平潭海峽公鐵兩用大橋超大直徑鉆孔樁施工技術(shù)

楊碧波

摘 要：本文通過(guò)對(duì)平潭海峽公鐵兩用大橋鼓嶼門(mén)水道橋Z04～Z05#墩直徑4.5m～4.9m超大直徑變截面鉆孔樁施工技術(shù)的研究與實(shí)施，分析在復(fù)雜海峽氣候環(huán)境下搭設(shè)水上鉆孔平臺(tái)、精確定位插打大型鋼護(hù)筒、選擇新型鉆機(jī)成孔、鋼筋籠安裝定位及成樁過(guò)程中的各種困難和實(shí)施方案。根據(jù)超聲波成樁檢測(cè)結(jié)果，充分證明該技術(shù)運(yùn)用是成功的。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)也提出了一些注意事項(xiàng)，希望對(duì)今后同類(lèi)型施工提供一些借鑒作用。

關(guān)鍵詞：超大直徑；海峽環(huán)境；大型鋼護(hù)筒；新型鉆機(jī)；鋼筋籠定位

1 概述

平潭海峽公鐵兩用大橋起于長(zhǎng)樂(lè)市松下鎮(zhèn)，經(jīng)人嶼島，跨越元洪航道和鼓嶼門(mén)水道，再依次通過(guò)長(zhǎng)嶼島和小練島、跨越大小練島水道抵達(dá)大練島，大橋全長(zhǎng)約11.15km。其中鼓嶼門(mén)水道橋?yàn)闃蚩绮贾茫ㄒ?jiàn)圖1）128+154+364+154+128m的鋼桁混合梁斜拉橋。

Z04、Z05為鼓嶼門(mén)水道橋主輔助墩。基礎(chǔ)分別采用16根和8根直徑4.5/4.9m變截面鉆孔樁，C45水下混凝土，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)從40～77m不等，樁頂標(biāo)高均為-4m，實(shí)測(cè)海床標(biāo)高從-27.0～-19.0m變化。橋位處地層從上至下依次為中砂覆蓋層、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化流紋巖、弱風(fēng)化流紋巖。

2 作業(yè)條件

大橋位于惡劣的海峽環(huán)境，平臺(tái)設(shè)計(jì)、設(shè)備選用、結(jié)構(gòu)施工必須充分考慮環(huán)境影響。

2.1 潮位及流速

橋位處設(shè)計(jì)高潮位+4.18m， 設(shè)計(jì)低潮位-1.89m；潮型屬于正規(guī)半日潮。10年一遇流速2.46m/s，基本與橋軸線(xiàn)垂直。潮位對(duì)成孔過(guò)程中水頭控制影響較大。

2.2 氣象

橋址工程區(qū)域百年重現(xiàn)期十分鐘平均最大風(fēng)速44.8m/s。大風(fēng)日數(shù)主要集中在10 月～次年2 月。橋位處的極大風(fēng)天數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1。由此可見(jiàn)，復(fù)雜的氣象條件不利于鋼筋籠的吊裝和對(duì)接。

2.3 波浪

橋址區(qū)平均海平面為+0.25m。10年一遇H5%（指累計(jì)頻率為5%）波高為5.44m，周期為7.8s。波浪對(duì)浮吊的穩(wěn)定性影響較大，不利于鉆機(jī)安裝和鋼筋籠對(duì)接。

3 總體施工規(guī)劃

海上超大直徑鉆孔樁按作業(yè)工序分為5個(gè)步驟：建立海上鉆孔平臺(tái)、大型鋼護(hù)筒定位插打、樁基成孔施工、鋼筋籠制作安裝及混凝土灌注成樁。

首先，采用打樁船插打鋼管樁，焊接連接系，架設(shè)桁架形成鉆孔平臺(tái)，并在平臺(tái)上安裝門(mén)式吊機(jī)作為鋼筋籠對(duì)接下放和鉆機(jī)移位的起重設(shè)備；其次，利用浮吊整體吊裝大型鋼護(hù)筒，通過(guò)雙層導(dǎo)向裝置安裝定位，并采用S-800液壓沖擊錘沖擊下沉；根據(jù)地質(zhì)、樁徑、深度選用KYY5000型動(dòng)力頭新型回旋鉆機(jī)成孔；接著利用鋼筋籠懸掛環(huán)和懸掛筒精確安裝定位鋼筋籠；最后利用單導(dǎo)管灌注水下混凝土成樁。

4 海上超大直徑鉆孔樁施工

4.1 鉆孔平臺(tái)施工

鉆孔平臺(tái)是海上樁基施工各種設(shè)備及人員作業(yè)的承重結(jié)構(gòu)和活動(dòng)場(chǎng)所，必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

4.1.1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

⑴平臺(tái)底層連接系設(shè)計(jì)位置必須滿(mǎn)足低潮位時(shí)水上安全焊接作業(yè)要求，。

⑵為克服風(fēng)大、流急、浪高等惡劣的海峽氣候環(huán)境影響，平臺(tái)采用斜樁設(shè)計(jì)，抵御橫向水平力，保證平臺(tái)穩(wěn)定性。

⑶平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)采用貝雷梁和預(yù)制混凝土板，方便現(xiàn)場(chǎng)制安，提高作業(yè)工效。

⑷平臺(tái)上設(shè)箱型軌道梁，安裝一臺(tái)200t門(mén)式吊機(jī)，滿(mǎn)足重達(dá)125t鋼筋籠的對(duì)接安裝及鉆機(jī)移位要求（見(jiàn)圖2）。

⑸為增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下的抗腐蝕性能，鋼結(jié)構(gòu)表面均按規(guī)范進(jìn)行防腐涂裝。

4.1.2、平臺(tái)施工

平臺(tái)施工的關(guān)鍵是海上沉樁，由于管樁重量大，海上風(fēng)大浪高流急，不可能采用傳統(tǒng)的“釣魚(yú)法”施工工藝，必須選擇抗風(fēng)浪強(qiáng)的船體和能量滿(mǎn)足使用要求的打樁錘。

⑴、管樁采用海威951打樁船D128柴油沖擊錘二檔沉樁，首先打樁船絞錨銜樁，經(jīng)GPS精確定位后，管樁通過(guò)抱樁器插入海床利用錘體壓樁，最后進(jìn)行沉樁作業(yè)。沉樁以貫入度控制為主，管樁的平面位置和傾斜度控制標(biāo)準(zhǔn)分別為±200mm和1.5%。個(gè)別偏差超標(biāo)的管樁通過(guò)樁頂增設(shè)雙層分配梁調(diào)節(jié)。

⑵、連接系、分配梁及桁架通過(guò)400t浮吊吊裝焊接或安裝，施工時(shí)，必須建立安全操作平臺(tái)和通道。當(dāng)穩(wěn)定的小平臺(tái)建立完成，后期的連接系等構(gòu)件可以通過(guò)100t履帶吊機(jī)吊裝，減小浪涌對(duì)浮吊的影響。

4.2、護(hù)筒施工

4.2.1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼護(hù)筒是防止海水灌入孔內(nèi)及避免不穩(wěn)定地層垮塌的維護(hù)結(jié)構(gòu)。

⑴設(shè)計(jì)長(zhǎng)度必須滿(mǎn)足護(hù)筒底端穿過(guò)松散地層進(jìn)入穩(wěn)定層1-2m，頂部與平臺(tái)面齊平。

⑵鋼護(hù)筒標(biāo)準(zhǔn)截面設(shè)計(jì)為φ4900×36mm，兩端4m范圍采用50mm的鋼板增強(qiáng)剛度（詳見(jiàn)：圖3），滿(mǎn)足吊裝和插打要求。

⑶兩端設(shè)計(jì)吊耳，方便護(hù)筒豎轉(zhuǎn)起吊。內(nèi)支撐與吊耳位置對(duì)應(yīng)。

4.2.2、護(hù)筒吊裝

⑴選擇風(fēng)力小于8級(jí)（橋位處幾乎沒(méi)有風(fēng)力小于6級(jí)的時(shí)間），浪高小于2.5m時(shí)進(jìn)行吊裝作業(yè)，確保船體穩(wěn)定和護(hù)筒能順利插入平臺(tái)導(dǎo)向。

⑵鋼護(hù)筒最大長(zhǎng)度約60m，272t。結(jié)合潮位、平臺(tái)高度和吊具長(zhǎng)度等因素選用1000t的大橋海宇號(hào)浮吊副鉤滿(mǎn)足吊重、吊高和吊距要求。鋼絲繩、卸扣、吊具等必須按規(guī)范驗(yàn)算滿(mǎn)足吊裝要求。

⑶吊裝采用雙鉤三點(diǎn)起吊。副鉤在上，主鉤在下，兩鉤同時(shí)起升一定高度后主鉤落，副鉤升，直至鋼護(hù)筒豎立后，摘除主鉤吊具，割除底部吊耳和內(nèi)支撐。最后通過(guò)孔位處安裝的雙層護(hù)筒可調(diào)導(dǎo)向架將護(hù)筒插至海床精確定位。

4.3.3、護(hù)筒插打

護(hù)筒插打可以采用液壓振動(dòng)錘和液壓沖擊錘兩種設(shè)備，但振動(dòng)錘無(wú)法將護(hù)筒沉入巖內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)綜合考慮采用S-800液壓沖擊錘（詳見(jiàn)圖4）。能量控制在400～450KJ時(shí)，護(hù)筒貫入度小于5mm，結(jié)合地勘資料，護(hù)筒底部已穿過(guò)覆蓋層進(jìn)入碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層約1m深度，滿(mǎn)足施工要求。

4.3、成孔作業(yè)

直徑4.5m/4.9m變徑樁是世界上目前最大的橋梁樁，以往沒(méi)有類(lèi)似的成孔經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備可供參考和選擇。復(fù)雜的地質(zhì)情況和施工環(huán)境對(duì)成孔過(guò)程中確?？讖胶蛢A斜度滿(mǎn)足規(guī)范要求帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

4.3.1、設(shè)備選型

施工選用KTY5000型動(dòng)力頭新型旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，最大扭矩450KN.M，適合直徑3.5～5.0m樁基，最大鉆孔深度達(dá)180m，配備楔齒和球齒兩種鉆頭，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

4.3.2、鉆進(jìn)成孔

橋位處的地質(zhì)根據(jù)地勘表明，從上至下依次為9～21m覆蓋砂層，2～15m碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化流紋巖，下部為弱風(fēng)化或微風(fēng)化流紋巖。樁基按嵌巖樁設(shè)計(jì)，樁尖入弱風(fēng)化巖長(zhǎng)度不小于7m。

⑴根據(jù)樁位設(shè)計(jì)中心利用龍門(mén)吊拼裝旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)。

⑵護(hù)筒內(nèi)配置海水泥漿，并根據(jù)潮位將水頭控制在2m左右。

⑶覆蓋層采用楔齒鉆頭，強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化流紋巖采用球齒鉆頭低壓鉆進(jìn)，鉆壓控制在40～50%左右。

⑷成孔清渣后測(cè)量孔深，并采用超聲波檢孔儀檢測(cè)孔徑和傾斜度。

4.3.3、問(wèn)題處理

成孔過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到護(hù)筒卷邊、涌砂漏漿，傾斜巖面等問(wèn)題，施工過(guò)程中必須采取有效措施才能保證成孔質(zhì)量。

⑴護(hù)筒下沉過(guò)程中遇孤石，由于端部受力不均造成底口卷邊，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)采用小鉆頭在卷邊處鉆進(jìn)取渣，再由潛水員水下切割。

⑵護(hù)筒底口處經(jīng)常出現(xiàn)漏漿涌砂，可以采取加大泥漿比重、在泥漿中加入鋸末爐渣等方法堵漏。涌砂量大時(shí)可以采用樁周注漿加固地層等方法解決。

⑶碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化與弱風(fēng)化巖交界處，由于巖面傾斜極易出現(xiàn)斜孔顯現(xiàn)，施工時(shí)應(yīng)先將軟弱層清理完畢后水下灌注C50混凝土，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后重新鉆進(jìn)，以糾正其傾斜度。

⑷碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化遇水容易坍塌造成擴(kuò)孔或塌孔，施工時(shí)保證水頭，加大泥漿比重，且慎用鉆桿穩(wěn)定器，減少對(duì)孔壁的擾動(dòng)。

4.4 鋼筋籠安裝

4.4.1、鋼筋籠設(shè)計(jì)

鋼筋籠按變截面設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖6），雙層三根一束φ40主筋布置，最大重量125t。鋼筋籠孔口對(duì)接和精確定位是施工重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4.4.2、鋼筋籠對(duì)接下放

⑴孔口處安裝鋼筋籠懸掛環(huán)，懸掛環(huán)中心與樁位中心重合。

⑵鋼筋籠在胎具上長(zhǎng)線(xiàn)法制作，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后由200t門(mén)吊與履帶吊機(jī)配合用“一”字型扁擔(dān)吊具將首節(jié)鋼筋籠起吊豎立，插入護(hù)筒內(nèi)，同時(shí)伸出懸掛環(huán)卡板至鋼筋籠頂部加勁環(huán)下，將其固定在孔口（見(jiàn)圖7）。

⑶吊具轉(zhuǎn)換。由于鋼筋籠對(duì)接后重量加大，次節(jié)鋼筋籠起吊后必須在其他孔口轉(zhuǎn)換成多點(diǎn)受力的環(huán)形吊具（見(jiàn)圖8）。⑷鋼筋籠在孔口采用機(jī)械接頭連接，綁扎箍筋，抽出卡板并依次割除內(nèi)支撐下放鋼筋籠。

⑸鋼筋籠定位。末節(jié)鋼筋籠連接完成后，根據(jù)平臺(tái)標(biāo)高和樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高確定鋼筋籠豎向定位鋼筋長(zhǎng)度，平面位置采用保護(hù)層墊塊和水平定位鋼筋定位。最后利用懸掛吊桶將鋼筋籠固定在懸掛吊環(huán)上，完成鋼筋籠安裝。

4.5、成樁作業(yè)

4.5.1、成樁作業(yè)是影響樁基質(zhì)量的關(guān)鍵工序，尤其是直徑4.5m/4.9m超大直徑變徑樁，最大灌注方量達(dá)1400m3，必須提前做好各項(xiàng)灌注準(zhǔn)備工作。

⑴、為增加混凝土的灌注速度，專(zhuān)門(mén)制作φ426×10mm的導(dǎo)管，灌注前進(jìn)行水密試驗(yàn)。

⑵、檢查泥漿指標(biāo)和沉渣厚度是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，否則利用導(dǎo)管采用氣舉反循環(huán)二次清孔。

⑶、根據(jù)混凝土供應(yīng)能力，配合比設(shè)計(jì)初凝時(shí)間不小于15小時(shí)。其他指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

⑷、根據(jù)最大灌注孔深和孔內(nèi)液面高度，首封混凝土不少于25m3，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)27m3+7m3大小儲(chǔ)料斗配合。

4.5.2、混凝土采用陸上2×HZS120攪拌站和海天4號(hào)、海天號(hào)兩艘攪拌船同時(shí)供應(yīng)，每小時(shí)混凝土產(chǎn)量約120m3，確保12小時(shí)內(nèi)灌注完成（詳見(jiàn)圖9）。灌注過(guò)程采用鋼絲測(cè)繩沿樁周四點(diǎn)同步測(cè)量混凝土面標(biāo)高，導(dǎo)管埋深控制在4-6m。設(shè)計(jì)樁頂超灌1m，保證樁身質(zhì)量，灌注完成后立即人工清理至設(shè)計(jì)樁頂以上50cm，避免混凝土強(qiáng)度上升后，樁頭難以處理。

4.6、注意事項(xiàng)

4.6.1、海上吊裝必須在風(fēng)力小于8級(jí)，浪高小于2.5m時(shí)作業(yè)。

4.6.2、鋼管樁插打遇光板巖地質(zhì)時(shí)，管樁內(nèi)必須施工錨樁。

4.6.3、鋼護(hù)筒插打時(shí)，沖擊能量不宜大于450KJ，否則鋼護(hù)筒底部容易卷邊。

4.6.4、成孔過(guò)程中應(yīng)結(jié)合地勘資料及時(shí)判定強(qiáng)風(fēng)化與弱風(fēng)化交界面是否有傾斜巖面，必要時(shí)可以提前灌注2m左右高標(biāo)號(hào)混凝土重新鉆進(jìn)，否則容易出現(xiàn)斜孔現(xiàn)象。

4.6.5、混凝土供應(yīng)能力必須滿(mǎn)足要求，確?；炷猎诔跄龝r(shí)間內(nèi)灌注完成。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)樁基的超聲波無(wú)損檢測(cè)，確定樁基質(zhì)量完好，符合設(shè)計(jì)要求，證明平潭海峽公鐵兩用大橋直徑4.5m/4.9m變徑樁的施工工藝是滿(mǎn)足施工要求的的，該方案的成功實(shí)施從此為跨海大橋的深水基礎(chǔ)超大直徑樁施工奠定了基礎(chǔ)，也為橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展邁出了一小步。

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