一、前言
隨著全球經(jīng)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(shè)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(nèi)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(shù)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(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實，有的即將實現(xiàn)。目前，國內(nèi)外已建海洋橋梁百余座，海洋橋梁建造技術(shù)取得了較大的進步；而規(guī)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(guī)模、標準則更加具有挑戰(zhàn)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?shù)氐慕煌◣肀憷耐瑫r，也帶動和促進了經(jīng)濟的發(fā)展和融合。海洋橋梁工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，也是我國綜合國力增強、工業(yè)化水平提高、橋梁建造技術(shù)進步的有力見證。
海洋橋梁建造的難度，取決于橋梁結(jié)構(gòu)本身，更取決于橋梁所處的海洋環(huán)境。再加上海洋橋梁規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)龐大、構(gòu)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(huán)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(jié)構(gòu)物為對象，以海洋復雜地形地質(zhì)、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(shè)環(huán)境為基礎(chǔ)，從海洋地質(zhì)勘測、海洋橋梁建造技術(shù)、海洋橋梁建造裝備的現(xiàn)狀和發(fā)展方向出發(fā)，研究海洋橋梁工程建造關(guān)鍵技術(shù)及裝備發(fā)展，藉以準確把握、盡快攻克我國海洋橋梁建造領(lǐng)域的瓶頸技術(shù)、關(guān)鍵裝備，為我國的經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展和海洋戰(zhàn)略實現(xiàn)貢獻力量。
二、國內(nèi)外海洋橋梁施工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
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我國現(xiàn)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(chǔ)基本是鉆孔樁獨領(lǐng)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(chǔ)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(fā)揮臨時結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)勢，主墩采用了蜂窩式鋼浮箱+ 導管架生產(chǎn)生活區(qū)平臺的組合式施工方法；主梁為鋼箱+ 混凝土頂板的結(jié)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(jié)段主梁由1000 t 浮吊安裝，其余節(jié)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(xù)梁采用掛監(jiān)法節(jié)段澆注。非通航孔淺水區(qū)基礎(chǔ)采用長棧橋配支棧橋施工鉆孔樁，連續(xù)梁采用造橋機整孔澆注；深海區(qū)非通航孔橋長20 km，基礎(chǔ)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(shè)南、北兩個航道，通航孔南航道橋主塔基礎(chǔ)采用38 根直徑2.8 m 鉆孔灌注樁，樁長125 m，創(chuàng)國內(nèi)跨海大橋超長鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)。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(chǔ)。上述橋梁的上部結(jié)構(gòu)均采用了大節(jié)段或整孔梁安裝的方法。
我國海上吊裝設(shè)備發(fā)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(nèi)最大的海上起重船為“振華30”號，固定吊重為12 000 t，回轉(zhuǎn)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(shù)現(xiàn)狀及發(fā)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(guī)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(chǔ)。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(chǔ)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(fā)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(chǔ)深度達39 m。1998 年建成跨度1624 m 的大海帶橋主塔墩基礎(chǔ)采用了重32 000 t 的設(shè)置基礎(chǔ)。2000 年建成連接丹麥與瑞典的厄勒海峽大橋[3]，主塔墩設(shè)置基礎(chǔ)長37 m × 35 m、高22.5 m，自重20 000 t。51 個引橋墩的設(shè)置基礎(chǔ)，采用整體預制和現(xiàn)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(tǒng)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(chǔ)。如日本備贊瀨戶大橋錨墩采用的沉箱基礎(chǔ)[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(shè)置基礎(chǔ)[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(chǔ)中也有采用鐘形基礎(chǔ)，鎖口鋼管樁基礎(chǔ)和多柱式基礎(chǔ)等，可謂種類繁多，對各種基礎(chǔ)形式都有所涉及和發(fā)展。
在海上起重設(shè)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(gòu)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?qū)ｉT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(shè)備。旋轉(zhuǎn)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(shè)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(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展研究
?。ㄒ唬┖Ｑ笊钏A(chǔ)建造技術(shù)及發(fā)展研究
1. 設(shè)置基礎(chǔ)
海洋橋梁設(shè)置基礎(chǔ)具有體積重量大、基礎(chǔ)面積大、承載力高、剛度大、抗船撞、抗震能力強的優(yōu)點，特別適用于地質(zhì)條件復雜的深水環(huán)境。蕪湖公鐵二橋3 號主塔為設(shè)置鋼沉井的圓端形結(jié)構(gòu)（見圖1），基底尺寸為65 m × 35 m，鋼沉井高19.5 m。底節(jié)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(jié)沉井初步定位，再接高沉井和圍堰并注水下沉至設(shè)計高程。沉井外側(cè)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(shù)，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(yè)，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(fā)展，設(shè)置基礎(chǔ)平面尺寸可能達到100 m × 100 m 的規(guī)模，重量可達十幾萬噸，這樣對施工設(shè)備的要求將會更高，因此，必須從選擇制造加工場地、研發(fā)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(shù)可行性和可靠性出發(fā)，深入研究水下工程無人化施工和智能化裝備，經(jīng)過分析重點研究以下技術(shù)。
?。?）對船塢尺寸（至少150 m × 200 m）、吊裝設(shè)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(jié)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(yīng)專項研究。
?。?）研究助浮措施減少基礎(chǔ)吃水深度，從而降低拖運力，首選對無底多隔艙的結(jié)構(gòu)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(qū)域風大、浪高、流急等復雜海況，對遠距離浮運過程中的穩(wěn)定性進行研究。
?。?）波浪力對設(shè)置基礎(chǔ)及定位結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，目前的理論還不完善，應(yīng)進行模擬、分析及試驗性的專項研究。
（4）墩位處精確定位錨泊力較大，著床后的基礎(chǔ)處理是難點，應(yīng)對錨碇形式、著床控制、基底處理等進一步研究。
2. 沉井基礎(chǔ)
滬通長江大橋主塔墩28 號、29 號墩沉井基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(chǔ)。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(nèi)整體制造、整體出塢浮運”的方法。鋼沉井在工廠內(nèi)分節(jié)加工制造，在廠內(nèi)船塢內(nèi)（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(jié)沉井著床穩(wěn)定后現(xiàn)場分步接高混凝土節(jié)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(chǔ)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(shè)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(xù)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(yè)風險大；如采用分段施工，接縫的安裝設(shè)計是工程中要面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)，且此技術(shù)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(jié)合海上施工環(huán)境應(yīng)提前研究以下技術(shù)。
?。?）沉井制造、浮運技術(shù)。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(xiàn)澆濕接縫，目前，需研究船塢的功能及建造技術(shù)、井壁預制及連接技術(shù)。
?。?）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(cè)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(shù)和遠程控制等方面，還需投入專門力量進行深入研究。
（3）需開展水下挖掘裝備、水下智能檢測機器人在海洋深水環(huán)境中的應(yīng)用研究。
3. 大直徑鋼樁基礎(chǔ)
對于覆蓋層較厚的海上橋梁，采用大直徑鋼樁是橋梁基礎(chǔ)的重要發(fā)展結(jié)構(gòu)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(yōu)點：①施工精度較高，一般通過多層導向調(diào)整使鋼樁傾斜度的偏差小于1/100，平面偏差在50 mm 以內(nèi)；②降低施工裝備的配置參數(shù)，對于長樁，在無法整節(jié)施工時，可分段安裝。其缺點主要表現(xiàn)在：①施工效率低，鋼結(jié)構(gòu)用量大，導向架安裝耗費時間長；②在超水深條件下其適應(yīng)性大大降低。
打樁船插打鋼樁[7]的優(yōu)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(diào)整也相對較快；②水深對樁基施工影響相對較??；③對海洋環(huán)境的適應(yīng)性更好。而其缺點包括：①對打樁船性能及技術(shù)參數(shù)要求高，其自身穩(wěn)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(shù)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(yīng)用還需深入研究以下技術(shù)。
?。?）開展深水海洋橋梁大直徑鋼樁的應(yīng)用試驗研究，選擇鋼樁的合理結(jié)構(gòu)形式。深入開展海洋鋼樁防腐措施及防腐工藝研究。
（2）提高大功率液壓沖擊錘的研發(fā)力度，開展打樁船快速化裝備的應(yīng)用研究。
（3）開展鋼斜樁樁內(nèi)取土、樁底壓漿等裝備及工藝研究。
?。ǘ┖Ｑ髽蛄荷喜拷Y(jié)構(gòu)建造技術(shù)及發(fā)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(jié)構(gòu)形式。其上部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)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(shù)已經(jīng)比較成熟，今后需研究模板結(jié)構(gòu)一體化的施工技術(shù)。對于鋼混結(jié)合的主塔結(jié)構(gòu)，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(shù)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(xiàn)澆結(jié)合的施工新技術(shù)。
對于鋼塔結(jié)構(gòu)，應(yīng)重點關(guān)注焊、栓還是栓焊組合設(shè)計選擇研究。鋼塔的快速化施工技術(shù)[8]，主要有大型塔吊分節(jié)段施工技術(shù)（見圖6），大型浮吊分節(jié)段或者整節(jié)段豎轉(zhuǎn)施工技術(shù)（見圖7）。
圖 6 塔吊安裝鋼塔節(jié)段
圖 7 浮吊安裝鋼塔節(jié)段
海上大跨度斜拉橋主梁有鋼桁梁、鋼箱梁及混合梁等結(jié)構(gòu)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(shè)方法基本有散拼、桁片吊裝、節(jié)段吊裝和整孔吊裝幾種。隨著現(xiàn)代工業(yè)裝備及科學技術(shù)的發(fā)展，鋼梁制造和架設(shè)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(jié)段吊裝法（見圖8），平潭鐵路跨海大橋采用整孔安裝技術(shù)（見圖9）。
圖 8 滬通長江大橋雙節(jié)段鋼梁架設(shè)
圖 9 平潭鐵路跨海大橋80 m 鋼桁梁整孔
鋼梁架設(shè)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(yīng)結(jié)合各專業(yè)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(shè)備，同時牽引力增大，牽引距離增長，所需設(shè)備也較多。因此，研究智能型的斜拉索安裝技術(shù)是海洋橋梁的發(fā)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(jié)構(gòu)形式，其中鋼塔鋼梁是未來發(fā)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(zhuǎn)法是將鋼塔在工廠預制拼裝成整體，然后運輸至現(xiàn)場，利用起吊設(shè)備或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將主塔整體翻轉(zhuǎn)到位；爬升式吊機架設(shè)法，是指吊機依附于塔柱側(cè)壁自動爬升，逐段架設(shè)塔柱節(jié)段，日本本四聯(lián)絡(luò)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(shè)法，利用主塔強度，將塔吊和主塔臨時固結(jié)，有效縮短了塔吊自身高度，提高了塔吊垂直運輸距離，節(jié)省了大量的機具設(shè)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(jié)段架設(shè)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(jié)。安裝時一般采用架梁吊機桁片架設(shè)、纜載吊機、浮吊三種方式。桁片架設(shè)時（見圖10），架梁吊機和運梁小車相結(jié)合使用，采用組拼桁片，極大限度地節(jié)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(shè)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(shù)參數(shù)要求高，設(shè)備一般較大。經(jīng)過梳理，懸索橋主梁安裝應(yīng)對加勁梁運輸定位、大型吊裝設(shè)備、施工對主梁結(jié)構(gòu)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(diào)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(xiàn)階段的貓道施工應(yīng)對先導索的架設(shè)及抗風穩(wěn)定減振措施開展專門的設(shè)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(nèi)運輸需采用較大的起重設(shè)備才能實現(xiàn)。因此，海洋環(huán)境下的主索存放索場地的構(gòu)建及其相關(guān)影響性分析、主纜防腐技術(shù)是需要重點研究的內(nèi)容。
?。ㄈ┲悄芑畔⑵脚_技術(shù)
研究智能化施工技術(shù)是現(xiàn)代橋梁智慧建造的重要手段。通過智能工裝集中、施工監(jiān)測監(jiān)控、標準化施工等融合，建筑信息模型（BIM）可用來事前結(jié)合工期計劃虛擬推演施工方案，驗證方案實施可行性，優(yōu)化施工順序和資源配置，確保方案安全、合理、經(jīng)濟。施工中將主體及施工結(jié)構(gòu)用BIM 建模，在實景模型上布置項目駐地、橋位施工區(qū)、生產(chǎn)車間等作業(yè)場面，形象直觀地展現(xiàn)項目整體部署，在辦公區(qū)就可實時監(jiān)控監(jiān)測現(xiàn)場操作安全和施工質(zhì)量。
四、結(jié)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(huán)境下，我國海上橋梁的建造技術(shù)和相關(guān)裝備還將面臨更多新挑戰(zhàn)，為提高海上橋梁施工效率，保證施工安全和質(zhì)量，未來海洋橋梁建造將在大直徑鋼樁、沉井沉箱、設(shè)置基礎(chǔ)、大節(jié)段或整孔鋼梁等施工大型化和裝配化的方向發(fā)展，同時伴隨著智能建造將會迎來海洋橋梁工程施工技術(shù)發(fā)展的新時代。
