深水基础.doc

深水基础的设计与施工

吴兴序 编

西南交通大学岩土工程系
2006.3

内 容

1 深水基础的特点和常用类型 1
1.1 深水基础的特点 1
1.2 深水基础的常用类型 1
1.3 深水基础的类型选择 1
1.3.1 深水基础选型的控制条件 1
1.3.2 南京长江大桥的基础选型 5
2 深水基础的施工技术 8
2.1 水下地基勘察 8
2.1.1 水下地基勘察的重要性和特殊性 8
2.2.1 水下地基探测的内容与要求 9
2.2 防水围堰施工 10
2.2.1 工程中常用的围堰类型 10
2.2.2 有支撑单壁板桩围堰 10
2.2.3 双壁板桩围堰 11
2.2.4 双壁钢壳防水围堰 12
2.3 桩基础和管柱基础施工 13
2.3.1 水中打桩方法 13
2.3.2 钻孔埋设桩 14
2.3.3 钻孔灌注桩 14
2.3.4 管柱 14
2.4 沉井基础施工 14
2.4.1 沉井的特点和结构形式 14
2.4.2 筑岛下沉的沉井基础 15
2.4.3 浮运沉井 15
2.4.4 下沉过程中的常见问题及处理方法 15
2.5 沉箱基础施工 16
2.5.1 沉箱的特点和结构形式 16
2.5.2　筑岛下沉的沉箱基础 16
2.5.3　浮运沉箱 16
2.6 地下连续墙基础施工 16
2.6.1 地下连续墙的结构形式 16
2.6.2 地下连续墙的施工 17
3 深水基础的设计计算 17
3.1 沉井基础的设计与计算 17
3.1.1 沉井尺寸的确定 17
3.1.2 施工过程中的检算 17
3.1.3 使用条件下的检算 19
3.2 桩基础的设计与计算 20
3.2.1 桩基的设计原则 20
3.2.2 桩的荷载传递的一般规律 21
3.2.3 单桩的竖向承载力 22
3.2.4 单桩的轴向刚度 23
3.2.5 单桩的横向刚度 23
3.2.6 群桩基础的承载力 24
3.2.7 群桩基础的整体分析 24
3.2.8 桩顶作用力的简化计算 26
3.2.9 桩基沉降计算 27

1 深水基础的特点和常用类型
1.1 深水基础的特点
深水基础的基本特点在于深水环境。由于水环境的影响，深水基础的地基勘察、基础选型、埋置深度、荷载计算、施工方式、质量控制和设计检算等均与通常情况下有较大差异。
桥梁墩台基础均在地面或水面以下，其施工条件和受力状况都和上部结构不同，尤其是深水中修筑埋于河床很深的大型桥梁墩台基础的技术特别复杂，修筑好后又淹埋于水、土中，进行检查和修补很困难，属于隐蔽工程。所以，在设计和施工中对它进行认真研究和考虑是极为必要的。
基础工程中的所谓“浅水”或“深水”目前尚没有明确的定量界限，但根据一般传统的土力学地基及基础所介绍的水中围堰概念：当水深在5~6m以上时，可采用钢板桩围堰；由于它的强度高，能抵抗较大的弯矩，防水性能也很好，故特别适应于修筑深水基础。由此，可暂将深水基础定义为：水深在5~6m以上，不能采用一般的土围堰、木板桩围堰等防水技术施工的基础称为深水基础。
深水基础在设计和施工方面的特点在于：
（1）受力更为复杂；
（2）水文条件的控制作用更明显；
（3）需要考虑水中介质和物体对基础的作用；
（4）勘察、施工和质检更困难；
（5）施工因素对设计方案的影响更强；
（6）基础类型的选择更重要；
（7）质量控制标准特殊。
1.2 深水基础的常用类型
深水基础的常用类型有如下一些。
（1）桩基础和管柱基础；
（2）沉井基础；
（3）沉箱基础；
（4）地下连续墙基础；
（5）组合型基础。
在深水条件下，基础受力复杂且施工条件较差，所以浅基础用得较少。
1.3 深水基础的类型选择
1.3.1 深水基础选型的控制条件
深水基础类型的选择，除要考虑结构体系及荷载性质、施工方法及机具条件等因素外，更要考虑桥址处的自然条件，主要是水文与地质条件、气象与环境条件。
一般来说，水文与地质条件多为深水基础类型选择的决定因素。根据经验，当持力层在水下不超过l0m时，采用防水围堰抽水直接设置基础往往是最经济的；不超过30m时，采用桩基是最经济的。
在深水环境中，水流产生的水平力大，往往需要像沉井、沉箱那样的重力式基础才能满足建筑物的刚度要求。但在岩面崎岖不平、高低悬殊，岩面倾斜严重，或有溶洞、溶沟时，为了基础的可靠性，又不得不采用桩或管柱基础。在特殊的水文与地质条件下，还可考虑组合基础和特殊基础。
深水基础类型选择是一个重要的问题，在实际工作中又不能在一开始就进行各种方案及经济、技术比较，所以经验是非常重要的。日本《基础设计规范》制定的《基础类型选择参考表》可供参考。
1．水文条件
水文条件包括：水深、流速、冲刷、冲溶、浸蚀、水流方向、水位涨落幅度、漂流物（船、冰）冲击力与波浪冲击力等。
在流速大、冲刷深和有船撞或冰撞可能的河流中，采用桩基或管柱基础时，将会因水平力的加大和自由长度的加长而导致桩径或柱径的加大。如武汉长江大桥水中桥墩管柱直径为1.5m，南京长江大桥水中桥墩管柱就需加大到3.0~3.6m。但当直径加大到施工水平已难达到的程度时，就需将承台降低，以便减小桩直径。显然，这里直径加大和承台降低都将造成施工费用的急剧增高。
在海水或有侵蚀性的水中，不宜采用打人式钢筋混凝土桩，因为在打人钢筋混凝土时，不可避免的会使桩身产生裂纹，而防止裂纹则是增加基础耐久性的必要条件。再如，在水下土层中有孤石、障碍物、坚硬隔层以及石灰岩地层应慎用预应力钢筋混凝土桩和管柱，因为在这样条件下施工会使破损率高达20％以上；而且初损时难以发觉，一旦发觉，桩或柱身已断裂。在水深流急覆盖层很厚时，若采用钻孔灌注桩，由于长护筒的导向、定位、插进和拔出的施工作业难度大，质量也难以保证，反而不如采用预制的钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢桩或管柱基础合理。
在有流冰的江河中，不要采用钢筋混凝土管桩高承台桩基，因为不仅冰冻会将管桩冻裂，而且流冰还会将管桩撞伤甚至切断。
在钻探中发现有很大承压水情况，最好不要采用钻孔灌注桩。
2．地质条件
在具有溶洞、溶沟或岩面高差较大的岩石地基上，以采用管柱及钻孔桩基础为宜。
在岩面不平的地基上，若用多柱式基础（包括管柱与钻孔桩）不能满足上部结构所需的刚度要求时，可以采用水下爆破、抓斗挖掘清除基坑、钻机磨平地基基面的施工方法，并选用“设置沉井基础”方案。
在覆盖层很厚，即35-50m以下尚无承载力较高的持力层时，采用摩擦桩基础是很合理的选择。但在地震区桩应穿过可能液化的土层，并宜采用深桩基础方案。
在标贯击数大于10的粘土中，或大于30的砂土（包括砾石、卵石层）中，打入钢筋混凝土桩甚至预应力钢筋混凝土桩常把桩打断，这时选用钢桩反而会得到经济合理的效果。当然，在粘土中，采用钻孔桩就更为合适了。

表1-1 基础类型选择参考表

应该特别重视那些曾经发生过或将来可能发生的有关影响基础的耐久性与稳定性的地质现象，如滑坡、山崩、泥石流、岩溶地区的地层下陷、岩石冲刷溶蚀等。
如果桥梁基础位置不是硬性规定的话，首当其冲的问题是基础的选址。
武汉长江大桥基础位置选择中，就在龟山与蛇山之间研究了七个桥址方案。在最后选定的第五方案中使大桥的水下基础得以避开了溶洞和软弱泥灰岩的不良地基。另外一个与此相反的例子则是武钢江心水泵站，这是一座委托国外设计由大桥局施工的工程。在基础打桩时，发现基础范围内（直径32m）地基岩面标高相差竟达12m之多，而且高处为坚硬的砂岩，低处则为风化岩，软硬各占基础的一半。当然，若原来在地基勘测中能把钻孔数量增加2~3个（原来只有2个钻孔），这一极为不利的地质条件就不难发现，并且仅需将此一江中基础向下游移动40~50m即能得到一个很好的地基。这样不仅能大大降低基础造价，而且还可提高基础建造质量。
3．气象条件
对于深水基础，需考虑的气象条件主要是：风、浪、气温和降水。
虽然处于地下之基础并不承受风荷载，而且由上部结构间接传给基础的风力早已在上部结构的计算中得到解决，故陆上桥梁基础在设计中对风荷载一般均不需重新计算。然而，对于桥梁深水基础而言，问题就不是这样。这不仅是因为水中基础有露出水面的高桩承台、管柱基础和多柱基础等会直接受到风荷载，而且深水基础施工时，由于下沉的基础在未达标高前，一部分基础是长期露出水面外；加之施工时所用的作业平台、工作船舶、起吊设备以及锚碇靠泊设施等等，无不是直接处于风力作用之下，这使风荷载对于桥梁深水基础成为一项非常重要、甚至有时变成控制某一单项设计的主要荷载。
其次，就是波浪力。一般波浪均由风和潮汐所形成，船舶行驶与地震作用也可形成临时的附加波浪。由于桥梁深水基础对波浪的推进起了阻碍作用，致使波浪对基础便产生波浪压力。由此可知，波浪力的大小不仅与波浪的各要素有关，而且还与基础类型、形状及结构有关。
另外，气温及结冰后的冰压力也是气象条件中应考虑的。尤其在计算冰对桥梁基础的侧压时，除需先确定冰的厚度、强度与流动速度外，还应计及现场条件、基础形状、冰在移动时的状况和冰的作用方式等因素。一般情况下需分别计算下列有关的冰压力：流冰所产生的动力冰力；大面积冰层低速移动所产生的静压力；流冰壅塞力；温度冰力；竖向冰力。在计算冰压力时，有关冰的厚度、强度、移动方向和作用高度等参数，均应按实地调查资料数据予以确定，并应考虑它们之间可能出现的最不利组合。
海洋深水基础与内河深水基础一个重要区别，也在于它们所处的气象、环境条件有较大的差别。因为海上桥梁深水基础，由恶劣的海象、气象所产生的环境荷载力要比内河深水基础大得多，因而在设计与施工时，由飓风、巨浪、大潮所产生的巨大水平力，往往构成计算的控制条件。例如：
1）风力：内河最大风压一般不超过0.7kPa，而海洋风压则可达lkPa~3kPa；北海风速为60m/s，日本门崎桥达80m/s。
2）波浪力：北海油田波浪高可达24~30m，我国渤海浪高为9m，南海可达19.5m。
3）冰压力与冰撞力：因近海结冰厚度可达lm，而且冰的强度较强，可达2.1MPa，所以冰的静压力与流冰撞击力也比内河大。
4）潮流冲击力：近海潮流速度虽并不比内河水流速度大（如明石海峡大桥仅4.5m/s），但其技术难度主要表现在双向流速上。
另外，海上桥梁深水基础允许在水上施工作业时间长短，主要决定于气象而不是水位。海上深水基础施工并没有像内河中基础那样可供施工利用的枯水期，所能使用的水上连续施工期是不定的、也是很短的。亦即，必须把施工阶段中不稳定状态的时间压缩到最短。否则，很有可能一夜之间的台风、巨浪就能把已完部分，甚至全部工程都摧毁。
显然，上述的一些条件，有些会直接影响到桥梁深水基础类型、结构以及施工方案的选择，有时会成为控制成败的重要因素之一，这些都必须认真考虑。
4．环境条件
对于深水基础类型的选择，有时还会遇到环境条件变成了控制因素的情况。例如，在航运繁忙而航道不能过分压缩之处大型浮式沉井因为锚碇范围过大而被航运部门否定是有可能的。
在邻近防洪大堤或其他抗震能力不足的建筑时，采用一般打桩锤打桩或吸泥下沉沉井时，会因振动和翻砂而引起建筑物的下沉，甚至造成严重的事故。在这种条件下选用新的施工设备可能是最佳选择方案，用气压沉箱的水下自动挖进来代替吸泥下沉开口沉井也是可供选择的方案之一。
尤其在具有较长历史的城区，建造桥梁深水基础，更应对桥位区域的各种现有或残存的构筑物，如地下给水管道、排水管、电讯电缆、电力电缆、煤气管道、驳岸、码头、防汛墙、堤岸及抛石护岸、及各种房屋建筑的性质和结构情况等作—认真调查，以便确定桥梁基础是否避让，或原有构筑物拆迁、改造，或对紧靠基础的结构物采取防护措施等。
再如，在吞吐量较大的港口城市中，尤其是具有较长历史的航道沿岸，各种水上交通运输设施密布相连，十分拥挤。其中大型船厂、港区装卸作业码头，在该地区的经济活动中常占有相当重要的地位，当修筑桥梁深水基础时，应掌握由此造成的影响，以便对基础的类型和位置做出正确的判断。尤其，一些大型桥梁的深水基础规模很大，施工工期长，不仅要考虑建成后的情况，还要注意其施工期的影响。
环境水或地下水对基础的侵蚀性，也是选择基础形式要考虑的因素。例如，海水或河流中的下水道出口处，化工厂废水流人处，都可能产生对基础的侵蚀问题。当试验水中pH值小于5而且有氧存在时，若采用钢桩或钢筋混凝土桩即需考虑防侵蚀问题。
当水中含有硫酸根离子、二氧化碳离子尤其是氯离子时，都有可能造成混凝土和钢或钢筋的腐蚀作用，故在方案比选中应将此因素考虑在内。
在深海中，虽然有较高的氯离子，但却因缺氧，而腐蚀速度反而很慢，故一般在基础形式选择中可以不去考虑它。然而，在浪花飞溅区、水位潮汐变化区、腐蚀现象却非常严重，尤其是对惯用的钢桩和钢板桩，必须在方案通过的同时提出防护措施。
总之，在桥梁深水基础结构、类型、位置施工方法的比选中，不仅要考虑到基础自身的安全可靠性与耐久性，还要考虑到基础施工及使用期间对环境可能产生的危害性。
1.3.2 南京长江大桥的基础选型
1．自然条件
在我国深水基础发展史上，武汉长江大桥是克服长江天堑的第一创举，而修成南京长江大桥，就使我国桥梁深水基础技术进入世界水平。南京长江大桥全长6772m，正桥长1576m，为10孔公铁两用、上下分层钢桁梁桥。浦口岸第1孔为128m简支钢桁梁。其余9孔为三联三等跨160m的连续钢桁梁。正桥水中桥墩基础共9个，其自然条件如下。
（1）水文
长江南京段距人海口约400km，处于感潮河段，径流浩大，水文情况主要由江流因素控制，潮汐亦属一种影响因素。
1）水位
水位因受潮汐影响，每日有高潮和低潮水位，平均一涨一落历时12小时25分。每年最高高潮水位常发生在上游来量最大或来量接近最大而又适逢下游大潮的时候。此外，夏秋季发生台风及下游三江营淮河入江流量大小，对南京水位有一定影响。
应用南京历年实测量高高潮水位计算的成果，1954年最高高潮水位+10.22的周期接近300年一遇，故采用历史最高高潮水位+10.22作为设计水位。
2）流量
南京因处感潮河段，1954年下泄最大日平均流量91800m3/s时，南京低潮水位为+9.69，潮差为0.24m，其相应最大垂线平均流速与半潮平均流速比值为1.04，推算得南京最大瞬时流量为95500m3/s，以此作为设计流量。
3）流速
南京河段一般为顺流，潮汐较大时偶尔出现微弱逆流。最大流速常发生在低潮与低潮前一小时之间，通过设计洪水时的桥址流速，按1954年汛后实测断面计算，桥前断面平均流速为2.54m/s，桥下断面平均流速为2.80m/s；按最大单宽流量计算，行近墩前最大垂线平均流速为3.06m/s，孔中最大垂线平均流速为3.20m/s。
4）比降
本河段水面比降均为正比降，按桥址上游28km下三山至桥址下游20km栖霞山之平均比降计，最高高潮水位比降为0.023‰，最高低潮水位比降为0.027‰，最低高潮水位比降为0.0017‰，最低低潮水位比降为0.0019‰。
5）流向
桥址位于下关窄段下游的水流扩散区，来水方向受到一定控制，流向偏角一般比较小。
6）冲刷
冲刷的计算结果如表1-2。
表1-2 各墩位处的计算冲刷深度

（2）地质
1号墩基础，位于基岩深槽上。构成深槽的基岩，为暗红色的胶结不良的松软砂岩，极限抗压强度很低，约为2.0-4.0MPa。深槽中的覆盖层厚90m左右，上部为厚约12m的软塑砂粘土，中部为厚约26m的粉细砂，下部为粗砂、砾砂层，容许承载力为0.4MPa。
2~7号墩基础，位于基岩深槽右侧的一级基岩阶地上。阶地面上的覆盖层厚约35m，主要为细砂，底部有厚约5-15m的粗砂、砾砂层。组成阶地的基岩：2、6号墩基础下为砂质页岩夹砂岩；3、5号墩为砂质页岩与砂岩互层；4号墩以砂岩为主，夹砂质页岩；7号墩则全为粘土质页岩。
8、9号墩基础，位于二级基岩阶地上。一级阶地与二级阶地的分界点在7、8号墩中间。阶地上的覆盖层厚约40m，主要为细砂。基岩为角砾岩，色淡红，角砾大小不一，稀密不均匀，砂粒到直径达20cm漂石都有，一般以2~5cm为主；角砾岩成分主要为石灰岩、石英岩和其他火成岩，还有少量的火山凝灰岩；胶结物以钙质与铁质为主，泥质少量；裂隙稀少，未发现大的破碎带，仅有少量小的溶蚀孔洞；岩质胶结坚固，极限抗压强度一般在20MPa以上，最大达65MPa；岩面平坦，风化层很薄。
（3）气象
1）降水量
根据1905-1936年及1946—1954年的记录，南京地区年平均降水量为995.3mm，年最大降水量为1621.3mm。一般4至9月为雨季，6至8月雨量尤为集中，日最大降水量为198.5mm。
2）风向风速
据1929~1936年及1951~1953年的记录，南京地区在11至2月，以北东的风向为主，4至8月以东南风为主，最大风速为27.8m/s。
3）气温
根据1922~1936年及1946~1955年记录，南京地区的最低气温发生在12至2月，最低温度为-14°C；最高气温发生在7至9月，最高温度为+43°C。
2．基础比选
我国的深水基础技术在南京长江大桥建造期间已有很大提高，参与比选的方案有：
（1）钢筋混凝土沉井基础；
（2）钢筋混凝土沉井加管柱基础；
（3）锁口管柱基础；
（4）各种直径的管柱基础。
经过按自然条件，尤其是水文地质条件考虑后，确定采用基础类型如下。
8、9号墩基础因基岩为角砾岩，基岩单柱极限强度高达20-40MPa，采用钢围堰管柱基础。
4、5、6及7号墩基础位于基岩强度甚低，并有裂隙密集破碎带的泥质页岩上，所以采用了自浮式薄壁沉井基础。
2、3号墩基础的基岩强度介于上面二者之间，且覆盖层较厚，又因当时尚不具备下沉长而深的管柱的技术能力，故采用了先下沉钢沉井，沉人覆盖层内一定深度，然后再在沉井内下沉预应力钢筋混凝土管柱直达岩盘嵌岩的组合基础。
1号墩基础用水不深而岩盘极深，且岩盘所埋深度已超过了当时沉井和管柱的可能下沉深度90m，故只得采用建于卵石层上的重型钢筋混凝土沉井基础。
2 深水基础的施工技术
2.1 水下地基勘察
2.1.1 水下地基勘察的重要性和特殊性
经验告诉我们，建筑物的失事70%～80%是由基础失败所引起，而基础的失败又多因地基不能满足设计要求而又未加合理处理造成，这也就是说，建筑事故多半可以归结为地基事故。造成地基事故的原因是多种多样的，但是归纳起来却又不外是：地基勘察的深度和广度不够、对岩土试验方法与结果分析理解的错误、在设计时对地基勘察资料的利用错误等。
根据水坝失事统计数字，重力坝由地质问题而失事者约占全部事故的45%，支墩坝由渗漏损坏地基而失事者约占全部事故的44%；桥梁墩台基础的失事根据史密斯分析的世界百年来桥梁损坏的原因统计，在143座损坏的桥梁中的失事竟有70座是被洪水冲坏或由其它水力问题所引起的。我国铁路桥梁自1930年至1965年35年内桥梁被水冲坏的有250座之多，其中比较出名的有：1949年沈山线、新义线、锦承线上的三座大凌河桥；陇海线上的两座渭河桥；1958年郑州黄河老桥及1962年外福线南平闽江桥等。
因此，对水下基础的探测、研究，不仅要重视地基的地质问题，还要重视水文和水力问题。
在实际工作中，有时为了节约一点探测试验研究费用，或为了能早开工，就不顾地基岩土的复杂性，仅用少数几个钻孔的资料，甚至干脆不钻探，仅用查查表和套套公式的办法就开始进行设计。显然，这样设计出来的基础，不是安全保证率不够，就是花了本来可以不花的钱，甚至二者兼而有之。其所完成的设计决不可能是一个好的设计。
为此，有经验的设计工程师都认为：在设计一开始，即选址与可行性研究阶段，就应主动地切实参加地质勘探与水文调查工作。要尽可能地去了解那些与设计有关的自然条件和控制施工的约束条件。在选址中应设法排除那些不良地基和尽力设法找到一个较好的地基。然而，作为一个好的基础设计工程师来说，对于地基也不宜作过于苛刻的要求，而应具备解决不良地基的技术能力，否则有可能因此而丧失建筑物的最佳位置或最佳结构型式。
在实际工作中最普遍的危险是对地质、水文条件的研究不足。另一个倾向却是不恰当地提出一些过高的要求，致使试验、研究项目多而不当，从而有可能提供一大批无用的或过于昂贵的可有可无的资料。另外，实践证明，与其事后依赖于精细的计算，还不如事先设法去取得可靠而符合实际情况的地基资料与数据。
2.2.1 水下地基探测的内容与要求
虽然水下地基探测与陆上地基探测都是用钻探设备在地基中探明或钻取有限点的地质情况与试样，然后根据地质构造及土的成因来推断整个地基状况的。然而，由于水下地基既不能掘试坑对地基进行直接观测，又难以采取原状土样交试验室进行试验，致使这种以点代面的探测方法的难度就更为突出。因此，为了避免判断上的错误，现代的水下地基探测法非常强调在正常的钻孔探试取样法外，再加用一些先进的辅助探测法来探明地基的宏观构造，和采用原位测试法来验证或确定地基岩土的各项物理力学指标。
至于水下地基探测的内容与要求，在很大程度上将取决于地质的复杂性和建筑物的性质与规模。但原则上均应能满足下列要求：
（1）选择基础型式所需之资料；
（2）为确定地基容许承载力所需之资料；
（3）足以评价地基沉降量的资料；
（4）地基土和水质对基础的有害作用及研究防护措施所需之资料；
（5）确定施工方法所需之资料；（如防水围堰是否需要封底、支撑设计的土压力、沉井下沉范围内的摩阻力、沉桩深度范围有无障碍物等）；
（6）为证明对环境或临近建筑物有无有害影响所需之资料（如爆破、开挖、水位升高或降低等对渔业及对临近建筑物的影响）；
（7）岩石地基裂隙的定性定量资料。
在这些项目中，应该特别注意的是那些曾经发生过或将来可能发生的有关影响建筑物的耐久性与稳定性的水文、地质现象。如滑坡、山崩、泥石流、岩溶地区的地层下陷、岩石冲刷溶蚀等。
首先需要研究的是选址问题。经验告诉我们，在并不影响建筑物的使用效果的情况下，经过认真研究场址地质条件后，只要稍加改变一下原来拟定的建筑物的位置，往往就能找到一个比原来更好的地基条件。
例如：武汉长江大桥的桥位选择，就曾在龟山蛇山之间研究了七个桥址方案，最后选定的第五方案使大桥的水下基础避开了溶洞和软弱泥灰岩的不良地基。另外一个与此相反的例子是武钢江心水泵站，这是一座委托国外设计的工程。在基础打桩时，发现在基础范围内（直径32m）地基岩面标高相差竟达12m之多。而且高处为坚硬的砂岩，低处则为风化岩，软硬各占基础的一半。可以设想，假若原来在地基探测中能把钻孔数量增加2～3个时（原来只有两个钻孔），这一极为不利的地质条件就不难发现。并且仅需将此构筑物向下游移动40～50m即能得到一个很好的地基。
2.2 防水围堰施工
防水围堰是一种为了修建水下基础所用的临时支护结构。它的功能是防水、挡土和保护地基开挖时的稳定性（防止渗漏、涌水与翻砂等）。当然，有时也有防止滑坡和抗冲刷等作用。
2.2.1 工程中常用的围堰类型
围堰的种类很多，工程中常用以下几种：

图2-1 各种型式的防水围堰
（a）悬臂式单壁板桩围堰　（b）有支撑的单壁板桩围堰
（c）土围堰　（d）双壁板桩围堰　（e）连环格子式围堰
其中除（b）外均属无支撑防水围堰。以下介绍3种常用围堰的构造、设计与施工问题。
2.2.2 有支撑单壁板桩围堰
一般说来，在水深12m左右用有支撑的单壁板桩围堰防水修建水下基础，要比用沉井和气压沉箱便宜得多。在一些情况下，即使采用了沉井或沉箱基础，但为了使基础的顶面位于水面以下，仍需在沉井、沉箱之上加设临时性防水围堰，以便用来修建沉井、沉箱以上和水面以下的部分建筑物。
（1）有支撑单壁板桩围堰的构造
有支撑的单壁板桩围堰通常包括以下构件：板桩、导梁、支撑（包括联结系）和外导框。其中：
板桩：可用木板桩、RC或PC板桩和钢板桩。
导梁（环）：为一水平板梁（环）或桁梁（环）。其作用是把板桩上所受之力传至支撑上。
支撑：为一受压构件，常设计成对撑式带有水平及立面联结系的立体桁架结构。
外导框（环）：为一与导梁（环）在同一平面上，并且互相平行的外框（环）。其作用是限制板桩倾斜的导向结构，故至少要有两层。
（2）有支撑单壁板桩围堰的设计步骤
有支撑的单壁板桩围堰的设计可按下列步骤进行：
1）确定围堰的设计控制尺寸；
2）研究地基土的情况，将地质剖面图（深度应达到岩面或0.707´围堰或基坑宽度）、最高水位及施工最高水位绘于图上；
3）计算围堰所受之侧压力，包括水压力与冰压力；
4）设汁及计算围堰各构件所受之力及所需之断面；
5）计算围堰的稳定性；
6）分析计算围堰底的涌水、翻砂、拱起等有关基底稳定性的问题。
围堰尺寸由下列条件所控制：
1）平面尺寸。多按上部结构及其基础的尺寸拟定。围堰以不妨碍施工和安装模板为原则，但至少应大于或离开所围结构与基础的轮廓尺寸1.5m。另外还须考虑抽水设备和汇水井安装所需之尺寸。
2）立面尺寸。多受水位高度、冲刷深度、基坑挖深深度，以及基底稳定等因素所控制。其中尤以水位高低的影响最为直接重要。所以在设计时应按可能发生的而不是绝对的最不利水位计算。如各施工阶段的最高水位、抽水最高水位、行洪最高水位等。
（3）围堰板桩上所受的侧向压力
作用于围堰上的侧向力有：静水压力、水流冲击力、流冰压力、风力、波浪力和土压力。有时可能需要考虑地震力。在这些侧向力中，静水压力的计算方法较为简单，水流冲击力、流冰压力、风力和波浪力的计算可查阅相关手册，此处仅将土压力的计算方法简介如下。
由于用围堰法修筑水下基础时，其基坑土的挖掘多在围堰设置之后以排水或不排水的方法进行。当挖土深度较大时，围堰内的支撑则只能在挖土后逐层加设。

图2-2 基坑逐层开挖和设置支撑时板桩上土压力强度分布的变化情况
（1）第1层开挖　（2）设置第1层支撑　（3）第2层开挖　（4）设置第2层支撑　（5）继续开挖和设置支撑
图2-2为一不排水挖土基坑，图中示出了随着土层挖深，逐层加设支撑时实测土压力的变化情况。由图可以看出：在基坑开挖后尚未加设支撑时，围堰板桩上所受之土压力由静止土压力逐渐向主动土压力过渡，其数值大小将视板桩的变形而定，相应的精确值可用有限元法得到。但在一般围堰设计中，只需用主动土压力乘以一个放大系数（例如1.25）来计算即能满足安全要求。在基坑挖至一定深度并加上第一层支撑后，由于支撑虽不能将板桩变形全部顶回，但至少须严密顶紧（潜水员在水下进行），在顶紧过程中因为支点处的板桩稍有顶回，故而土压力也会相应增大，而以下则逐渐减少。当基坑继续挖深时，由于bc段板桩又有新的位移，致使板桩墙上的土压力又有所降低。同理，当加设第2层支撑后，支点处的压力又会有所增大。基坑土挖深至d点后，板桩墙由c点以下的土压力又会逐渐降低。以此类推，板桩墙上的土压力分布必将趋近均匀而接近矩形分布。如图2-2（5）。
据此，皮克（Peak 1969）和太沙基（1967）建议对随着挖土深度逐层加设支撑的板桩围堰的土压力，可按图2-3所示的图形进行计算。

（a）砂土 （b）流塑或软塑粘性土 （c）干硬粘性土
图2-3 侧向土压力计算图形（Peak）H
H

2.2.3 双壁板桩围堰
（1）双壁板桩围堰的构造
在深水条件下，双壁板桩围堰多采用钢板桩，在两层钢板桩之间宜以砂性土填筑；外排桩在施打时应密贴一些以利防水，而内侧板桩却要求打得疏松一些，以便做到既能挡土又能使渗入墙内之水从板桩之间的缝隙处迅速流出。
1）墙厚确定
双壁板桩围堰墙的宽度系由板桩墙的整体稳定性所确定。
如板桩入土深度较浅时，尚需检算填土体与地基之间的抗剪强度或围堰板桩墙的宽度是否足够。
当板桩入土较深时，可以考虑板桩入土部分对抗倾覆的有利因素。通常采用简化计算法，即只将板桩在土中的摩擦力所产生的力矩叠加在抵抗力矩之中。
2）板桩的最小打入深度、最大弯矩以及对拉拉杆的拉力
因为板桩墙外侧板桩的土压力与围堰外的水压力的方向相反，而内侧板桩的土压力与渗入墙内的水压力方向相同，故应以内侧板桩作为控制设计对象。由于围堰外的水的侧向推力，使得靠内侧板桩处原地面上的垂直压力增大，靠外侧（临水面）板桩处原地面上的垂直压力减小（倾覆力矩的作用）。
填土对板桩的侧向压力将随内侧板桩的泄排水能力而变。当内侧板桩密实而无良好泄排水性能时，内侧板桩上作用的侧向压力将为水压力加上因土的浮容重而产生的主动土压力。外侧板桩则仅受因土的浮容重产生的主动土压力。当内侧板桩有良好泄排水性能时，因填土内的存水能以很快的从内侧板桩的间隙中泄走，填土中的水面呈急剧下降状态，所以内侧板桩将受填土的主动土压力和外侧板桩传来的水压力。
根据上述关系即可算出填土和水对板桩的作用力，然后再以内侧板桩为脱离体并按板桩墙的支撑情况计算板桩的最小入土深度、拉杆拉力和板桩所受的最大力矩。
2.2.4 双壁钢壳防水围堰
双壁钢围堰多为圆形，其结构与自浮式沉井大致相同。也是由竖向角钢加劲肋组成的内外壁和数层环形水平桁架焊接而成的双壁钢壳。图2-4所示为九江大桥所用的双壁钢围堰的构造形式。

图2-4 九江长江大桥使用的双壁钢围堰的构造
双壁钢壳的壁间距离一般为1.2m～1.4m。为了将整个围堰分成等分的互不连通的舱，在两壁之间设有数道竖向隔舱板。
当水深较深时，可利用双壁钢壳的自浮能力在漂浮状态下分层接高下沉。施工步骤为：
1）在拼装船上拼装第一层（底层）双壁钢壳；
2）将拼装船（连同导向船）拖拽至桥墩位置；
3）吊起钢壳抽掉拼装船，然后将钢壳吊放下水漂浮在水中；
4）逐层接高钢壳，并向钢壳的空壁中灌水（或混凝土）以使钢壳在水中下沉；
5）当钢壳接近河床时，控制灌水速度，使钢壳缓慢而准确地落底；
6）在覆盖层中下沉，待刃脚某一处触及岩面时，即停止下沉并进行刃脚堵漏和清基；
7）安装施工平台及钻孔钢护筒，护筒底支在岩面上，顶面须高出封底混凝土面0.5～1.0m；
8）待钢护筒放好和固定牢靠后，即可进行封底；
9）潜水员在水下拆除钢筒上的固定架。进行钻孔；
10）围堰抽水灌注基础混凝土。
双壁钢围堰的设计计算方法与圆形双壁自浮式钢沉井相似。

图2-5 双壁钢围堰施工步骤示意（单位：标高（m），其他（cm））
（a）围堰下沉，安装钻岩护筒；（b）封底、岩盘钻孔和灌注嵌岩井柱及其柱塞的混餐土；
（c）围堰内抽水，灌注承台及墩身混凝土，拆除部分钢壳。

图2-6 用双壁钢围堰修成的九江大桥水中桥墩（单位：标高（m），其他（cm））
2.3 桩基础和管柱基础施工
桩基础又称桩基，它是一种常用而且古老的深基础型式。近年来，随着生产水平的提高和科学技术的发展，桩的种类和型式、施工机具、施工工艺以及桩基设计理论和设计方法等都在高速演进和发展。目前我国桩基最大入土深度已超过100m，桩径已超过5m。
管柱基础是我国在修建武汉长江大桥是首创的一种基础形式。管柱基础在受力性能上类同于嵌岩桩，施工方法上的特殊性在于是将预制好的管节沉至岩面后通过钻孔并浇筑钢筋混凝土的方式将其锚固在岩层中。
2.3.1 水中打桩方法
（1）用打桩船打桩
一般说来，只要有合用的打桩船可用时，采用此法打桩总是经济的。但须注意：
1）打桩船须有自动调节倾斜的装置或性能；
2）桩架高度与吊重能力须能满足由水深所决定的最低吊桩长度；
3）在深水处打桩需增设水下导向定位框，以减少桩在水下的自由长度；
4）打桩次序要事先妥为规划，以免妨碍船只移位。
在水深变化无常的游荡性河流中（如黄河）或有涌潮影响的地方（如钱塘江口），由于水深忽深忽浅，或有或无，不能保证打桩船或吊船的吃水要求；或由于涌潮袭击频繁，破坏力较大。在这样的情况下，采用打桩船或吊船进行打桩的难度较大。

图2-7 国产150吨柴油打桩船
1-主塔架 2-附架
（2）用吊船辅以导向笼架的打桩方法
这是一种把防水围堰支撑与打桩导向笼架相结合的打桩方法。最早用于汉水桥水中墩的修建中，以后发展成为管柱基础的最基本的施工方法。因其简单易行，不须求索大型打桩船只和花费额外的材料费用，故在国内得到了发展与推广。如图2-8所示。

图2-8 用吊船和导向笼架打桩法
（3）用自升式平台打桩法
自升式平台原为近海石油钻取专用设备，后由日本改用于海中桥墩施工。图2-9所示的是一种自升式钻井船和用于深水打桩、钻孔、爆破和整平地基的多功能自升式平台。

图2-9 自升式平台
2.3.2 钻孔埋设桩
钻孔埋设桩是一种先钻孔然后再插入预制的RC桩，PC桩或钢桩的新施工方法。适用于穿过硬层或深置于硬层之内的桩基础。为了保证钻孔与预制桩之间的应有摩阻力的存在，钻孔与桩之间的孔隙需用压力灌注砂浆法予以灌满。又为了保证桩端阻力不致降低，最后的1~2m须用锤击法打入。对大直径钻孔埋设桩可用射水清底及压注水泥砂浆法来保证桩端阻力及桩侧摩阻力。
2.3.3 钻孔灌注桩
钻（冲）孔灌注桩利用钻机钻土成孔，然后清除孔底残渣，安放钢筋笼，浇灌混凝土形成桩体。有的钻机成孔后，可撑开钻头的扩孔刀刃使之旋转切土扩大桩孔，浇灌混凝土后在底端形成扩大桩端。根据不同土质，可采用不同的钻、挖工具，常用的有螺旋钻机、冲击钻机、冲抓钻机、旋挖钻机等。目前国内钻（冲）孔灌注桩多用泥浆护壁，泥浆应选用膨润土或高塑性粘土在现场加水搅拌制成。在深水条件下通常结合钢围堰进行钻孔灌注桩的施工。

图2-10　在钢围堰中埋设护筒
1-吊船；2-拼装好的钢护筒和定位架；3-临时悬挂索；4-永久悬挂索；5-安装好的钢护筒

图2-11　武汉长江二桥11号墩钻孔桩施工布置图
由于桩基水上施工受气象、水文、地质等条件的制约非常大，而且是多工种、多种船舶、多种机械相互配合作业，水上、陆上相互协调，因此，必须采取相应的施工技术和安全、质量保证措施，才能确保工程建设顺利进行。
2.3.4 管柱
管柱的直径较大，一般采用震动下沉法穿越覆盖层，到达岩层后用钻机在管柱内钻孔使其嵌入岩层，管柱的一般施工顺序如下：
1）围笼拼装、浮运、定位；
2）管柱下沉、钻岩、灌注水下混凝土；
3）施工钢板桩围堰、吸泥封底、抽水、浇筑承台和桥墩、撤除钢围堰。

振动打桩机

图2-12 南京长江大桥8、9号墩大直径管柱基础（m）

图2-13 南京长江大桥2、3号墩钢沉井与管柱的组合
2.3.5 用吊箱围堰修筑水下承台
当承台底面在河床以上一定距离时，可用吊箱围堰（一种有底的箱形整体模板）来修筑承台板。吊箱的设置的方法有如下两种。
（1）先打桩后设吊箱，如图2-14所示，待打完桩后，由潜水工在桩上安设木平台（即承台的底模板），然后将预制的吊箱围堰由驳船吊运、吊装，或从赝架上沉放到木平台上。

图2-14 用吊箱围堰修筑预制桩基础的水中承台座板
（2）先设有底吊箱，后再打桩，底板上预留的桩孔可作打桩定位之用，其施工程序大致如图2-所示。先在岸边两导向船间的平台上拼装上述吊箱；当导向船连同吊箱一起拖拉到墩位后，把导向船用锚锭固定起来；利用两侧起重塔架提起吊箱，并徐徐放入水中，直至箱顶上预置的吊梁压到舱面上；然后利用吊机把定位桩插进箱底预留的桩孔中，并用汽锤把桩打人土中；之后，解开吊梁，继续放下吊箱直达设计标高，再把它固定在定位桩上；这时可拖走导向船；桩基上所有竖向桩和斜桩都是靠水上吊船插入箱底预留的桩孔中，并用汽锤打到河床以下预定深度处；待桩打完后，向箱里灌注水下混凝土封底，待混凝土硬化后再抽干箱内的