馬來西亞檳城二橋超長PHC樁沉樁施工技術

張國祥，王奎元

（1.中國港灣工程有限公司，北京　100027；2.中交二航局二公司，重慶　400042）

馬來西亞檳城二橋超長PHC樁沉樁施工技術

張國祥1，王奎元2

（1.中國港灣工程有限公司，北京100027；2.中交二航局二公司，重慶400042）

通過馬來西亞檳城二橋復雜地質(zhì)條件下超長PHC樁的沉樁施工實踐，對PHC樁在復雜地質(zhì)條件下的設備選型、施工方法和最終承載力復核進行了分析和探討，對推廣PHC樁在大型橋梁工程中應用具有參考價值。

檳城二橋；PHC樁；復雜地質(zhì)；沉樁

1　工程概況

馬來西亞檳城第二跨海大橋位于檳島海峽南部水域，東接大陸B(tài)ATU KAWAN地區(qū)，西接檳島BATU MAUNG地區(qū)，線路總長約23 km，其中跨越Penang海峽的跨海大橋長約17.0 km。

檳城二橋主橋及引橋橋面以下工程由中國港灣以EPC方式總承包。檳城二橋主橋結(jié)構形式為雙塔斜拉橋，引橋上部結(jié)構全部為預制節(jié)段箱梁結(jié)構，基礎分別采用預應力高強混凝土管樁（PHC樁）、鋼管樁、鉆孔灌注樁等形式[1]。其中，PHC樁5 168根，樁徑100 cm，壁厚14 cm，樁長53~67 m；77.7%為斜度1/6、1/7、1/8不等的斜樁，單樁設計最大承載力3 100～3 700 kN，極限承載力9 250 kN。

2　施工難點與特點

2.1地質(zhì)條件復雜

擬建橋位由第四紀地層和花崗巖地層組成，基巖埋深相對較深。第四紀地層主要由淤泥、淤泥質(zhì)黏土、砂性黏土、淤泥質(zhì)細到粗砂等構成，且淺表地層含有海洋貝殼碎片，海域淺層為典型的海相沉積。

從地質(zhì)勘察報告看，沿橋梁軸線方向下臥地質(zhì)分層比較清晰，層頂標高平順，局部區(qū)域有硬夾層，對沉樁施工不利。

2.2設計樁長超長

為滿足馬來西亞當?shù)丶夹g標準要求，檳城二橋PHC樁設計樁長平均58 m，最長67 m，因設計樁長超長，對沉樁設備選型、沉樁質(zhì)量控制要求嚴格，增加了沉樁施工難度。

2.3錘擊數(shù)偏多

因設計樁長較長及地質(zhì)條件復雜，造成總錘擊數(shù)偏高，平均錘擊數(shù)2 300擊，最高錘擊數(shù)達5 000擊，造成樁頭破損率高，并有斷樁出現(xiàn)。

3　設備選型

3.1打樁船的選取

打樁船主要根據(jù)現(xiàn)場水文條件、樁徑、樁長及沉樁的經(jīng)濟性進行選取，檳城二橋大陸側(cè)打樁船選用航工樁9進行沉樁施工，“航工樁9”打樁船主要性能參數(shù)見表1。

表1“航工樁9”打樁船參數(shù)表Table 1　Parameters of pile driving barge′Hanggongzhuang 9′

3.2打樁錘選取

打樁錘的選取應充分考慮樁型、樁重、沉樁深度、打樁區(qū)域的地質(zhì)分布和樁尖各土層的標準貫入擊數(shù)N值等因素，在掌握各種樁錘性能的基礎上經(jīng)分析比較后確定。錘擊傳遞的有效能量是樁貫入的決定因素，因此，樁錘的有效能量大小是選錘必須考慮的問題[2]。

檳城二橋打樁錘初期采用“航工樁9”自帶的D128柴油錘進行沉樁，共沉樁263根樁，其中實際樁尖標高超過2 m以上（與設計標高比較）的樁196根，占總數(shù)量的74.5%。通過高應變動力檢測，D128柴油錘傳遞到樁身的錘擊能量100 kJ左右，而設計要求沉樁有效錘擊能量需達到145 kJ，能量偏低造成樁超高較多。使用D128柴油錘進行高應變動測（初打）結(jié)果見表2。

表2　D128柴油錘打樁動測結(jié)果Table 2　Piling dynamic test results of diesel hammer D128

通過后期復打測試，D128柴油錘沉樁承載力均滿足設計要求。但是由于檳城二橋設計停錘標準采用貫入度及標高雙重控制，柴油錘打樁時間過長會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，使錘擊力下降，有時甚至需要等待錘體冷卻后再繼續(xù)作業(yè)。由于錘擊能量不足，造成樁超高較多，較設計標高平均超高3～4 m，說明D128柴油錘無法滿足檳城二橋的打樁要求。

為滿足設計及業(yè)主對錘擊能量的要求，最終選用英國制造的BSP CGL370液壓錘，錘體尺寸9 880 mm（高）×1 670 mm（寬）×2 030 mm（長），總重約50 t，其中錘芯重25 t，最大錘擊能量370 kJ。該錘的特點是能量傳遞率高，錘芯落高較小的增加，會造成錘擊能量和錘擊力較大的增加，所以需對錘芯落高進行精確控制。經(jīng)過實際施工驗證，該液壓錘施工功效及沉樁質(zhì)量控制都比較理想。D128柴油錘與CGL370液壓錘主要技術性能比較見表3。

更換液壓錘后打樁高應變動測（初打）測試結(jié)果見表4。

表3　柴油錘D128與液壓錘BSP CGL370主要技術性能比較Table 3　Main technical performance comparison of diesel hammer D128 and hydraulic hammer BSP CGL370

表4　CGL370液壓錘打樁動測結(jié)果Table 4　Piling dynamic test results of hydraulic hammer CGL370

4　PHC樁沉樁施工要點

4.1沉樁定位

根據(jù)馬來西亞當?shù)貥痘┕ひ?guī)范要求，沉樁完成后平面位置偏差不超過75 mm，管樁定位是關鍵。檳城二橋沉樁施工采用GPS定位系統(tǒng)，根據(jù)預先輸入的單樁平面扭角、平面坐標，利用定位系統(tǒng)顯示的圖形和數(shù)據(jù)調(diào)整船位，使樁到達設計位置。

4.2樁錘落高控制

沉樁施工的關鍵控制點是樁錘落高的控制，樁錘落高控制不當，可能會造成樁頂破損、斷樁或超高樁等質(zhì)量問題。液壓錘的落高與錘的傳遞能量及錘擊力成正比，若落高過高，則錘擊力較大，特別是剛開始錘擊階段，將會造成樁貫入度過大，樁身下降過快，此時通過PDA測試，樁身將會產(chǎn)生較大的拉應力，容易造成樁身斷裂。若錘擊沉樁過程中，樁尖進入較硬的地層，貫入度變小，仍采用過高的落高，則會造成樁頭破損。若錘擊沉樁過程中，遇到地質(zhì)較硬的土層，若樁錘落高較低，則沉樁貫入度過小，往往會造成錘擊數(shù)偏多，同樣容易引起樁頂破損，或者樁頂無法達到設計標高，形成超高樁[3]。

為避免因樁錘落高控制不當引起上述的質(zhì)量問題，在液壓錘正式使用前，在P183墩位上委托測試單位進行了相關項目的PDA測試，從測試結(jié)果看，當樁錘在不同的落高（480 mm、580 mm、650 mm、700 mm、800 mm）、不同的貫入度下錘的平均能量傳遞效率為85%~88%，其中當錘落高650 mm時平均傳遞能量達140 kJ，錘擊力11 701 kN，滿足PHC樁沉樁施工控制要求。通過PDA測試，對CGL370液壓錘落高與傳遞能量、落高與傳遞能量效率進行校正，具體校正見圖1、圖2。

此后工程樁沉樁結(jié)果表明，在超高≤2 m時按錘落高650 mm、貫入度<8 mm的停錘標準進行沉樁控制是可以滿足工程要求的。

圖1　CGL370液壓錘落高與傳遞能量校正圖Fig.1　Correction of drop height and transferred energy of hydraulic hammer CGL370

圖2　CGL370落高與傳遞能量效率圖Fig.2　Efficiency of drop height and transferred energy of hydraulic hammer CGL370

4.3替打設計

根據(jù)檳城二橋PHC樁的施工特點，替打設計上端為圓筒型與樁錘聯(lián)結(jié)，最初圓筒內(nèi)放置鋼絲繩錘墊，具體結(jié)構為交錯放置3層直徑20~30 mm的鋼絲繩。3層鋼絲繩中間用2塊鋼板分隔，上部為1厚板。經(jīng)過一段時間、一定數(shù)量的PHC樁沉樁施工，結(jié)合工程現(xiàn)場地質(zhì)、水文等相關施工條件，施工方對樁墊進行調(diào)整，將原鋼絲繩換成相同高度的鋼板，目的是降低偏心錘擊的程度，提高液壓錘能量發(fā)揮的穩(wěn)定性。通過替打的調(diào)整，大大降低了樁頭破損率，最終檳城二橋PHC樁樁頭破損率控制在2%以內(nèi)[4]。

4.4停錘標準

檳城二橋PHC樁停錘標準采用樁頂標高與貫入度雙重標準進行控制，根據(jù)前期試樁及液壓錘沉樁施工經(jīng)驗制定如表5。

表5　停錘標準Table 5　Standard of stopped hammer

5　主要問題及處理措施

5.1樁頭破損

檳城二橋PHC樁共5 168根，發(fā)生樁頭破損共計115根，樁頭破損率為2.2%，發(fā)生樁頭破損主要原因:1）偏心錘擊，過大的偏心錘擊可能使樁頂局部區(qū)域壓應力過大，長時間的錘擊容易出現(xiàn)樁頭破損或縱向裂縫；2）地質(zhì)資料復雜及樁基設計偏長，沉樁錘擊數(shù)較多，錘擊時間過長，造成樁頭混凝土產(chǎn)生疲勞，容易引起樁頭破損；3）根據(jù)前期沉樁發(fā)現(xiàn)，管樁質(zhì)量基本滿足使用要求，但存在質(zhì)量不穩(wěn)定現(xiàn)象，部分樁存在一定缺陷，也容易引起樁頭破損。

發(fā)生樁頭破損后，若此時貫入度較大、樁頂標高超過設計標高較多，進行樁頭修補，待樁頂達到一定強度后繼續(xù)進行沉樁，直至滿足設計要求。若發(fā)生樁頭破損時，沉樁貫入度較小或樁頂基本達到設計標高，則停止錘擊，進行PDA檢測，檢測合格則停止沉樁，若檢測未能滿足設計要求，則上報咨工后續(xù)處理方案。

5.2斷樁

檳城二橋PHC樁共發(fā)生6根斷樁事故。發(fā)生斷樁的主要原因:1）樁身質(zhì)量缺欠，樁身存在較嚴重的質(zhì)量問題，如樁管內(nèi)壁浮漿過厚、內(nèi)壁露石、壁厚不均、樁接頭位置空隙過大等；2）施工不合理，沉樁過程中偏心錘擊、落錘高度控制不合理等。

發(fā)生斷樁后采用“斷一補二”的措施，以保證整個墩臺的受力滿足設計要求。

6　結(jié)語

馬來西亞檳城二橋PHC樁施工，地處海洋環(huán)境，施工環(huán)境復雜，不可預見因素多，特別是受地質(zhì)和潮水影響較大。在施工過程中，盡力克服外界不利因素的影響，結(jié)合工程的實際情況不斷優(yōu)化施工工藝，從而保證了樁基的施工質(zhì)量。

[1]中國港灣工程有限公司.馬來西亞檳城第二跨海大橋工程施工組織設計[R].2008. China Harbour Engineering Co.,Ltd.Construction organization design of Malaysia Second Penang Bridge project[R].2008.

[2]徐維鈞.樁基施工手冊[M].北京:人民交通出版社，2007. XU Wei-jun.Pile foundation construction manual[M].Beijing: China Communications Press,2007.

[3]劉亞東，史炳峰，李佳圣，等.復雜地質(zhì)條件下高承載力PHC樁沉樁工藝[J].水運工程，2012（9）:182-185，193. LIU Ya-dong,SHI Bing-feng,LI Jia-sheng,et al.On piling technology for high-capacity PHC pile upon complicated ground condition[J].Port&Waterway Engineering,2012(9):182-185,193.

[4]楊挺杰，章濤.復雜地質(zhì)條件下大直徑PHC管樁異常樁率的控制[J].福建建筑，2013（2）:100-102. YANG Ting-jie,ZHANG Tao.Abnormal pile rate control of largediameter PHC piles upon complicated ground condition[J].Fujian Architecture&Construction,2013(2):100-102.

Construction technology of supper-long PHC pile for Malaysia Second Penang Bridge

ZHANG Guo-xiang1,WANG Kui-yuan2
（1.China Harbour Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100027,China; 2.No.2 Eng.Co.,Ltd.of CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 400042,China）

Based on the supper-long PHC piles construction under complicated geological conditions of Malaysia Second Penang Bridge project,we analyzed and discussed the equipment selection,construction method and finial bearing capacity of PHC pile under complicated geological conditions,which has a reference value to promote the PHC piles applied in large bridge projects.

Second Penang Bridge;PHC pile;complicated geological condition;piling

U655.4；U445.4

B

2095-7874（2016）02-0061-04

10.7640/zggwjs201602015

2015-09-07

張國祥（1982— ），男，山東省菏澤市人，工程師，水利水電工程專業(yè)。E-mail:cgxc370@163.com