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      海洋橋梁工程施工技術及裝備發展研究
      2021-08-12 來源:中國工程院院刊 

        一、前言

        隨著全球經濟一體化進程的加快,連接陸地之間、陸地與島嶼間的海灣和海峽大橋,將成為交通設施中最重要的藍色紐帶。目前著名的海灣有墨西哥灣、孟加拉灣、波斯灣 、幾內亞灣、阿拉斯加灣、渤海灣、北部灣、緬因灣、舊金山灣等,另外,全世界海峽的數量更是超過了1 萬個。在海灣和海峽上修建橋梁,是人們千百年來的夢想。目前,這些夢想有的已經變為現實,有的即將實現。目前,國內外已建海洋橋梁百余座,海洋橋梁建造技術取得了較大的進步;而規劃中的墨西拿海峽大橋、白令海峽大橋、直布羅陀海峽大橋、瓊州海峽大橋、中國臺灣海峽大橋等海洋橋梁其規模、標準則更加具有挑戰性。

        已建成的東海大橋、杭州灣大橋、港珠澳大橋等海洋橋梁,在給當地的交通帶來便利的同時,也帶動和促進了經濟的發展和融合。海洋橋梁工程建設的蓬勃發展,也是我國綜合國力增強、工業化水平提高、橋梁建造技術進步的有力見證。

        海洋橋梁建造的難度,取決于橋梁結構本身,更取決于橋梁所處的海洋環境。再加上海洋橋梁規模宏大、結構龐大、構造復雜,這些都會給橋梁建造帶來諸多困難,而復雜多變的海洋環境,則是橋梁建造所面臨的巨大難題。如深水、堅硬的裸巖海床、深厚軟弱地基、臺風、雷暴、洋流及波浪等。該課題研究目的在于以海洋橋梁結構物為對象,以海洋復雜地形地質、水文氣象等為背景,著眼于未來海洋橋梁,以收集和梳理海洋橋梁建設環境為基礎,從海洋地質勘測、海洋橋梁建造技術、海洋橋梁建造裝備的現狀和發展方向出發,研究海洋橋梁工程建造關鍵技術及裝備發展,藉以準確把握、盡快攻克我國海洋橋梁建造領域的瓶頸技術、關鍵裝備,為我國的經濟建設、社會發展和海洋戰略實現貢獻力量。

        二、國內外海洋橋梁施工現狀及發展趨勢

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        我國現代跨海大橋從20 世紀80 年代修建廈門大橋開始,先后修建海洋橋梁54 座,目前正在修建的有8 座,擬建的跨海大橋有10 座,其中已建和在建的千米級橋梁6 座。

        從首座跨海大橋采用大直徑嵌巖樁開始,海洋橋梁主墩基礎基本是鉆孔樁獨領風騷,2005 年建成的東海大橋是我國第一座真正意義上的外海橋梁,它全長32.5 km,其中主橋墩基礎為樁徑2.5 m,樁長110 m 的鉆孔樁,通過對高樁平臺分析,為了減少水上平臺搭建時間,充分發揮臨時結構的各自優勢,主墩采用了蜂窩式鋼浮箱+ 導管架生產生活區平臺的組合式施工方法;主梁為鋼箱+ 混凝土頂板的結合梁,在預制場完成鋼梁制作及頂板混凝土的澆筑后由運輸船拖至墩位,其中主塔附近節段主梁由1000 t 浮吊安裝,其余節段及合龍段均由400 t橋面吊機安裝。輔通航孔樁基采用海上平臺施工,4 孔連續梁采用掛監法節段澆注。非通航孔淺水區基礎采用長棧橋配支棧橋施工鉆孔樁,連續梁采用造橋機整孔澆注;深海區非通航孔橋長20 km,基礎為斜鋼管群樁,由打樁船施打,承臺采用預制混凝土套箱施工,墩身、60 m 及70 m 混凝土主梁采用梁場制造,60 m 主梁由2500 t“大力”號浮吊安裝,70 m 主梁由 2500 t“ 小天鵝”號運架一體船安裝[1]。

        杭州灣跨海大橋設南、北兩個航道,通航孔南航道橋主塔基礎采用38 根直徑2.8 m 鉆孔灌注樁,樁長125 m,創國內跨海大橋超長鉆孔灌注樁樁基礎施工新紀錄;港珠澳大橋3 座通航孔橋(九洲航道橋、江海直達船航道橋、青州航道橋)樁基均為2.5 m鋼管復合樁 + 2.2 m 鉆孔樁。平潭公鐵兩用海峽大橋三座通航孔橋梁分別采用主跨532 m、364 m、366 m鋼桁混合梁斜拉橋結構。該橋通航孔橋主墩分別采用直徑?4.5 m 和直徑?4.0 m 鉆孔樁基礎。上述橋梁的上部結構均采用了大節段或整孔梁安裝的方法。

        我國海上吊裝設備發展較為迅速[2],海上起重船臂架主要是中心定點及固定臂架兩種模式,其中中心定點起重船最大起重量為3600 t,臂架式起重量為4000 t。目前國內最大的海上起重船為“振華30”號,固定吊重為12 000 t,回轉吊重為7000 t。

        在樁工機械中, 最大的動力頭鉆機為KTY5000,最大鉆孔直徑為5 m。

       ?。ǘ﹪夂Q髽蛄菏┕ぜ夹g現狀及發展趨勢

        國外海洋橋梁從20 世紀初美國金門大橋開始,已建、在建和規劃中的跨海大橋共有73 座,其中已建55 座,在建5 座,擬建13 座。

        早期的美國跨海大橋,多采用氣壓沉箱基礎。1936 年建成的美國舊金山奧克蘭大橋在水深32 m、覆蓋層厚54.7 m 的條件下,采用60 m × 28 m 浮運沉井,在定位后射水、吸泥下沉,基礎入土深度達73.28 m。

        在丹麥,其悠久的建橋歷史也可以折射出世界橋梁的發展過程。1935 年丹麥小海帶橋在水深達30 m 的條件下,采用43.5 m × 22 m 的鋼筋混凝土沉箱,穿透了細密均勻堅硬的不透水深層黏土,基礎深度達39 m。1998 年建成跨度1624 m 的大海帶橋主塔墩基礎采用了重32 000 t 的設置基礎。2000 年建成連接丹麥與瑞典的厄勒海峽大橋[3],主塔墩設置基礎長37 m × 35 m、高22.5 m,自重20 000 t。51 個引橋墩的設置基礎,采用整體預制和現場拼裝的方案。

        日本1970 年建成的歧阜縣大橋和新木曾川橋,采用了無人挖掘系統開挖沉箱,分別將21.5 m 和18 m 的沉箱下沉就位。1970—2000 年,日本所建橋梁很大比例采用了沉箱基礎。如日本備贊瀨戶大橋錨墩采用的沉箱基礎[4],最大尺寸為75 m × 59 m ×50 m。世界最大跨度的明石海峽大橋采用了圓形的設置基礎[5],其直徑達80 m,高79 m,可謂是前所未有的龐然大物。日本橋梁基礎中也有采用鐘形基礎,鎖口鋼管樁基礎和多柱式基礎等,可謂種類繁多,對各種基礎形式都有所涉及和發展。

        在海上起重設備方面,國外船舶吊裝能力主要集中在1500~3000 t。世界上最大自行式浮吊“天鵝”或“長頸天鵝”由C 形雙體船與巨大的立體鋼構架組成,總體尺寸為94 m × 72 m × 102 m(高),額定吊重7000 t,是為丹麥大貝爾特橋專門打造的[6]。在修建厄勒海峽大橋時,由于主橋梁長與重量分別達190 m 與8200 t,所以將“長頸天鵝”號在法國鄧克爾克改造成最大提升高度為76 m(原為50 m),最大起重量為8700 t。

        在樁工機械方面,主要有鉆機、打樁船和打樁設備。旋轉鉆機最大鉆孔直徑為4.4 m,屬日本MD440 大口徑鉆機,旋挖鉆機的典型代表為BAUER BG38,最大鉆孔直徑為3.0 m。打樁設備以荷蘭和德國為主,德國MHU3500S 液壓錘最大打擊能量達3500 kJ。

        三、海洋橋梁施工關鍵技術及發展研究

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        1. 設置基礎

        海洋橋梁設置基礎具有體積重量大、基礎面積大、承載力高、剛度大、抗船撞、抗震能力強的優點,特別適用于地質條件復雜的深水環境。蕪湖公鐵二橋3 號主塔為設置鋼沉井的圓端形結構(見圖1),基底尺寸為65 m × 35 m,鋼沉井高19.5 m。底節鋼沉井采用氣囊法下河,利用拖輪浮運到墩位。系泊錨碇對底節沉井初步定位,再接高沉井和圍堰并注水下沉至設計高程。沉井外側壁與爆破開挖的基坑壁之間拋填碎石進行堵漏。爆破時采用斜向梅花形布孔的微差起爆技術,以達到塊度均勻的效果,前期使用貝型抓斗清渣效率很低,后改用2 臺重型多瓣式抓斗同時作業,提高了出碴效率。

        

        圖 1 蕪湖公鐵二橋3 號墩

        隨著海洋橋梁向大跨、深水及重載發展,設置基礎平面尺寸可能達到100 m × 100 m 的規模,重量可達十幾萬噸,這樣對施工設備的要求將會更高,因此,必須從選擇制造加工場地、研發重型裝備(起吊、安裝、浮運等)和特殊裝備(深水地下挖掘、整平等)的技術可行性和可靠性出發,深入研究水下工程無人化施工和智能化裝備,經過分析重點研究以下技術。

       ?。?)對船塢尺寸(至少150 m × 200 m)、吊裝設備性能(需跨度150 m 以上,吊高150 m 的大型龍門吊機,吊重2000 t 以上以滿足分節吊裝接高需要)、船塢地基承載力等要求較高,同時整體下水出塢措施應專項研究。

       ?。?)研究助浮措施減少基礎吃水深度,從而降低拖運力,首選對無底多隔艙的結構物在浮運中的水流阻力計算方法做模擬及驗證分析。針對海洋區域風大、浪高、流急等復雜海況,對遠距離浮運過程中的穩定性進行研究。

       ?。?)波浪力對設置基礎及定位結構產生的影響,目前的理論還不完善,應進行模擬、分析及試驗性的專項研究。

       ?。?)墩位處精確定位錨泊力較大,著床后的基礎處理是難點,應對錨碇形式、著床控制、基底處理等進一步研究。

        2. 沉井基礎

        滬通長江大橋主塔墩28 號、29 號墩沉井基礎鋼沉井高分別為50 m 和56 m,考慮刃腳混凝土灌注和定位加固后結構重達15 000 t 和17 000 t,是目前世界上截面尺寸最大、高度最高的沉井基礎。28 號、29 號主墩水深分別為20 m 和30 m,沉井最大錨泊力分別為6940 kN 和9600 kN,施工采用了大直徑鋼管樁錨碇新方案。

        沉井的制造及運輸采用“船塢內整體制造、整體出塢浮運”的方法。鋼沉井在工廠內分節加工制造,在廠內船塢內(長580 m,寬190 m,深13.5 m)完成沉井整體拼裝。鋼沉井采取助浮措施浮運出塢(見圖2),利用拖輪浮運到橋位進行定位。底節沉井著床穩定后現場分步接高混凝土節段(見圖3)。

        

        圖 2 鋼沉井出塢浮運

        

        圖 3 上部混凝土沉井接高

        海上橋梁沉井基礎尺寸一般比較龐大,如采用整體預制(混凝土沉井),目前的機械設備都不可能直接吊裝。如采用先鋼沉井后灌注砼的方法,其后續水上混凝土施工方量巨大,動用的大型水上砼船較多,施工周期長,作業風險大;如采用分段施工,接縫的安裝設計是工程中要面臨的重大技術挑戰,且此技術還尚未有較成熟完善的方法,需開展專項課題做進一步研究,因此結合海上施工環境應提前研究以下技術。

       ?。?)沉井制造、浮運技術。一般大型沉井在橋位附近制造,以減少遠距離浮運的風險。沉井井壁建議采用預制拼裝,由大型浮吊分塊吊裝后現澆濕接縫,目前,需研究船塢的功能及建造技術、井壁預制及連接技術。

       ?。?)目前沉井下沉主要以水力吸泥機和空氣吸泥機為主,成本較低。目前沉井施工時在減少沉井側面摩阻力等方面做了諸多有益的嘗試,但在沉井主動下沉技術和遠程控制等方面,還需投入專門力量進行深入研究。

       ?。?)需開展水下挖掘裝備、水下智能檢測機器人在海洋深水環境中的應用研究。

        3. 大直徑鋼樁基礎

        對于覆蓋層較厚的海上橋梁,采用大直徑鋼樁是橋梁基礎的重要發展結構形式之一。鋼樁插打主要有兩種方式:固定導向架+ 沖擊錘插打(見圖4),打樁船插打(見圖5)。

        

        圖 4 固定導向架插打鋼樁

        

        圖 5 打樁船插打鋼樁

        固定導向架插打鋼樁具有以下優點:①施工精度較高,一般通過多層導向調整使鋼樁傾斜度的偏差小于1/100,平面偏差在50 mm 以內;②降低施工裝備的配置參數,對于長樁,在無法整節施工時,可分段安裝。其缺點主要表現在:①施工效率低,鋼結構用量大,導向架安裝耗費時間長;②在超水深條件下其適應性大大降低。

        打樁船插打鋼樁[7]的優點包括:①效率高,打樁船插打鋼樁其效率一般是固定式導向架的3 倍以上,鋼樁的調整也相對較快;②水深對樁基施工影響相對較??;③對海洋環境的適應性更好。而其缺點包括:①對打樁船性能及技術參數要求高,其自身穩定性也是重要的制約因素;②施工費用相對較高,機械裝備較為先進,造價不菲;③單個墩位鋼樁數量較多時,其樁位方向變化較大,其施工的便利性較差。針對深水海洋橋梁,大直徑鋼樁的應用還需深入研究以下技術。

       ?。?)開展深水海洋橋梁大直徑鋼樁的應用試驗研究,選擇鋼樁的合理結構形式。深入開展海洋鋼樁防腐措施及防腐工藝研究。

       ?。?)提高大功率液壓沖擊錘的研發力度,開展打樁船快速化裝備的應用研究。

       ?。?)開展鋼斜樁樁內取土、樁底壓漿等裝備及工藝研究。

       ?。ǘ┖Q髽蛄荷喜拷Y構建造技術及發展研究

        1. 大跨度斜拉橋

        大跨度斜拉橋是海洋橋梁的常用結構形式。其上部結構關鍵技術主要包括主塔、主梁及斜拉索的施工。

        目前,混凝土主塔的爬模施工技術已經比較成熟,今后需研究模板結構一體化的施工技術。對于鋼混結合的主塔結構,需研究鋼混拼縫形式、連接方式、傳力模式等。在快速化施工技術方面,研制自動化程度及施工精度高的施工機具,研究預制和現澆結合的施工新技術。

        對于鋼塔結構,應重點關注焊、栓還是栓焊組合設計選擇研究。鋼塔的快速化施工技術[8],主要有大型塔吊分節段施工技術(見圖6),大型浮吊分節段或者整節段豎轉施工技術(見圖7)。

        

        圖 6 塔吊安裝鋼塔節段

        

        圖 7 浮吊安裝鋼塔節段

        海上大跨度斜拉橋主梁有鋼桁梁、鋼箱梁及混合梁等結構形式。主梁一般采用鋼桁梁,且多為雙主桁或三主桁斷面形式。鋼梁架設方法基本有散拼、桁片吊裝、節段吊裝和整孔吊裝幾種。隨著現代工業裝備及科學技術的發展,鋼梁制造和架設工藝得到了巨大進步,目前正在修建的滬通長江大橋采用雙節段吊裝法(見圖8),平潭鐵路跨海大橋采用整孔安裝技術(見圖9)。

        

        圖 8 滬通長江大橋雙節段鋼梁架設

        

        圖 9 平潭鐵路跨海大橋80 m 鋼桁梁整孔

        鋼梁架設所用的海上船舶在工作時,風、浪、流等對其干擾嚴重,因此船舶定位是一項需要解決的難題,這時應結合各專業科技手段,通過計算機控制自身推力器,保持船舶的航向和精準定位[9]。

        斜拉橋的拉索錨固定于塔、梁上,施工時有放索、牽引、安裝等過程,工序較多,特別是隨著橋跨加大,安裝拉索時要具有較大的起吊設備,同時牽引力增大,牽引距離增長,所需設備也較多。因此,研究智能型的斜拉索安裝技術是海洋橋梁的發展需求。

        2. 大跨度懸索橋

        大跨度懸索橋是海洋橋梁的主要結構形式,其中鋼塔鋼梁是未來發展的重點。

        在馬鞍山公路大橋、鸚鵡洲長江大橋、楊泗港長江大橋中墩鋼塔均采用D5200 型塔吊安裝。鋼塔施工方法一般有以下幾種:整體豎轉法是將鋼塔在工廠預制拼裝成整體,然后運輸至現場,利用起吊設備或轉向系統將主塔整體翻轉到位;爬升式吊機架設法,是指吊機依附于塔柱側壁自動爬升,逐段架設塔柱節段,日本本四聯絡線的下津井瀨戶大橋、南北備贊瀨戶大橋都采用這種方式,其最大額定起重量達130 t;自動升降式塔吊架設法,利用主塔強度,將塔吊和主塔臨時固結,有效縮短了塔吊自身高度,提高了塔吊垂直運輸距離,節省了大量的機具設備和人力,日本明石海峽大橋塔身采用160 t自動升降式塔吊安裝;浮吊大節段架設法,由浮吊直接安裝,但對吊重及吊高有一定的局限。

        懸索橋加勁梁一般采用桁梁截面形式,按吊桿間距分節。安裝時一般采用架梁吊機桁片架設、纜載吊機、浮吊三種方式。桁片架設時(見圖10),架梁吊機和運梁小車相結合使用,采用組拼桁片,極大限度地節省施工場地,但施工速度慢,受風影響較大。纜載吊機法,占用航道的影響較小,是懸索橋主梁常用的架設方法(見圖11),目前,最大吊裝重量已達1000 t。浮吊安裝法,配合船只較多,特別是對浮吊的技術參數要求高,設備一般較大。經過梳理,懸索橋主梁安裝應對加勁梁運輸定位、大型吊裝設備、施工對主梁結構影響控制等方面進行深入研究。

        

        圖 10 架梁吊機桁片安裝

        

        圖 11 纜載吊機安裝加勁梁示意圖

        懸索橋主纜一般采用貓道施工。貓道的功能是作為索股牽引、索股調整、主纜緊固、索夾及吊索安裝、鋼箱梁吊裝、主纜纏絲防護等施工平臺?,F階段的貓道施工應對先導索的架設及抗風穩定減振措施開展專門的設計和研究。

        主纜牽引最早采用空中編纜法(AS),目前預制束股法(PPWS)是最常用的方式。由于PPWS法的索盤較重,因此場內運輸需采用較大的起重設備才能實現。因此,海洋環境下的主索存放索場地的構建及其相關影響性分析、主纜防腐技術是需要重點研究的內容。

       ?。ㄈ┲悄芑畔⑵脚_技術

        研究智能化施工技術是現代橋梁智慧建造的重要手段。通過智能工裝集中、施工監測監控、標準化施工等融合,建筑信息模型(BIM)可用來事前結合工期計劃虛擬推演施工方案,驗證方案實施可行性,優化施工順序和資源配置,確保方案安全、合理、經濟。施工中將主體及施工結構用BIM 建模,在實景模型上布置項目駐地、橋位施工區、生產車間等作業場面,形象直觀地展現項目整體部署,在辦公區就可實時監控監測現場操作安全和施工質量。

        四、結語

        近20 年來,我國海洋橋梁建造取得了舉世矚目的偉大成就。但在更加復雜和惡劣的海洋環境下,我國海上橋梁的建造技術和相關裝備還將面臨更多新挑戰,為提高海上橋梁施工效率,保證施工安全和質量,未來海洋橋梁建造將在大直徑鋼樁、沉井沉箱、設置基礎、大節段或整孔鋼梁等施工大型化和裝配化的方向發展,同時伴隨著智能建造將會迎來海洋橋梁工程施工技術發展的新時代。



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