海域桥梁"凝浆铸盾"的创新防护之道——某大型桥梁桩基冲刷固化土防护技术实践

在我国“海洋强国”战略实施背景下，我国海上空间的开发和近海区域交通设施的建设愈发重视，跨越海域的交通工程建设项目得到了快速的发展。在水域条件下的，跨海大桥的桩基础会对水流产生扰动，容易在形成桩前竖向射流和桩周绕流现象，这对桩基周围海床造成十分显著的冲刷作用。海床面遭受冲刷直接减小桩基入土深度，进而削弱桩基的承载性能，情况严重时将危害桥梁结构的安全稳定性。20世纪90年代至21世纪初，我国桥梁因水毁事故导致的直接和间接经济损失高达100亿元。处于海域复杂水流环境下的跨海大桥，水流对桥梁桩基的冲刷危害更为显著，需及时开展冲刷防护工作。

目前，针对桥梁冲刷问题，多采用水下抛投袋装碎石、铺设软体排等传统方法对冲刷坑进行回填，并增强桩基周边海床防冲刷性能。工程实践及文献显示，传统方法普遍存在水下作业难度大、施工平整度与厚度均匀性等质量控制效果不佳的问题。探寻兼具整体匀质性、强防冲能力及自流平特性的新型回填材料，研发简便安全且可规模化作业的海上防护施工方法，具有重要工程实用价值。

针对目前海域桩基冲刷防护的迫切需求，我们研发了一种新型高流态高性能固化土。该材料以工程废弃泥浆和海水为原料，掺加无机复合型固化材料，制备出流动度可控的固化土回填材料。其中固化剂的有效成分在其本身创造的碱性环境中发生充分的水化、水解反应，生成各种水化胶凝产物。这些胶凝物质会凝结、包裹淤泥中的细小颗粒，使之团粒化，形成一个由水化胶凝物为主的骨架结构，从而具有一定的强度和稳定性。

这种高流态高性能的固化土浆液流动性优异，能够自主充盈冲刷坑及桩基间隙，施工便捷且无需额外设备碾压夯实。固化土强度随凝固进程逐步增长，最终形成高强度、高整体性的整板结构，表面平整且具有预设坡度，能够有效抵御水流掏刷与冲刷作用。此外，该技术在施工过程中不会对桩基本身造成损害，且绿色环保，无污染，符合可持续发展的工程理念。此次研发的固化土技术首次应用于海域桥梁桩基防护领域，为解决复杂水流环境下的冲刷问题提供了创新性解决方案，具有重要的工程应用价值和推广前景。

目前，固化土防护技术已在单桩基础的海上风电冲刷防护工程中得到成功应用。截止目前，总计600余个海上风电桩基采用该方法进行治理，包括中电投滨海北区H1、H2、南区H3、大丰H3、嘉兴2号、乐亭菩提岛、如东H3、H4、H7等多个海上风电项目。其长期防冲刷效果经跟踪监测和扫测验证，展现出优异的防护性能。在此基础上，我们首次将该技术引入跨海桥梁领域，针对桥梁群桩基础的结构特点，开展针对性的科学研究与工程实践，探索其在桥梁基础防护中的应用潜力。

图1 海上风电固化土防护施工

图2 高流态固化土的性能优势

相较单桩的海上风电工程，桥梁桩基冲刷防护工程面临桥面限高严苛、群桩结构复杂、冲刷坑规模大及作业水深普遍较深等技术挑战，致使海上风电固化土防护施工经验难以直接复用。因此，需在施工装备、工艺及监测方法等方面开展创新研究。

为此，我们联合科研高校，综合采用理论分析、数值模拟、室内试验和现场试验的方法，对跨海桥梁基础局部冲刷问题和固化土防护技术进行系统性研究。研究了水流速度、群桩结构和冲刷坑形式等环境因素对泵送过程和固化过程的影响，提出了跨海桥梁群桩基础冲刷泥浆固化土泵送参数（泵送点位和泵送速度）设计方法；分析了固化土结构的防冲刷机理和防护效果，建立了固化土防护效果定量评价方法；研发了适用于泥浆固化土施工的成套设备和工艺，建立了跨海桥梁基础局部冲刷防护技术方法。研究成果直接应用于相关工程，对于完善桥梁全寿命周期管理具有积极的意义。

图3 海域桥梁桩基防护施工难点

图4 流固土耦合水槽试验现场

该大型桥梁建成近二十年，受海域泥沙输移环境变化影响，海域泥沙淤积量显著减少。加之桥墩桩基的阻水效应，水流在其周边易形成向下射流与尾迹涡流——前者冲起海床泥沙，后者携沙运移。长期作用下，桥墩桩基周边海床逐渐形成大范围冲刷坑。根据管理养护单位历年检测，近200处桥墩周边海床出现显著冲刷，桩基区域普遍分布大小不一的冲刷坑，导致海床面坑洼不平。过深冲刷坑对大桥结构安全构成潜在威胁，因此对冲刷坑实施回填，预防桩基过度冲刷已刻不容缓。

图5 水流于桥墩桩基相互作用

我们在该大型桥梁选取PM123、PM230两个墩开展海域桥梁桩基冲刷固化土防护试验，目的是验证该技术的经济性、质量稳定性、长期耐久性及适用性。

图6 PM123桥墩桩基三维模型立面图

PM123墩位于60m跨低墩区段，双幅桥墩呈分离式布置。单墩配置7根直径1.5m的钢管桩，桩长55m，桩顶标高2.5m。该桥墩处海床冲刷后最低标高-19m，最大冲刷深度达6m。

图7 PM230桥墩桩基三维模型立面图

PM230墩位于70 m跨低墩区段，双幅桥墩同样采用分离式布置，单墩设置8根直径1.5m的钢管桩，桩长57m，桩顶标高+2.5m。该桥墩桩基冲刷后最低标高-20m，最大冲刷深度达7.5m。

该大型桥梁固化土防护工程采用全水上作业模式，针对施工重难点并结合现场条件，改造现有船舶打造海上制浆船与桥面下定点泵送定位船，共投入7艘施工船舶实施海上泵送施工。其中定位船停泊于距施工桥墩约8m的海面，制浆船则锚泊于定位船后方150m处，利用船上两个泥浆池制备固化土浆液。锚艇、交通艇及运泥船等辅助完成抛锚定位、物料转运及安全警戒等作业。

图8 制备和泵送固化土浆液

施工船舶就位后，制浆船将盾构施工或基坑开挖产生的工程废弃泥浆搅拌制浆，按比例添加固化剂后制成固化土浆液，通过浮筒管道输送至桥墩旁定点锚泊的定位作业船。最后在桥桩间选取多个合理出浆点，将固化泥浆泵送至水下冲刷坑内。

图9 固化土泵送窗口期

为降低水流对固化土浆液泵送施工的影响并提高留存量，依据东海大桥现场潮汛规律，选定在中小潮平潮期实施海上泵送施工。

图10 ROV水下声呐实时监测设备

图11 水下声呐实时监测状态示意图

此外，在固化土浆液泵送施工过程中，采用了ROV水下声呐实时监测技术，对泵送和着床情况进行实时监测。通过水下声呐实时监测技术，准确识别水下钢管桩和泵浆管头的位置，确保泵送管头下放位置符合固化土泵送施工要求。水下声呐实时监测技术，还能够发现泵浆管头朝向突变、固化土浆液覆盖淤积等问题，通过及时调整泵浆管头高度、位置等，确保固化土浆液能够被顺利泵送至冲刷坑内，并可完全填充整个坑。

固化土泵送施工前和完工后，均运用多波束测深声呐技术对冲刷坑地形实施跟踪扫测。施工前，依据地形扫测结果精准预估所需固化土浆液方量，为泥浆制备与工期安排提供依据；施工完成后，间隔3、4个月实施周期性扫测，根据长期监测结果评估防护施工质量，验证固化土防冲刷结构的长期防护效能。

图12 PM123桥墩冲刷坑地形跟踪扫测热力图

基于固化土防护施工关键阶段及工后长期监测数据，绘制高程热力图（如图 12）。从各阶段热力图可见，施工前两桥墩冲刷坑颜色斑驳，反映坑底高低不平；随着固化土回填施工推进，坑区颜色渐趋统一，显示凹陷区域被有效填充，形成平整防护面层，最终颜色由蓝紫色渐变为橙红色，即表明冲刷坑得到有效回填，完全满足设计要求。

通过施工前后水下多波束扫测对比分析，在固化土防护施工完成后，PM123桥墩周围共留存固化土5357m3，海床面标高被抬高至-15.2m~-15.5m，冲刷坑被回填了4m~5m。PM230桥墩周围共留存固化土3253m3，海床面标高被抬高至-15.4m~-15.9m，冲刷坑被回填了3m~5m。

且在经历2023年寒潮、2024年台风及超1年海水冲刷后，色带未发生显著变化，验证了固化土防护层满足水下群桩防冲刷要求，具备优异的抗冲刷性能与长期耐久性。

图13 固化土防护效果的三维重建

采用固化土防护技术可有效回填桩基周边冲刷坑，形成的防护结构平整且强度高，预设坡度设计使其具备良好的抗冲刷性能。后续可针对水下出浆口布置及施工作业装备开展优化。

受海上气象、潮汛及船舶航行条件影响，当前固化土泵送施工效率仍有提升空间。目前针对施工效率瓶颈，正研发基于桥面车辆的直接泵送方案，以提升技术适用性。针对低墩或小方量养护需求，可通过在桥墩搭建轻质平台实施桥面泵送施工，显著提高作业效率，为更多跨海及内河桥梁的运营安全提供技术支撑。

作者 /  王会丽 戴治恒 汪潇

作者单位 / 上海公路桥梁（集团）有限公司

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