東海大橋深水群樁基礎防沖刷設計與施工

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，設計速度80km/h，橋面寬31.5m。下部基礎采用高樁承臺結構，樁基礎采用φ1 500mm鋼管樁，每個承臺布置15～20根樁基礎。

2 沖刷現狀

東海大橋海區最常見的底質沉積物為黏土質粉砂。根據大橋區域泥面2008—2018年掃測資料，大橋軸線水域普遍存在沖刷現象，并在每個橋墩下部形成沖刷坑。至2018年，沖刷坑最大沖深達-19m警戒點的橋墩已達284處，其中最大沖深達-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，大橋將繼續受到沖刷。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，導致紊流、渦流，使泥砂被掀起并帶走，造成樁周圍出現沖刷坑。

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，橫向穩定性變差，從而影響結構安全。因此，對于超過沖刷警戒值的樁基礎，須及時采取防護措施。

4 防沖刷設計

橋墩局部沖刷防護工程一直是防止橋梁水毀的重要措施，傳統防護措施包括：①實體抗沖防護 通過在橋墩周圍泥床面上放置實體材料，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；②減速不沖防護 通過在橋墩周圍設計某些裝置或通過改變橋墩自身結構，達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，采用實體抗沖防護，沖刷坑核心區內拋填袋裝碎石及袋裝混凝土，拋填區域按標高控制。在兩側海床鋪設混凝土聯鎖塊軟體排，軟體排每側寬30m，以增加海床抗沖刷能力，并減少海床面泥砂顆粒起動。沖刷坑主體防護結構自上而下依次為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域，混凝土強度等級不低于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受紊流作用而被淘刷。樁基礎防沖刷斷面如圖1所示。

圖1 樁基礎防沖刷斷面

5 防沖刷施工

軟體排鋪設工藝較成熟，主要利用專業鋪排船施工。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，在密集群樁中精確拋填是防沖刷施工的關鍵。

5.1 施工難點

1)東海大橋受夏季臺風、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地氣象條件，以合理調度施工設備。

2)工程所在水域浪大流急，需加強船舶錨泊能力，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、樁基礎，進行樁基礎防沖刷施工的同時，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停靠至橋面下墩臺側，傳統的吊機船和運輸船無法滿足要求。

4)東海大橋墩臺下部鋼管樁數量多，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，傳統的水下拋石法及拋石設備并不適用，宜采用斜向溜筒拋填方式，溜筒拋填為本工程關鍵施工技術。

5)對樁基礎防腐蝕材料及陽極塊保護要求高，樁基礎防腐蝕材料及陽極塊對保證結構壽命至關重要。施工過程中須防止溜筒、袋裝混凝土、袋裝碎石、錨機鋼絲繩等對防腐蝕材料及陽極塊造成破壞。

5.2 施工原理

結合工程特點，采用斜向溜筒拋石技術。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。船邊設置行走小車，小車上方設置進料口，與皮帶機輸料系統連接，可實現連續供料。小車側向連接溜筒，溜筒由3節組成，可伸縮，可任意調節角度，溜筒端部可伸入樁群至拋填位置。溜筒頭部設有測深儀，實時監測拋填標高并記錄，確保拋填質量。

5.3 施工創新點

1)姿態可控

施工船舶通過船錨移至施工點并固定，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

開發專用控制軟件，液壓、電控等機械動作均由計算機控制，可視化顯示，操作簡單，僅需1名操作人員通過鼠標點擊相應圖標即可進行拋填，可實現人機對話。

3)實時監控

開發水下實時定位監控系統(見圖2)，可實時顯示斜向溜筒與鋼管樁相對位置，二者靠近時可實時報警，實現可視化施工。該系統主要由測深儀、傾斜儀、GPS定位系統、傳感器和專業監控軟件組成，最重要功能是精確計算溜筒最前端平面位置與高程。基于傳感器實測數據，通過專業監控軟件實時顯示溜筒在水中的三維姿態。提前導入整個施工區域所有樁基礎實測數據，用于實時計算溜筒與橋墩的最短距離，以便進行碰撞預警。溜筒頭部設置測深儀，可實時監測拋填質量。

圖2 水下實時定位監控系統可視化操作界面

4)優質高效

溜筒就位后，通過皮帶機輸料系統可連續不斷地拋投袋裝料，效率高，可達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域，下放斜向溜筒，并移動至橋墩側，與橋墩保持1m安全距離。

2)啟動水下實時定位監控系統，實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，使溜筒底部端口至指定位置。

3)運輸船頂流靠泊拋石船，調節運輸船皮帶機與斜向溜筒拋石船皮帶機受料口位置。

4)通過斜向溜筒頭部測深儀對拋填位置拋前標高進行掃海測量。

5)啟動斜向溜筒拋石船、運輸船皮帶機，檢查皮帶機運行情況。利用運輸船上的裝載機起吊鋼絲網至運輸船皮帶機受料口，拋填料通過皮帶機運輸至斜向溜筒口進行拋填。

6)監控當前拋填點實時標高，拋填至設計標高后移動溜筒至下一拋填點。

5.5 施工注意事項

1)現場水域環境復雜，浪大流急，定位過程中為保證溜筒不與樁基礎發生碰撞，須避開急漲急落潮，盡量選擇平潮施工。

2)設備運行前，檢查驅動裝置和臺車裝置牽引鋼絲繩松緊度，及時調整鋼絲繩張力，檢查鋼絲繩夾子是否松動。

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

4)操作過程中應注意觀察設備動作是否與要求一致，如果存在異常及時停止操作。

5)作業結束后，溜筒抬升至水平位置，旋轉平臺前須拔出行走小車電線與液壓油管。

6 防沖刷效果

委托專業監測單位對防沖刷效果進行定期監測。監測結果表明核心區拋填料較穩定，未出現沖刷現象。軟體排覆蓋區域地形無明顯變化，但軟體排外側邊緣存在少量沖刷，可知防護效果較好。

7 結語

當前對已建跨海大橋橋墩防沖刷工程的實踐研究仍較缺乏，本文結合東海大橋結構特性和水文地質條件，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，智能控制、實時監控技術等，保證了拋填質量，實現了經濟、合理、有效防護。