海水那么深,跨海大桥的桥墩是怎么“埋”进去的?

标签: 海水 跨海大桥 桥墩 | 发表时间:2019-09-08 10:00 | 作者:网易《了不起的中国制造》
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神话中孙悟空的金箍棒号称定海神针,有一万三千五百斤重,折合6.75吨,其实,它还不及现代桥梁桥墩下面的一根桩重。

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作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  随着人类的工程技术越来越高,人们对工程的要求也越来越高了。

  大楼越建越高,从前的城市地标,百米摩天大楼如今只能算是批量生产的普通住宅;从前的拱桥只要跨过条河,就能算是天下名桥,而如今的大桥不仅要跨越长江黄河、高山深谷,还要跨海,要穿过风高浪急的海峡,抵御地震、台风和经年累月的海水腐蚀……

  修建跨海大桥,其中当然有很深的学问,而支撑起这些大桥的桥墩,则是大桥安全的重中之重。今天我们就来讲讲,这些深入“东海龙宫”的桥墩是如何建成的。

方法一:浅水区“化海为陆”,围堰造桥

  不仅仅是大桥需要桥墩,任何建筑,无论高矮胖瘦,都必定需要一个扎实的、深入土层之中的基础。如果建筑无法与地基结合紧密,那即使上部结构很结实,也会发生整体的倒塌。

  工程师们修建陆上基础的技术已经很成熟,因此在涉及到海上结构施工时,人们首先想到的是,可不可以把它转化成陆上结构进行施工?

  因此,在海水比较浅的区域,工程师们通常会在施工区域周围修建围堰,简单来说,就是将要建设桥墩的地方用钢板桩、土石坝等止水结构围起来,将里面的水与外界隔开,然后,用抽水机将围堰内的水抽干,这样一来围堰内就变成了与陆地差不多的土体。

  之后,人们只需要在围堰中正常开挖、打桩、搭建钢筋笼,浇筑桥墩就可以了。等桥墩建设完成,再将围堰拆除,让桥墩周围的水域恢复原样即可。

  围堰法施工较为直接,施工难度较低,但修建围堰的工程量巨大,往往使得工期迁延很久。随着水深的增加,围堰法的工程量就会呈几何级数增加,因此,围堰法通常只适合于在水深较浅的区域施行。

  此外,修建围堰还会对水域生态环境造成破坏,阻塞航道,同时造成污染。因此,并不是所有桥墩工程都适合用围堰法修建。

  当无法设置围堰时,就需要直接对桥墩进行施工。

方法二:沉箱法——机械化要求低且不影响通航

  如何将桥墩深深地扎进海底的地层当中呢?

  一种传统的方法就是采用沉箱。沉箱是一种有顶无底的箱型结构,井筒壁的下端有刃脚,内部设置隔板,可在水中漂浮,可通过调节箱内压载水控制沉箱下沉或漂浮。顶盖上装有气闸,便于人员、材料、土进出工作室,同时保持工作室的固定气压。

气压沉箱法构造图

  在施工时,人工在内部沿筒壁挖土,由机械设备或半机械设备向井外弃土,遇到巨石便进行爆破。

  随着人在中间挖土,沉箱利用自身的重力或者外部压力逐渐下沉,随挖随沉,同时在水上部分继续浇筑新的井筒混凝土。

  当其沉到预定深度后,就将沉箱底封死,然后用混凝土填实工作室,作为重型构筑物(如桥墩、设备)的基础。

  沉箱法施工是中国土木工程师茅以升发明的,最早用于钱塘江大桥桥墩的建设,这种方法为中国几十年间的桥梁建设贡献巨大,它对机械化的程度要求较低,而且不影响通航。

  然而在沉箱中,人员必须在极高的气压下工作,作业环境极为艰苦。

  水深每增加10米,就相当于在人的身体上额外增加一个大气压,工人们一出一进,对身体的伤害是很大的,因此,在机械化程度很高的今天,采用这种方法进行桥墩施工的情况越来越少了。

  如今,也有原理类似于沉箱法但不需要工人进入沉箱中挖土的施工方法。

方法三:深水区海况复杂,修桥墩要用打桩船

  在实际工程中,人们通常会尽可能地避免在深水区建设桥墩。深水区海况复杂,施工难度高,在这里建桥墩可以说“费力不讨好”。

  如果由于线路规划等问题,不得不在深水区修建桥墩,这时就需要用到打桩船。

  用这种打桩船,可以将桩直接从水上打到海底土层之中。

  依据不同的海底岩层特征,人们可以打不同种类的桩。

  如果从海底表面到坚固基岩的距离比较短,人们就会设计较短的端承桩,靠基岩提供承载力。

  如果坚固基岩太深,桩就不得不借助摩擦力来维持承载力,这时就需要使用较长的摩擦端承桩。

  而如果桥址位于大江大河的入海口,冲积海床的厚度极深,桩无论如何也够不到基岩的时候,就会采用纯摩擦桩,依靠砂土海床的摩擦力来为桩基础提供支撑力。

  实际上,每个桥墩的下方都不只有一根桩在支撑,每座桥墩,通常有几根乃至几十根相互平行的桩协同作用。这些桩与土体之间还会协同作用,成为一个整体,在受力上类似于一根巨型桩,为桥墩提供足够的承载力。

  桩基的承载力对于桥梁安全至关重要,要想选择合适的桩基,就必须提前勘测好水下的岩石分布状况、海床土质是否松软等等因素,了解清楚水下的具体地理情况。

修建桥墩时,还需要考虑哪些问题?

  事实上,跨海大桥的桥墩并不是仅仅需要考虑承载力的要求就可以的。

  要想让桥墩安全地服役,桥梁工程师们需要考虑方方面面的问题,其中最重要的就是防腐。

  海水不同于淡水,它是一种腐蚀性很强的液体。海水中含有大量的腐蚀性离子,它们作用于混凝土结构上,会使得表面的混凝土发生劣化,进而使内部的钢材遭受锈蚀。

  海洋环境还会干湿交替,大量的海水飞沫裹挟着盐分经年累月地反复冲击结构,有害离子粘在结构表面无法脱离,再加之阳光暴晒,普通混凝土只需要短短几年就会彻底变成豆腐渣。

海洋环境示意图,受害最严重的是飞沫区

  因此,用作海洋施工的混凝土必须比普通混凝土更加致密,其内部的微孔隙更小,从而使得海洋中的离子更难透过。

  此外,工程师们还会在混凝土中添加外加剂,以使得新拌混凝土的流动性更好,硬化之后更加致密,还会使用一些工艺防止混凝土开裂,也是为了防止海水中的离子进入结构。

  同时,桥墩的钢筋也会得到特殊处理以防止锈蚀,桥墩的表面也会涂敷各种防腐材料。

  除了防腐外,跨海大桥的桥墩还必须要防撞。

  海洋船舶往往吨位较高,操纵不便,船舶撞击桥墩属于多发事故。一座大桥的桥墩在全寿命中会被撞击数十次,船舶的撞击力惊人,对桥梁结构的破坏也很大。

  为了降低碰撞造成的损失,除了加大桥墩本身的结构强度外,工程师们还在航道墩的设计与加固中,采用许多的外挂组件,比如充水胶囊。

  当船舶撞到桥墩上时,这些外挂组件会吸收掉撞击的能量,逐渐释放给桥墩,让桥墩免于结构破坏。撞击过程完成后,充水胶囊会自动进行充水,所有的防撞设施也会逐渐恢复到原状,只需要工作人员简单对受到撞击的位置稍加修理就可以再次投入使用。

设置防撞结构的桥墩

结语

  神话中孙悟空的金箍棒号称定海神针,有一万三千五百斤重,折合6.75吨,其实,它还不及桥墩下面的一根桩重。

  跨海大桥的桥墩是整座大桥最为重要的结构,是真正的“定海神针”,这些桥墩中的每一座都要服役至少120年,它们的全寿命周期都要在设计中被考虑进来。

  下次经过跨海大桥时,不妨感谢一下这些默默无闻的桥墩。

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