中國(guó)海洋環(huán)境橋梁大直徑深長(zhǎng)樁基的應(yīng)用研究

馮忠居，劉 闖，戴良軍，王增賢，李孝雄，5，孫平寬

1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064 2.海南省交通運(yùn)輸廳，海南 ?？?570000 3.安徽建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230001 4.福建省交通運(yùn)輸廳，福建 福州 350004 5.滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000 6.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100000

中國(guó)海洋環(huán)境橋梁大直徑深長(zhǎng)樁基的應(yīng)用研究

Study on Application of Deep and Large Pile Foundation of Bridges in China's Marine Environment

馮忠居1，劉 闖2，戴良軍3，王增賢4，李孝雄1，5，孫平寬6

1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064 2.海南省交通運(yùn)輸廳，海南 ?？?570000 3.安徽建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230001 4.福建省交通運(yùn)輸廳，福建 福州 350004 5.滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000 6.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100000

0 引 言

公路交通水平能折射出某地區(qū)或國(guó)家的現(xiàn)代化水平與經(jīng)濟(jì)實(shí)力。中國(guó)海岸線總長(zhǎng)達(dá)3.2萬km，由島嶼海岸線(1.4萬km)與大陸海岸線(1.8萬km)組成[1]，因此，沿海地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需加快對(duì)高技術(shù)、高投入及大跨徑的跨海大橋的修建?？绾４髽蛑饕缭胶?、海峽、近海及連接島嶼[2]，自中國(guó)首座跨海大橋——廈門大橋于1991年5月建成通車，現(xiàn)國(guó)內(nèi)已建通車跨海大橋達(dá)29座。

跨海大橋跨越通航海面，其跨徑遠(yuǎn)大于一般橋梁，橋梁主墩處樁基礎(chǔ)需提供較大荷載。因此，為了滿足橋梁設(shè)計(jì)要求，海洋環(huán)境橋梁樁基礎(chǔ)需設(shè)計(jì)為大直徑深長(zhǎng)樁基。海洋環(huán)境大直徑深長(zhǎng)樁基礎(chǔ)環(huán)境復(fù)雜、幾何尺寸過大，在施工及后期運(yùn)營(yíng)過程中不斷受到海水、海風(fēng)腐蝕，導(dǎo)致其承載力下降，嚴(yán)重影響橋梁的使用年限，如圖1所示。因此，樁基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)時(shí)須充分考慮腐蝕問題，通過增加鋼護(hù)筒防腐、預(yù)留一定樁基礎(chǔ)混凝土保護(hù)層達(dá)到防腐目的；然而各海域環(huán)境變化較大，不同跨海大橋大直徑深長(zhǎng)樁基礎(chǔ)采取的防腐方法不盡相同。另一方面，船舶運(yùn)輸業(yè)的崛起使數(shù)萬噸級(jí)特大型船舶數(shù)量急劇增加，在海水流速較大、自然環(huán)境復(fù)雜等各種因素的影響下，船撞橋梁的事故(圖2)一再發(fā)生，嚴(yán)重危害了人民安全，并給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的損失，破壞了海洋生態(tài)環(huán)境。

圖1 水域中樁基腐蝕

大直徑深長(zhǎng)樁基礎(chǔ)在橋梁工程中的應(yīng)用已十分普遍，廣大技術(shù)人員也在實(shí)際工程中積累了豐富的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，但大直徑深長(zhǎng)樁基礎(chǔ)施工、運(yùn)營(yíng)受海洋性氣候特征及工程環(huán)境影響顯著。因此，本文通過對(duì)中國(guó)已建和在建跨海大橋橋梁樁基礎(chǔ)的幾何尺寸、防腐及防撞措施等方面材料的收集及分析，總結(jié)中國(guó)海洋環(huán)境橋梁大直徑深長(zhǎng)樁基礎(chǔ)的應(yīng)用現(xiàn)狀，為后期深入、系統(tǒng)研究海洋環(huán)境橋梁大直徑深長(zhǎng)樁基礎(chǔ)提供一定的借鑒。

圖2 樁基遭遇船舶撞擊

1 海洋環(huán)境橋梁大直徑深長(zhǎng)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)指標(biāo)

20世紀(jì)50年代修建武漢長(zhǎng)江大橋時(shí)，在世界范圍內(nèi)首次采用了大型管柱基礎(chǔ)代替氣壓沉箱基礎(chǔ)的施工方法，之后推廣并發(fā)展了這種先進(jìn)的深水基礎(chǔ)形式，出現(xiàn)了大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。十一屆三中全會(huì)后，中國(guó)橋梁建設(shè)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并從橋梁大國(guó)邁向了橋梁強(qiáng)國(guó)，橋梁所采用的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)直徑不斷增大。海洋環(huán)境大直徑深長(zhǎng)樁基設(shè)計(jì)主要指標(biāo)包含樁基幾何尺寸(樁長(zhǎng)、樁徑)、鋼護(hù)筒幾何尺寸(長(zhǎng)度、直徑、厚度)、混凝土標(biāo)號(hào)等。中國(guó)部分跨海大橋樁基礎(chǔ)主要指標(biāo)見表1。

由表1可見，隨著中國(guó)跨海大橋建設(shè)的快速發(fā)展，樁基礎(chǔ)樁徑不斷增大，由廈門海滄大橋的2.0 m增加到正在建設(shè)中的鋪前大橋的4.0 m，其中鋼護(hù)筒直徑比樁徑大0.2^0.3 m。樁長(zhǎng)的確定與橋址區(qū)地質(zhì)情況有關(guān)，為滿足上部荷載作用下橋梁的安全，跨海大橋樁基礎(chǔ)均為嵌巖樁。鋼護(hù)筒的厚度變化范圍較大，其中鋪前大橋鋼護(hù)筒厚度最大，達(dá)到45 mm。

2 海洋環(huán)境橋梁大直徑深長(zhǎng)樁基礎(chǔ)

海洋環(huán)境復(fù)雜，影響大直徑深長(zhǎng)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的因素較多，其中主要影響參數(shù)包括：樁基幾何尺寸(上部荷載、地質(zhì)情況)、鋼護(hù)筒長(zhǎng)度(海水深度、地質(zhì)情況)、鋼護(hù)筒厚度(海水腐蝕性)、鋼護(hù)筒直徑(樁基直徑)、混凝土標(biāo)號(hào)(上部荷載)。在橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，海水腐蝕及船舶撞擊會(huì)嚴(yán)重影響樁基礎(chǔ)安全。因此，在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮耐久性設(shè)計(jì)及防撞措施。

2.1 海洋環(huán)境樁基礎(chǔ)腐蝕機(jī)理

海洋環(huán)境樁基礎(chǔ)主要由混凝土和鋼筋組成，樁基礎(chǔ)的腐蝕與海水特性及化學(xué)成分密切相關(guān)，圖3為海水中樁基礎(chǔ)腐蝕破壞的示意。

海水對(duì)混凝土的腐蝕主要分為溶出性腐蝕、陽離子交換性腐蝕及膨脹性腐蝕。當(dāng)海水入滲混凝土內(nèi)部時(shí)，表層的Mg2+和CO32-呈結(jié)合狀態(tài)，并沉淀出大量的CaSO4·H2O，在海水與混凝土接觸處積累，且海水中含有大量的NaCl以及一些CaCl2、CaSO4等鹽類，能夠溶解水泥中大多數(shù)組成部分；海水中鎂鹽與混凝土中的陽離子產(chǎn)生交換，生成的新物質(zhì)不能起到“骨架”作用；混凝土與外界硫酸鹽離子接觸時(shí)，生成膨脹性鹽而引起膨脹，使表層開裂或軟化，裂縫又增加了含有硫酸鹽離子和其他離子的侵蝕性水的滲透，進(jìn)一步加劇混凝土的腐蝕[3]。當(dāng)海水與鋼筋接觸時(shí)，鋼筋在高pH值環(huán)境下形成的鈍化保護(hù)膜開始脫落，繼而失去保護(hù)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)開始銹蝕。

表1 跨海大橋樁基礎(chǔ)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要指標(biāo)

2.2 海洋環(huán)境跨海大橋樁基礎(chǔ)環(huán)境類別及等級(jí)分類

跨海大橋橋址區(qū)海水中含鹽量及含氯量決定著海洋氯化物環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕強(qiáng)度，規(guī)范中一般依據(jù)海水中氯離子濃度進(jìn)行環(huán)境作用等級(jí)劃分。中國(guó)沿海地區(qū)海水含鹽量及含氯量差異較大，依據(jù)《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTG/T B07-01—2006)對(duì)中國(guó)部分跨海大橋環(huán)境等級(jí)進(jìn)行劃分，結(jié)果見表2。

圖3 海水中樁基礎(chǔ)腐蝕破壞示意

表2 跨海大橋樁基環(huán)境等級(jí)劃分

3 海洋環(huán)境跨海大橋樁基礎(chǔ)耐久性設(shè)計(jì)

海洋環(huán)境中樁基礎(chǔ)耐久性設(shè)計(jì)包括改善混凝土自身結(jié)構(gòu)、提高密實(shí)度和抗?jié)B能力以及附加防腐措施。

3.1 改善混凝土自身結(jié)構(gòu)

(1)選用低水化熱和含堿量偏低的水泥，盡可能避免使用早強(qiáng)水泥和高C3A含量的水泥。

(2)選用堅(jiān)固耐久、級(jí)配合格、粒型良好的潔凈骨料。

(3)使用優(yōu)質(zhì)粉煤灰、礦渣等礦物摻合料或復(fù)合礦物摻合料；除特殊情況外，礦物摻合料應(yīng)作為耐久性混凝土的必需組分。

(4)采用優(yōu)質(zhì)的引氣劑，將適量的引氣劑作為配制耐久混凝土的常規(guī)手段。

(5)盡量降低拌和水用量，為此應(yīng)外加高效減水劑或有高效減水功能的復(fù)合外加劑。

(6)限制單方混凝土中膠凝材料的最高用量，為此應(yīng)特別重視混凝土骨料的級(jí)配以及粗骨料的粒型要求。

(7)盡可能減少混凝土膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量，且膠凝材料的總量也不能過高。

(8)混凝土中最大水灰比、最小水泥用量、最大氯離子含量、最大堿含量及抗?jié)B性能滿足《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)程》(JTG/T B07-01—2006)的要求。進(jìn)場(chǎng)骨料需做堿活性檢測(cè)。

(9)混凝土中宜摻加符合技術(shù)要求的粉煤灰、礦渣或硅粉等礦物摻和料。

3.2 附加防腐措施

從氯離子在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律來看，混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命不僅與混凝土材料本身的氯離子擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)，而且與鋼筋的保護(hù)層厚度密切相關(guān)[4]。理論上，鋼筋的保護(hù)層越厚，氯離子擴(kuò)散到鋼筋表面的時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土結(jié)構(gòu)的壽命也越長(zhǎng)；但是保護(hù)層過大不利于結(jié)構(gòu)裂縫控制，同樣會(huì)造成結(jié)構(gòu)的耐久性降低。因此，只有合理地確定保護(hù)層厚度，才能有效保護(hù)鋼筋，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性[5]。中國(guó)跨海大橋鋼筋保護(hù)層最小厚度見表3[6]。

表3 鋼筋保護(hù)層厚度

海洋環(huán)境樁基礎(chǔ)施工中常通過下放鋼護(hù)筒來穩(wěn)定樁基鉆孔孔壁，因后續(xù)施工需要及護(hù)筒埋深較大，鋼護(hù)筒在成樁后一般不再回收。因此，鋼護(hù)筒在樁基礎(chǔ)后期運(yùn)營(yíng)過程中起一定的防腐作用，且實(shí)體工程中對(duì)鋼護(hù)筒也會(huì)采取一定的防腐措施，從而保證樁基礎(chǔ)在使用年限內(nèi)的安全。目前，海洋環(huán)境鋼護(hù)筒主要從材料的選擇、涂層改性、防腐涂料及電化學(xué)保護(hù)等方面進(jìn)行防腐[7]。

防腐涂料的主要作用是阻止海水中的腐蝕介質(zhì)與鋼護(hù)筒直接接觸，而發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)腐蝕。但是，防腐涂料在短期內(nèi)防腐效果較好，隨著時(shí)間的增加，表層涂料(環(huán)氧樹脂、環(huán)氧煤瀝青底漆、環(huán)氧煤瀝青面漆、環(huán)氧瀝青防銹漆、厚漿型鋁粉環(huán)氧瀝青防銹漆、厚漿型環(huán)氧瀝青防銹漆、環(huán)氧煤瀝青管道專用漆、瀝青清漆、耐高溫防腐涂料ZS、無機(jī)防腐涂料等)的防腐效果逐漸減弱，因此，在海洋橋梁工程中鋼護(hù)筒的長(zhǎng)期防腐最好采用防腐涂料與電化學(xué)保護(hù)相結(jié)合的方法[8]，如圖4所示。

3.3 大直徑深長(zhǎng)樁基礎(chǔ)防撞設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)新建的跨海大橋主通航孔均是針對(duì)承臺(tái)部分進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)，且船舶撞擊以樁基礎(chǔ)部位較多。防撞設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮橋址區(qū)氣象、水文及地質(zhì)情況、航道幾何尺寸、通航等級(jí)、通航密度、航速及船舶類型等。防撞措施主要分為兩大類：阻止船舶與橋梁直接撞擊接觸；船舶撞擊橋梁后，通過消能緩沖的方式降低撞擊力，達(dá)到防撞作用[9]。經(jīng)對(duì)中國(guó)跨海大橋防撞措施的調(diào)研與分析，歸納出橋梁的典型防撞措施應(yīng)用情況，如表4所示。

圖4 防腐涂層及電化學(xué)保護(hù)

表4 中國(guó)跨海大橋采用的防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)形式

4 海洋環(huán)境橋梁大直徑深長(zhǎng)樁基礎(chǔ)施工工藝

跨海大橋橋址區(qū)風(fēng)大、流急、浪高、潮差大、水文條件復(fù)雜，且受到海洋環(huán)境的影響。樁基礎(chǔ)直徑大、樁孔深，施工環(huán)境惡劣，對(duì)橋梁樁基的施工提出更高的要求。樁基礎(chǔ)施工工序主要分為：鋼護(hù)筒下沉、成孔、鋼筋籠下放及混凝土灌注[10]。本文在國(guó)內(nèi)外已建成特大型橋梁樁基施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合鋪前大橋工程實(shí)際，對(duì)海洋環(huán)境特大型橋梁超長(zhǎng)樁基的成孔及成樁工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究。

4.1 鋼護(hù)筒下沉技術(shù)

鋼護(hù)筒采用打樁船“樁9” 沉放，并在打樁船船首樁架的底座上焊接安裝固定式雙層導(dǎo)向架定位導(dǎo)向，配備2 臺(tái)YZ300高頻液壓振動(dòng)錘以聯(lián)動(dòng)激振的方式振動(dòng)下沉[11]?，F(xiàn)場(chǎng)鋼護(hù)筒頂標(biāo)高應(yīng)控制在5.3±0.1 m范圍內(nèi)，平面偏位控制在50 mm以內(nèi)，垂直度控制在1/200以內(nèi)，如圖5所示。

4.2 樁基礎(chǔ)成孔技術(shù)

鋪前大橋樁基施工過程中，鉆機(jī)需要穿過淤泥層、粉質(zhì)黏土層、微風(fēng)化花崗巖層等地層。34#主墩從鉆孔平臺(tái)頂面至樁孔底部最大深度為38 m左右，大直徑樁樁徑為4.0 m。根據(jù)橋址處的具體工程地質(zhì)條件，并結(jié)合以往類似工程的成孔經(jīng)驗(yàn)，主橋34#墩選用動(dòng)力頭輸出扭距大、提升能力強(qiáng)、速度快、移動(dòng)方便的ZJD-5000鉆機(jī)，并選取球齒滾刀鉆頭，如圖6所示。

在樁基礎(chǔ)鉆進(jìn)過程中，為保證孔壁的穩(wěn)定性并利于鉆渣排出，需在鉆進(jìn)過程中配制性能良好的泥漿。鉆孔護(hù)壁泥漿采用膨潤(rùn)土造漿，根據(jù)施鉆地層的特點(diǎn)，為防止在鉆孔施工過程中發(fā)生流砂及軟流塑地層擴(kuò)孔、塌孔、縮徑等現(xiàn)象，保持孔壁穩(wěn)定，使用不分散、低固相、高黏度泥漿進(jìn)行護(hù)壁。不同土層中泥漿性能有所差異，具體指標(biāo)見表5。

4.3 樁基礎(chǔ)成樁技術(shù)

4.3.1 鋼筋籠制作與下放

圖5 鋼護(hù)筒下沉

圖6 ZJD-5000鉆機(jī)及球齒滾刀鉆頭

34#左幅承臺(tái)區(qū)域樁基鋼筋籠分成4節(jié)，共40 m(3×12 m+4 m)，重約107.63 t。鋼筋籠分節(jié)制造安裝，根據(jù)鋼筋籠的全長(zhǎng)及吊裝能力，左幅分4段、右幅分3段吊裝入孔對(duì)接。鋼筋籠在加工車間下料，采用長(zhǎng)線法臺(tái)座制作，如圖7所示。

表5 回旋鉆在軟弱地質(zhì)泥漿的性能指標(biāo)

4.3.2 混凝土灌注

水下混凝土灌注使用大料斗、小料斗、導(dǎo)管和灌注平臺(tái)。初灌時(shí)混凝土由拖泵傳送至大料斗儲(chǔ)存，大料斗的作用是匯集從滑槽流下來的混凝土，使之順利進(jìn)入導(dǎo)管。在水下混凝土灌注過程中混凝土拌和物始終通過拖泵輸入集料斗，再由大料斗流入小料斗，從而直接進(jìn)入導(dǎo)管直至灌注混凝土結(jié)束，如圖8所示。

圖7 鋼筋籠制作與下放

圖8 灌注水下混凝土

5 結(jié)語

(1)海洋環(huán)境橋梁樁基礎(chǔ)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)由上部荷載、橋址區(qū)巖土體物理力學(xué)參數(shù)及周邊環(huán)境決定。樁基礎(chǔ)幾何尺寸的不斷增大，對(duì)鋼護(hù)筒下沉、成孔及成樁技術(shù)提出了更高的要求。

(2)海洋環(huán)境中富含的NaCl、 CaCl2及CaSO4等鹽類會(huì)嚴(yán)重腐蝕橋梁樁基礎(chǔ)，縮短橋梁樁基礎(chǔ)的使用年限。

實(shí)體工程中通過改善混凝土自身結(jié)構(gòu)、提高密實(shí)度和抗?jié)B能力、設(shè)置一定厚度混凝土保護(hù)層、對(duì)鋼護(hù)筒表面使用環(huán)氧樹脂等防腐涂料與電化學(xué)保護(hù)聯(lián)合的方法進(jìn)行防腐，有效防止了樁基礎(chǔ)在使用過程中遭受海水的腐蝕。

(3)海洋環(huán)境中樁基礎(chǔ)防撞措施主要采用鋼套箱，該措施有效保障了樁基礎(chǔ)在船舶撞擊作用下的安全；但撞擊過程中對(duì)船舶、橋梁均產(chǎn)生不同程度損壞。因此，不僅要充分考慮通航等級(jí)的設(shè)計(jì)，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)船舶的管理。

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海南省交通科技項(xiàng)目(HNZXY2015-045 R)