跨海长桥面临着建设条件、环境保护、建设周期、工程品质、造价控制、养护管理六大挑战。如何应对上述挑战，是摆在桥梁建设者面前的重大课题。本文试图根据国内外跨海长桥的发展趋势，探讨破解上述难题的方法。

为应对跨海长桥的六大挑战，近年来桥梁业内不约而同地通过工业化思想来破解难题。国内外通过提高工厂预制比例，采用大型化、整体化和统一化的设计指导思想，依托高速发展的海工装备，实现跨海长桥的工业化建造。与上个世纪的桥梁工业相比，新世纪的跨海长桥建造融合了工业制造技术的最新成果，在工业化水平上有着长足的进步。

依照工业化四个阶段的定义，目前跨海长桥彻底摆脱了桥梁现浇为主的传统建造模式，拥有结构工厂预制化、现场机械装配化、管理监控信息化的特征，具备了电气化的典型特征，并逐步向工业自动化迈进。

未来，根据工业化发展指导思想，跨海长桥工业化应遵循“四少四多”原则——少现场，多预制；少串联，多并行；少变化，多统一；少零散，多整体。

通过把条件恶劣、管控困难的现场作业，转化为在环境可控、流程标准、管理规范的工厂进行产品制造，可以充分保证作业时间，有效提高构件质量。通过上、下部乃至不同构件的并行制造，同步施工，充分统筹施工时间，实现快速施工。通过标准化设计，采用统一的构件，使得预制标准化、工艺流程化、安装机械化，在提高结构质量的同时，可以大大提高生产效率。通过充分利用装备能力，采用整体化、大型化构件，可以优化结构受力，减少现场作业步骤，提升预制和安装的效率。

遵循上述工业化建造的指导思想，下文结合跨海长桥下部和上部结构的不同特点，分别介绍针对性的设计方法。

下部结构工业化设计思路

为应对高桩承台的不足，国内展开了各种探索和尝试。青岛海湾大桥、港珠澳大桥展开了海上预制承台的尝试。承台预制提升了承台本身的品质，但是预制承台与桩基的连接止水工序复杂，质量检验难度大。可以看到，国内近年来的多次尝试有其成功之处，但是对于根本性的问题——承台与桩基、承台与桥墩的连接位置的品质和耐久性，提升幅度不大。为从根本上解决上述难题，实现高品质、高耐久性和快速施工，下部结构应遵从“两个尽量”，即尽量取消承台、尽量将受力控制位置（开裂面）避开浪溅区和水位变动区等耐久性要求苛刻的环境，这一思路有赖于结构构造的优化与施工装备的能力。

近年来，海工装备的技术进步显著，为下部结构型式带来了多种可能，在国内外跨海长桥中涌现出了有着广阔应用前景的3种基础型式：1.重力式基础（设置基础）；2.钟形组合基础；3.超大直径单桩基础。

上述3种结构型式充分利用现代大型化和多功能海工装备，并且由于无承台作业施工，施工工效和结构耐久性均大大提升，代表着下部结构工业化发展的方向。

重力式基础

1．结构特点

重力式基础是最简单也是最古老的基础型式，其依靠自身的结构尺寸和重力来保证结构的稳定性、抗倾覆性和抗滑移性能。由于重力式基础结构形式简单，因此非常利于预制，预制节段可以采用船舶装运或浮运。各节段之间可以通过预应力或者湿接缝来实现连接。同时，重力式基础对基地的平整性和基地承载能力有较高的要求，在基岩海床应用时，需要整平压浆，在软弱海床应用时需要进行地基处理。重力式基础的特点可总结为表1。

基于重力式基础简单可靠、预制方便的特性，近年来在海上风电基础上得到了大量的应用。在海上风电项目中，重力式基础的使用范围拓展到了40m以内的水深，同时可以适用于高达90m以上的风机轮毂高度。

2．在跨海长桥中的应用和发展

在跨海长桥中，加拿大的联邦大桥、法国的留尼旺新沿海高架桥是采用预制重力式基础的优秀代表。

加拿大联邦大桥全长12.9km，桥址区水深在0～30m之间，大部分区域水深为15m左右。桥址区地质条件较好，基岩裸露，这为重力式基础的大规模使用提供了良好的基础条件。同时，重力式基础的大体量，也为抵抗当地凌汛时的冰块碰撞荷载提供了有力的保障。

重力式基础的最大预制重量达到了7500t，现场采用大型浮吊进行安装。

法国留尼旺新沿海高架全长12.5km，其中5.4km位于海上，项目总造价达到了7.15亿欧元。大桥从2013年开始进行建设，建设总工期为54个月。留尼旺新沿海高架桥集合了法国最新的混凝土预制拼装技术。

图1 留尼旺新沿海高架桥预制重力式基础构造

图1是留尼旺新沿海高架的预制重力式基础构造图。底节包含重力式基础和部分墩身，最大预制重量达4660t。顶节墩身高10.8m，预制重量约2000t。对于如此大体量的基础，留尼旺新沿海高架选择了集运输、定位、安装于一体的多功能新型海上施工装备——Zourite进行大型墩身和基础的运输安装。Zourite拥有8条支腿，每条长55m、直径3.0m、重达240t。利用GPS进行定位控制，实际的安装精度达到了200mm，而基础顶部的误差控制在了惊人的1mm。

3．思考与展望

预制的重力式基础体量大，可以抵抗海洋巨大的潮汐乃至流冰荷载，且构造简单，非常利于预制和拼装。多功能自升式平台使得构件的运输、定位和安装合为一体，简化了作业流程，减少了现场工作船舶的数量，减少了现场工作人员，更加符合自动化、专业化的工业化发展思路。同时，从实施效果来看，多功能平台有效地提高了现场的安装质量。在连接技术上，不论是加拿大联邦大桥或者留尼旺新沿海高架，均通过在预制基础与地基之间预留注浆措施的方法保证了基础的受力均匀性。

钟形组合基础

1．结构特点

针对重力式基础的上述缺点，钟形组合基础应运而生。它通过桩基础与钟形沉箱结构的组合，降低了对海床整平和地基处理的要求，进一步扩大了钟形组合基础的适用范围。

钟形组合基础继承了重力式基础的优点，具有巨大的刚度,可以抵抗船舶撞击、巨大的潮流力，同时具备了良好的地质适应性。对钟形组合基础的优缺点分析总结如表2。

2．在跨海长桥中的应用和发展

近期，韩国在居金大桥的索塔基础、新千年大桥的锚碇基础均采用了钟形组合基础。这证明了此种基础形式在结构受力、施工建设方面，具有其他基础型式不可替代的优点。

韩国居金大桥建成于2011年12月，是一座上下层分离的双层桥梁。大桥通航孔位置的水深达到了37m，波流力作用强烈，海床演变较为剧烈。同时，由于通航等级较高，存在着较大的船撞风险。基于此，如果采用重力式基础，海床地基加固和后期维护费用非常高。如果采用传统的群桩基础，水平刚度相对较低，抗船撞能力较弱。为此，居金大桥将传统桩基和重力式基础合二为一，采用了组合式的钟形组合基础。

图2 韩国居金大桥钟形组合基础构造

钟形组合基础场内和场外施工可以同步开展。现场进行桩基的施工，预制厂进行钟形沉箱的预制，待桩基施工完成后，采用半潜驳进行运输，现场浮吊/自升式平台进行沉箱的安装，随后封底和抽水，完成沉箱的建造和安装。

图3 韩国居金大桥钟形组合基础安装流程

3．思考与展望

通过钟形组合基础的发展，我们可以清晰地看到，随着施工设备能力的提升，以及工业化建造思想的应用，出现了多种基础型式的交叉，因而可以根据具体的建设条件因地制宜地发展复合式的基础型式。这为跨海长桥基础型式的发展提供了崭新的思路。

对于钟形组合基础而言，由于其综合了传统群桩和重力式基础的优点，可以适用于更广阔的空间。

超大直径单桩基础

图4 单桩基础与群桩基础受力特性比较（α为桩侧土的变形系数）

1．结构特点

与传统的群桩承台基础相比，超大直径单桩基础波流力仅相当于相应群桩基础的18%，同时冲刷深度减少约20%，结构受力大大优化。此外，单桩基础避免了承台的施工，从而彻底解决了承台底的耐久性问题。而且单桩的最大弯矩点在土中，其耐久性条件较位于浪溅区的承台底更加优越。

同时，单桩基础刚度相对较小，由于体量较大，对于施工设备的要求较高。超大直径单桩基础的特点可以总结为表3。

2．应用和发展

在跨海长桥中，早期由于施工设备能力的限制，多采用混凝土单桩基础，如2006年开工的英国克拉克曼南郡大桥使用了最大直径3.85m的混凝土单桩基础。此外，科威特海湾大桥、国内的嘉绍大桥也采用了混凝土单桩基础。近十年来，基于单桩基础简单明确、施工快速的特性，超大直径钢管桩在海上风电基础上得到了大量的应用。在海上风电项目中，约2/3的基础采用了超大直径单桩基础，可适用于0～40m的水深。风机的最大轮毂高度达到了110m（英国Race Bank）。目前钢管施工最大桩径已经达到了8m，国内钻孔设备可以满足7m桩径钢管的嵌岩需求（中能ZDZD-100钻机）。

混凝土单桩基础和钢管桩单桩基础都有其先天不足之处。混凝土材料抗拉强度弱，同时在施工中需要钢管作为临时护筒。在海域区段，由于海洋的强腐蚀性，混凝土开裂后的耐久性较差。钢管桩基础为了保证局部稳定性，需要较厚的壁厚，在海洋环境中钢材的腐蚀性问题突出，造价高昂。同时，钢管桩结构刚度小，受波浪激振的问题明显。为此，结合两者优点的超大直径钢管复合桩基础应运而生。

钢管复合桩吸收了钻孔灌注桩混凝土刚度大、造价便宜，对地层适应性好，可以嵌岩的优势，同时充分利用钢材抗拉性能好，可以兼作内部混凝土的防护构造的优点。两者结合后，钢管可以兼作施工护筒，钢管的壁厚可以更薄，桩基直径可以根据受力进行变化，同时可以采用卵石或基岩作为持力层。钢管复合桩扩展了单桩基础的适用范围，同时可以降低造价。在国内，鱼山大桥首次采用了超大直径钢管复合单桩基础，从而实现了跨海长桥的工业化快速建造。

图5 鱼山大桥超大直径钢管复合单桩基础构造

鱼山大桥是连接岱山岛和鱼山岛的跨海大桥，跨海大桥全长7.78km。桥位区水深在3～18m，波高6.9m，潮流速度3.69m/s，设计基准风速达到了44.35m/s。由于周边环境限制，大桥建设工期仅有27个月。为此，鱼山大桥采用了全栈桥的施工工法，成倍提升了现场作业时间，并为大直径桩基的混凝土拌和与运输提供了有力保障。

鱼山大桥桩基分区域进行设计，其中最大桩径5.0m，最大桩长148m。钢管最长65m、最重300t，混凝土浇筑最大方量达到了2001m3。根据实践，鱼山大桥超大直径钢管复合单桩基础较群桩基础工期缩短40%，波流力减少80%，冲刷深度减少20%，造价节省约30%，海洋中暴露面积减少75%，耐久性得到极大改善。

3．思考与展望

结合海上装备的发展，以及海上风电的实践，目前已经具备6～7m直径钢管复合桩的施工能力。需要注意的是，海上拌和设备需要满足超大直径桩基在12个小时内不间断浇筑的需求。此外，除采用全栈桥施工工法外，也可以采用多功能海上平台进行钢管的运输、打设，钻孔桩的成孔、钢筋笼下放以及桩基的浇筑，可惜目前国内尚无充足设备可供选择，也缺少相关施工组织经验。

新型基础型式的探索

对于跨海长桥，如果采用桩基础，则基础施工时间占了整个桥梁施工的60%以上，而且施工工艺繁琐，施工控制难度较大。因此，基于工业化制造的思想，笔者提出了超大直径预制混合桩的结构，在保留钻孔桩适应性强的优点的前提下，扩大桩基的预制范围，进一步减少维护工作量。大直径预制混合桩构造如图6所示，包含钻孔桩部分和上部的预制空心管、桥墩，预制空心管节通过预应力实现快速连接，现场采用自升式平台或大型浮吊进行安装。

图6 超大直径预制混合桩构造

上部结构工业化设计思路

上部结构设计主要目标是：结构受力合理，构造简单，品质与耐久性优良，与下部结构施工匹配度高，施工建造速度快，造价适中，便于检修维护。采用结构整体化、构件大型化、设计标准化、施工快速化的工业化建设思想，可以很好地实现前述目标。

在波浪力、横风、船撞力等作用下，跨海长桥由横向受力控制，加大墩顶竖向力，对提高结构受力性能非常关键。除了适当加大跨径之外，将分散的竖向力集中是一个巧妙的做法，这就需要采用整体结构和大型构件。

大型构件和整体结构在结构受力、预制安装、耐久性方面均有着明显的优势。大型构件和整体结构使得构造更加简单，减少了结构拼接缝，降低了基础规模，同时优化了下部结构受力；大型构件和整体结构使构件种类减少，结构内部可达性增强，可以有效提升预制质量；大型构件和整体结构可充分利用当前大型化的预制、运输和安装设备，提高安装效率，实现快速施工。结构受力的优化和预制安装质量的提升有效保证了结构的耐久性。

结合国内外近期跨海长桥建设情况，采用整幅箱梁，整孔或大节段拼装，采用大跨径桥梁，减少水中基础数量，结构采用全预制拼装，提高构件耐久性，是跨海长桥上部结构发展的趋势。

整幅箱梁

上部结构整幅箱梁是与整体式下部结构相辅相成的。笔者对跨海长桥5×70m箱梁分别采用分幅和整幅结构进行计算表明，在控制工况下，整幅结构e0/h（初始偏心距/截面高度）明显小于分幅结构，截面抗力明显提高。

图7 整幅箱梁与分幅箱梁的受力比较

同时，由于基础规模的缩小，结构受力的优化，整幅下部结构材料用量约相当于分幅结构的81%（均采用群桩基础进行对比）。

常规来讲，对于宽度在30m及以上的整幅桥梁，主梁常采用钢箱梁或组合梁。其中，港珠澳大桥110m非通采用的即是宽度33.1m的等高钢箱梁连续梁。但是对于海工结构，结构耐久性和全寿命成本是需要重点考虑的，而钢箱梁或组合梁由于后期管养工作量大，维护费用高，因此其全寿命成本较高。混凝土结构由于其良好的耐久性，低廉的价格，相比之下具有优势。但为了适应施工装备能力，采用重量较轻的钢结构，也是一种明智的选择。

近年来，由于预制拼装技术的进步，超宽整体预应力混凝土单箱单室箱梁结构得到了长足的发展。

由于箱室宽度的增加，整幅单箱单室箱梁的受力特性与常规箱梁不同。以双向四车道高速公路（B=26.0m）5×70m整幅单箱单室预应力混凝土箱梁为例分析表明，整幅箱梁横向受力可能会超过纵向受力，从而起到控制作用。因此，在整幅箱梁设计时，需要格外注意箱梁顶底板的计算和构造细节处理，建议精细化分析顶底板和腹板。

此外，对于整幅单箱单室箱梁，如果单纯采用常规的箱梁型式会使得板厚增加较多，从而使预制件重量增加，经济性变差。因此，可以通过合理的设置横向加劲/横向支撑，乃至通过横向分块的方式来优化结构的横向受力。德国考赫谷大桥、西班牙特拉帕加高架桥、巴西拉古纳大桥等都是此类思想的优秀代表。

主要施工方法

1．整孔预制法

单箱单室结构的施工有多种方式，其中之一就是通过在预制厂进行整孔预制，现场进行装配。国内桥梁，如东海大桥、金塘大桥等，均采用浮吊进行吊装，但是浮吊受海洋环境影响大，安装精度仅能控制在10cm以内。此外，由于装备制约，桥梁预制宽度也受限。科威特海湾大桥采用了具备1800t吊装能力的架桥机进行40m和60m箱梁的整孔安装，架桥机安装有效提高了箱梁安装的精度。

图8 东海大桥箱梁吊装

图9 科威特海湾桥箱梁安装

顶推施工也秉承了整孔预制的思路，不同的是将预制厂放在了现场。英国的克拉克曼南郡大桥即采用了顶推工法，进行了全长1.188km，最大跨径45m，顶推重量共计32400t箱梁顶推施工。但是顶推施工有其局限性，首先是要有适宜的现场预制厂场地，其次跨径较大时需要设置临时墩，再者顶推长度受限于顶推设备的能力。顶推施工的优势是显然的，降低了对机具设备的要求。

对于整孔预制安装，不论是采用浮吊安装还是架桥机安装，都存在墩顶后浇段的耐久性问题。由于龄期的差异，此位置极易出现收缩裂缝。通过将墩顶梁段预制化的方法，可以有效解决墩顶段耐久性的问题。墩顶预制段安装有两种方案：第一种是先安装墩顶预制段，后吊装整孔预制箱梁，优势是施工速度快，缺点是安装控制精度高，浮吊安装难度大；第二种是先安装整孔预制箱梁，精细调整位置后，采用桥面上的桅杆吊安装墩顶段，优势是施工精度高，缺点是工序多。

图10 整孔箱梁安装工艺的改进

2．节段预制法

节段预制拼装是工业2.5时代的施工方法，其具有预制灵活、运输方便、安装快速的优点，对各种跨度均有良好的适应性。目前，鱼山大桥通航孔桥更是将此工法的最大跨径扩展到了260m。节段预制拼装常见的有悬臂拼装、逐跨拼装两种常见工法。

逐跨拼装拥有最快的施工速度，并且线形易于控制。但是考虑到架桥机的承载能力，单跨重量一般需要在2000t以下，而且传统的逐跨拼装存在墩顶现浇块耐久性难以保证的问题。为此，鱼山大桥在50m箱梁逐跨拼装工艺的基础上，发明了墩顶预制块构造，替代传统的现浇墩顶块，解决了墩顶连续后浇段耐久性薄弱的问题，同时加快了施工进度，促进了此工法的应用和推广。

图11 鱼山大桥50m非通预制墩顶块构造

悬臂拼装适应跨径范围大，工艺成熟，桥梁湿接缝小，对结构耐久性有利，但是此工法对箱梁重量、预应力施加等因素非常敏感，线形不易控制，一些纠偏措施容易产生耐久性薄弱环节，因此对于施工监控水平的要求极高。目前，采用此工法的最宽桥梁为法国的留尼旺新沿海高架，最大宽度29.9m，节段重量为250t。采用此工法的最大跨径、最大梁高都属于鱼山大桥通航孔桥——鱼山大桥通航孔桥跨径为260m，最大梁高12.14m，最大吊重达到了271.3t。

采用整体上部结构的跨海长桥，比较理想的工法是逐跨拼装，跨径进一步增大时，可采用悬臂拼装。当箱梁宽度进一步加大时（如大于26m时），可以采用纵横向节段拼装的工法，进一步控制安装重量，便于运输和安装，增加结构宽度和跨度的适应范围。但是这种方法也有接缝较多、工序复杂等缺点，对耐久性不利。

对整幅箱梁安装工艺和安装设备的思考

对于预制箱梁，从最早的浮吊安装到目前的架桥机安装，经历了从单纯的大型化设备、粗放化控制，到大型化、多功能化设备，精细化控制的转变。笔者认为，从安装的可靠性、安装的高精度、安装风险的可控性角度出发，采用大型化、多功能化架桥机是上部结构安装的发展趋势。在鱼山大桥建设中，更通过信息化控制系统实现了对架桥机安装、过孔等的实时控制，实现了节段的毫米级安装。

对于整幅箱梁的预制，节段预制具有更大的灵活性，而且质量更加可控，整幅节段预制配合架桥机安装，是整幅箱梁制造和安装的发展趋势。

基于工业化4.0的发展，以高性能材料、纳米技术和纳米材料、3D打印技术等新材料的发展为基础，桥梁工业化必将大步迈入桥梁工业4.0时代。这个时代的特色是无人化的制造和安装。桥梁工业4.0包含七个主要的生产要素：物联网、基于物联网的产品柔性定制、先进供应链、生产自动化、AGV运输车辆、实施在线自检、数字孪生。涵盖了从市场需求、材料供应、产品智造、自动运输、自动安装、自动检验，充分发挥了工业化4.0自主化智能制造的威力。

跨海长桥面临着建设条件、环境保护、建设周期、工程品质、造价控制、养护管理六大挑战，本文提出以大型化、整体化、标准化、快速化的工业化思想来指导跨海长桥建设，探讨破解上述六大难题的方法。跨海长桥工业化应遵循“四少四多”原则：少现场，多预制；少串联，多并行；少变化，多统一；少零散，多整体。

对于下部结构，全预制重力式基础、钟形组合基础、超大直径单桩基础是跨海长桥工业化的发展方向；对于上部结构，整体化预制箱梁是跨海长桥工业化的发展趋势。跨海长桥的设计和建造与海工装备的发展相辅相成，依托工业化发展和科技进步，大型化、多功能化的先进海工装备将有力支撑跨海长桥大型化、整体化、标准化、快速化的工业化发展之路。