂來源的大幅減少，為本工程海域沖刷環(huán)境提供了宏觀因素。同時，由于杭州灣北口泥砂不斷向南邊灘輸移淤積，大橋?qū)⒗^續(xù)受到?jīng)_刷。橋墩樁柱周圍局部水流動力變化是橋墩局部沖淤的主要因素，因樁的存在，導(dǎo)致紊流、渦流，使泥砂被掀起并帶走，造成樁周圍出現(xiàn)沖刷坑。

東海大橋樁基為摩擦樁，隨著樁基周邊泥面沖深，樁身自由長度增加，豎向承載力減小，橫向穩(wěn)定性變差，從而影響結(jié)構(gòu)安全。因此，對于超過沖刷警戒值的樁基礎(chǔ)，須及時采取防護(hù)措施。

4 防沖刷設(shè)計(jì)

橋墩局部沖刷防護(hù)工程一直是防止橋梁水毀的重要措施，傳統(tǒng)防護(hù)措施包括：①實(shí)體抗沖防護(hù) 通過在橋墩周圍泥床面上放置實(shí)體材料，提高橋墩抗沖刷能力，使橋墩不因受附近下降水流及旋渦體系掏底的影響而失穩(wěn)；②減速不沖防護(hù) 通過在橋墩周圍設(shè)計(jì)某些裝置或通過改變橋墩自身結(jié)構(gòu)，達(dá)到改變橋墩周圍水流、削弱或抑制水流沖刷力的目的。

針對東海大橋特殊的水文條件和沖刷情況，采用實(shí)體抗沖防護(hù)，沖刷坑核心區(qū)內(nèi)拋填袋裝碎石及袋裝混凝土，拋填區(qū)域按標(biāo)高控制。在兩側(cè)海床鋪設(shè)混凝土聯(lián)鎖塊軟體排，軟體排每側(cè)寬30m，以增加海床抗沖刷能力，并減少海床面泥砂顆粒起動。沖刷坑主體防護(hù)結(jié)構(gòu)自上而下依次為1.5m厚袋裝混凝土、2～3m厚袋裝碎石。袋裝混凝土主要防止表面沖刷，混凝土初凝前將其拋填至橋墩區(qū)域，混凝土強(qiáng)度等級不低于C20。袋裝碎石作為反濾層，防止原沖刷坑底的淤泥及粉土底質(zhì)受紊流作用而被淘刷。樁基礎(chǔ)防沖刷斷面如圖1所示。

圖1 樁基礎(chǔ)防沖刷斷面

5 防沖刷施工

軟體排鋪設(shè)工藝較成熟，主要利用專業(yè)鋪排船施工。拋填料施工難度大，受水深、流急、橋面至水面限高等因素限制，為避免施工過程中碰撞樁基礎(chǔ)，在密集群樁中精確拋填是防沖刷施工的關(guān)鍵。

5.1 施工難點(diǎn)

1)東海大橋受夏季臺風(fēng)、冬季寒潮影響較大，惡劣的氣象條件對施工安全和效率不利，施工期間須及時掌握當(dāng)?shù)貧庀髼l件，以合理調(diào)度施工設(shè)備。

2)工程所在水域浪大流急，需加強(qiáng)船舶錨泊能力，避免船舶走錨而危及橋身安全。

3)施工過程中不允許損壞橋墩、墩臺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)，進(jìn)行樁基礎(chǔ)防沖刷施工的同時，橋面仍需安全通行，橋下最小凈空僅8.8m，拋填時須使施工船舶?？恐翗蛎嫦露张_側(cè)，傳統(tǒng)的吊機(jī)船和運(yùn)輸船無法滿足要求。

4)東海大橋墩臺下部鋼管樁數(shù)量多，且每根鋼管樁平面扭角、斜率不同，最小樁間距<1m，拋填難度大，傳統(tǒng)的水下拋石法及拋石設(shè)備并不適用，宜采用斜向溜筒拋填方式，溜筒拋填為本工程關(guān)鍵施工技術(shù)。

5)對樁基礎(chǔ)防腐蝕材料及陽極塊保護(hù)要求高，樁基礎(chǔ)防腐蝕材料及陽極塊對保證結(jié)構(gòu)壽命至關(guān)重要。施工過程中須防止溜筒、袋裝混凝土、袋裝碎石、錨機(jī)鋼絲繩等對防腐蝕材料及陽極塊造成破壞。

5.2 施工原理

結(jié)合工程特點(diǎn)，采用斜向溜筒拋石技術(shù)。選用合適船舶作為斜向溜筒拋石船，將整船高度控制為5.5m，以滿足凈空要求。船邊設(shè)置行走小車，小車上方設(shè)置進(jìn)料口，與皮帶機(jī)輸料系統(tǒng)連接，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)供料。小車側(cè)向連接溜筒，溜筒由3節(jié)組成，可伸縮，可任意調(diào)節(jié)角度，溜筒端部可伸入樁群至拋填位置。溜筒頭部設(shè)有測深儀，實(shí)時監(jiān)測拋填標(biāo)高并記錄，確保拋填質(zhì)量。

5.3 施工創(chuàng)新點(diǎn)

1)姿態(tài)可控

施工船舶通過船錨移至施工點(diǎn)并固定，通過移動橫移臺車帶動溜筒至大致位置，通過溜筒伸縮、角度調(diào)整等動作，可使溜筒端部伸入樁群至拋填位置。

2)智能控制

開發(fā)專用控制軟件，液壓、電控等機(jī)械動作均由計(jì)算機(jī)控制，可視化顯示，操作簡單，僅需1名操作人員通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)圖標(biāo)即可進(jìn)行拋填，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。

3)實(shí)時監(jiān)控

開發(fā)水下實(shí)時定位監(jiān)控系統(tǒng)(見圖2)，可實(shí)時顯示斜向溜筒與鋼管樁相對位置，二者靠近時可實(shí)時報(bào)警，實(shí)現(xiàn)可視化施工。該系統(tǒng)主要由測深儀、傾斜儀、GPS定位系統(tǒng)、傳感器和專業(yè)監(jiān)控軟件組成，最重要功能是精確計(jì)算溜筒最前端平面位置與高程?；趥鞲衅鲗?shí)測數(shù)據(jù)，通過專業(yè)監(jiān)控軟件實(shí)時顯示溜筒在水中的三維姿態(tài)。提前導(dǎo)入整個施工區(qū)域所有樁基礎(chǔ)實(shí)測數(shù)據(jù)，用于實(shí)時計(jì)算溜筒與橋墩的最短距離，以便進(jìn)行碰撞預(yù)警。溜筒頭部設(shè)置測深儀，可實(shí)時監(jiān)測拋填質(zhì)量。

圖2 水下實(shí)時定位監(jiān)控系統(tǒng)可視化操作界面

4)優(yōu)質(zhì)高效

溜筒就位后，通過皮帶機(jī)輸料系統(tǒng)可連續(xù)不斷地拋投袋裝料，效率高，可達(dá)500m3/d。

5.4 施工工藝

1)斜向溜筒拋石船通過船錨移至施工區(qū)域，下放斜向溜筒，并移動至橋墩側(cè)，與橋墩保持1m安全距離。

2)啟動水下實(shí)時定位監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時顯示斜向溜筒與樁群相對位置，移動行走小車，通過溜筒伸縮及上下左右變幅插入樁群內(nèi)，使溜筒底部端口至指定位置。

3)運(yùn)輸船頂流靠泊拋石船，調(diào)節(jié)運(yùn)輸船皮帶機(jī)與斜向溜筒拋石船皮帶機(jī)受料口位置。

4)通過斜向溜筒頭部測深儀對拋填位置拋前標(biāo)高進(jìn)行掃海測量。

5)啟動斜向溜筒拋石船、運(yùn)輸船皮帶機(jī)，檢查皮帶機(jī)運(yùn)行情況。利用運(yùn)輸船上的裝載機(jī)起吊鋼絲網(wǎng)至運(yùn)輸船皮帶機(jī)受料口，拋填料通過皮帶機(jī)運(yùn)輸至斜向溜筒口進(jìn)行拋填。

6)監(jiān)控當(dāng)前拋填點(diǎn)實(shí)時標(biāo)高，拋填至設(shè)計(jì)標(biāo)高后移動溜筒至下一拋填點(diǎn)。

5.5 施工注意事項(xiàng)

1)現(xiàn)場水域環(huán)境復(fù)雜，浪大流急，定位過程中為保證溜筒不與樁基礎(chǔ)發(fā)生碰撞，須避開急漲急落潮，盡量選擇平潮施工。

2)設(shè)備運(yùn)行前，檢查驅(qū)動裝置和臺車裝置牽引鋼絲繩松緊度，及時調(diào)整鋼絲繩張力，檢查鋼絲繩夾子是否松動。

3)設(shè)備運(yùn)行過程中，注意檢查拖令電纜是否跟隨設(shè)備運(yùn)輸及液壓油管是否存在勾拉現(xiàn)象，每隔1h巡視設(shè)備，檢查設(shè)備部件是否完好、有無異響、是否漏油。

4)操作過程中應(yīng)注意觀察設(shè)備動作是否與要求一致，如果存在異常及時停止操作。

5)作業(yè)結(jié)束后，溜筒抬升至水平位置，旋轉(zhuǎn)平臺前須拔出行走小車電線與液壓油管。

6 防沖刷效果

委托專業(yè)監(jiān)測單位對防沖刷效果進(jìn)行定期監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明核心區(qū)拋填料較穩(wěn)定，未出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象。軟體排覆蓋區(qū)域地形無明顯變化，但軟體排外側(cè)邊緣存在少量沖刷，可知防護(hù)效果較好。

7 結(jié)語

當(dāng)前對已建跨海大橋橋墩防沖刷工程的實(shí)踐研究仍較缺乏，本文結(jié)合東海大橋結(jié)構(gòu)特性和水文地質(zhì)條件，針對水深、潮位變化、橋面限高等因素限制，通過采用斜向溜筒拋石技術(shù)，智能控制、實(shí)時監(jiān)控技術(shù)等，保證了拋填質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、合理、有效防護(hù)。