港珠澳大橋橋梁工程鋼管復(fù)合樁 施工及質(zhì)量控制

楊斌財(cái)

（港珠澳大橋管理局，廣東 珠海 519015）

0 引 言

隨著我國(guó)建橋水平的不斷提高，跨海大橋的建設(shè)越來(lái)越多，鋼管復(fù)合樁作為跨海橋梁基礎(chǔ)的承力結(jié)構(gòu)將廣泛出現(xiàn)，其施工質(zhì)量影響著整個(gè)橋梁的結(jié)構(gòu)壽命，因此，對(duì)其施工質(zhì)量進(jìn)行有效控制尤為重要。本文依托工程實(shí)際，對(duì)鋼管樁施工及質(zhì)量控制重點(diǎn)進(jìn)行逐一闡述，解決了鋼管樁加工制造、插打精度、海上鉆孔平臺(tái)合理設(shè)置、深水超長(zhǎng)樁基成孔及海上混凝土澆筑等一系列難題，確保了鋼管復(fù)合樁的施工質(zhì)量，以期為同類項(xiàng)目提供參考。

1 工程概述

港珠澳大橋主體工程橋梁工程起于島隧工程結(jié)合部非通航孔橋西端，經(jīng)深水區(qū)非通航孔橋、青州航道橋、江海直達(dá)船航道橋、九洲航道橋、淺水區(qū)非通航孔橋，止于珠澳口岸人工島連接橋，全長(zhǎng)約 22.9 km［1］。1 522 根 2.0、2.2、2.5 m 直徑的鋼管復(fù)合樁，樁長(zhǎng) 25～145 m。復(fù)合樁上段為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管長(zhǎng)度 20～80 m（含替打段），壁厚 22～36 mm，下段為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，樁底嵌入中風(fēng)化巖石持力層不小于 2d（d 為樁徑），樁基鋼筋籠貫通整個(gè)樁長(zhǎng)。

2 鋼管樁施工

2.1 鋼管樁制造

鋼管樁分樁身和樁尖兩部分，其中樁身部分為螺旋管，樁尖為直縫管，兩者采用環(huán)向焊縫對(duì)接，樁頂段設(shè)有內(nèi)外剪力環(huán)，內(nèi)剪力環(huán)工廠內(nèi)焊接，外剪力環(huán)等墩臺(tái)安裝到位后現(xiàn)場(chǎng)焊接，鋼管樁加工如圖1 所示。鋼管樁內(nèi)外壁均采用防腐涂層，外壁采用雙層環(huán)氧粉末涂層，內(nèi)壁采用無(wú)溶劑液體環(huán)氧涂層。鋼管樁卷制加工及防腐噴涂施工監(jiān)理全過(guò)程旁站，所有焊縫均采用超聲波 100 % 檢測(cè)，涂層厚度采用涂層測(cè)厚儀進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)業(yè)主方委托第三方試驗(yàn)檢測(cè)中心對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行不少于 25 % 的抽檢，確保鋼管樁的加工質(zhì)量，成品如圖2 所示。

圖1 鋼管樁加工

圖2 鋼管樁成品

2.2 鋼管樁打設(shè)

鋼管樁經(jīng)驗(yàn)收合格后，采用運(yùn)輸船運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)，一般每批次運(yùn)送一個(gè)墩（非通航孔橋）的 6 根鋼管樁。根據(jù)前期試樁［2］及埋置承臺(tái)試驗(yàn)鋼管樁插打的成果［3］，采用移動(dòng)式導(dǎo)向架進(jìn)行打樁（見(jiàn)圖3），移動(dòng)導(dǎo)向架打樁系統(tǒng)由打樁船、移動(dòng)導(dǎo)向架、三臺(tái) GPS、三臺(tái)激光掃描儀、兩臺(tái)傾角傳感器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及打樁軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)通過(guò) GPS 確定絕對(duì)位置，激光掃描儀確定相對(duì)位置，通過(guò)不同高度的激光掃描儀掃描樁中心坐標(biāo)及兩掃描儀的高差獲得樁垂直度數(shù)據(jù)，以調(diào)整鋼管樁平面位置及垂直度［4］，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 移動(dòng)式導(dǎo)向架插打鋼管樁

鋼管樁運(yùn)輸船運(yùn)送到橋位現(xiàn)場(chǎng)就位，由大型浮吊起吊鋼管樁，將鋼管樁插入移動(dòng)導(dǎo)向架，緩慢下放鋼管樁自沉穩(wěn)定，用浮吊副鉤起吊液壓振動(dòng)錘，用液壓振動(dòng)錘下方的液壓夾具夾住鋼管樁頂部，開(kāi)啟振動(dòng)錘，上拔鋼管樁離開(kāi)泥面，抱緊導(dǎo)向架上的液壓抱樁器進(jìn)行定位，通過(guò)打樁軟件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)位，直到鋼管樁垂直度及平面位置滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行振沉到位。

采用移動(dòng)式導(dǎo)向架進(jìn)行打樁，應(yīng)滿足沉樁的垂直度和平面位置要求，垂直度達(dá)到 1/400 以上，樁頂平面偏位控制在 50 mm 之內(nèi)，但是施工效率相對(duì)較低。在埋置承臺(tái)止水施工工藝優(yōu)化穩(wěn)定后，鋼管樁的垂直度要求從 1/400 變更為 1/250，大大降低了鋼管樁的沉樁難度［5］， 改用了打樁船進(jìn)行鋼管樁插打（見(jiàn)圖4），大大加快了施工進(jìn)度。打樁船插打鋼管樁主要施工工藝流程為：打樁船拋錨定位→移船→起樁→移樁→立樁→安裝替打段→測(cè)量定位→插樁→錘擊沉樁→打設(shè)至設(shè)計(jì)標(biāo)高。插打過(guò)程中打樁船定位系統(tǒng)將鋼管樁初定位，然后通過(guò)全站儀對(duì)鋼管樁的平面位置與垂直度進(jìn)行觀測(cè)，將數(shù)據(jù)反饋給打樁船的操作人員進(jìn)行微調(diào)，使鋼管樁的垂直度、平面位置達(dá)到設(shè)計(jì)要求。第三方測(cè)量控制中心對(duì)全線的鋼管樁垂直度和平面位置進(jìn)行抽檢，抽檢結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 打樁船打樁

3 鉆孔施工

3.1 鉆孔平臺(tái)

通航孔橋采用大型鉆孔平臺(tái)，其上布置 3～6 臺(tái)回旋鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工。非通航孔橋采用裝配式平臺(tái)（見(jiàn)圖5），通過(guò)大型浮吊將后場(chǎng)加工好的鋼平臺(tái)吊裝到已插打好的鋼管樁上，鋼管樁同時(shí)作為施工平臺(tái)受力體系，在鋼管樁上設(shè)置抱箍支撐平臺(tái)豎向力，對(duì)于鋼管樁長(zhǎng)度偏短的墩位需在外圍增設(shè)輔助受力鋼管，確保施工過(guò)程中平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全，每個(gè)平臺(tái)上設(shè)置一臺(tái)回旋鉆機(jī)，整墩施工完后將平臺(tái)整體調(diào)轉(zhuǎn)到下一個(gè)墩施工。

圖5 非通航孔橋裝配式平臺(tái)

3.2 鉆進(jìn)施工控制（見(jiàn)圖6）

鉆孔施工采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)施工工藝，鋼管樁內(nèi)選用刮刀鉆頭。當(dāng)刮刀鉆頭掃圈鉆進(jìn)至鋼管樁底口時(shí)應(yīng)減慢鉆進(jìn)速度，避免出現(xiàn)鋼管樁底口擴(kuò)孔現(xiàn)象。同時(shí)根據(jù)地質(zhì)資料不同選用不同的鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，當(dāng)進(jìn)入全、強(qiáng)風(fēng)化巖層后，若鉆進(jìn)速度偏慢，提鉆更換為焊齒破巖滾刀鉆頭鉆進(jìn)，當(dāng)進(jìn)入中風(fēng)化或弱風(fēng)化巖層時(shí)，更換為球齒滾刀鉆頭鉆至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高。

圖6 回旋鉆鉆進(jìn)施工

鉆進(jìn)施工中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)泥漿的性能指標(biāo)，根據(jù)不同的地質(zhì)條件選用不同的參數(shù)，比如砂層施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃竽酀{的比重、黏度，同時(shí)要及時(shí)除砂，以降低含砂率，提高護(hù)壁的穩(wěn)定性，避免塌孔、縮徑、漏漿等不良情況的發(fā)生。

3.3 成孔質(zhì)量控制

3.3.1 垂直度控制

鉆機(jī)就位開(kāi)鉆前，必須做到橫平豎直，鉆進(jìn)過(guò)程中每班不少于 2 次檢查，發(fā)現(xiàn)傾斜或偏位必須立即糾正。所有鉆桿必須平直、圓滑，發(fā)現(xiàn)有彎曲、破損等現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)更換。

鉆機(jī)操作手需熟悉地質(zhì)情況，根據(jù)地層的變化隨時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。特別在地層變化或軟硬互層的界面要減壓慢鉆，待進(jìn)入正常層位后，再正常鉆進(jìn)。

3.3.2 樁徑的控制

每次下鉆前嚴(yán)格檢查鉆頭直徑，應(yīng)與設(shè)計(jì)樁徑匹配。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及沉樁記錄，準(zhǔn)確計(jì)算護(hù)筒底面標(biāo)高。在此處減壓慢鉆，控制好鉆進(jìn)參數(shù)，盡量減少掃孔次數(shù)，從而有效控制護(hù)筒底口段孔壁的完整性和孔徑。

控制孔內(nèi)的泥漿指標(biāo)，確?？妆诘姆€(wěn)定，避免出現(xiàn)塌孔和縮徑的情況。

針對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鋼管底口變形的情況，需及時(shí)采取措施解決鋼管底口變形的問(wèn)題，確保樁徑滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.3 孔深的控制

孔深原則上以設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑目椎讟?biāo)高為準(zhǔn)，如遇地質(zhì)條件和原設(shè)計(jì)地勘不符的情況，需施工、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、業(yè)主四方現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)入巖及終孔標(biāo)高，端承樁進(jìn)入中風(fēng)化巖層不少于 2d，以確保樁基的受力。

3.3.4 成孔質(zhì)量檢測(cè)

當(dāng)鉆孔達(dá)到孔底設(shè)計(jì)或四方確認(rèn)的標(biāo)高后，采用 JL-KJ 智能型超聲數(shù)字成像儀對(duì)孔徑、孔壁形狀、垂直度、孔深及孔底沉渣進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收認(rèn)可后，立即采用氣舉反循環(huán)清孔。

清孔時(shí)將鉆具提離孔底約 30～50 cm，緩慢旋轉(zhuǎn)鉆具，補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)泥漿，進(jìn)行反循環(huán)清孔，同時(shí)保持孔內(nèi)水頭，防止塌孔?？椎壮猎穸取⒖變?nèi)泥漿指標(biāo)滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求后，及時(shí)停機(jī)拆除鉆桿，移走鉆機(jī)，進(jìn)行鋼筋籠下放施工。鋼筋籠安放完成后，須對(duì)孔底沉渣厚度進(jìn)行檢測(cè)，利用導(dǎo)管加風(fēng)管進(jìn)行二次清孔，確保沉渣厚度小于設(shè)計(jì)值，樁底混凝土和基巖面接觸良好。本項(xiàng)目通過(guò)逐樁埋設(shè)取芯管，采用樁底取芯的方式檢查混凝土和基巖面的接觸情況，樁底取芯結(jié)果顯示混凝土和基巖接觸良好，基本無(wú)沉渣。

4 鋼筋籠施工

鋼筋籠單節(jié)長(zhǎng) 12 m，采用長(zhǎng)線一次成型法進(jìn)行施工，在后場(chǎng)胎架上匹配對(duì)接加工成型，經(jīng)監(jiān)理驗(yàn)收合格后分節(jié)裝運(yùn)到橋位現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行對(duì)接下放施工（見(jiàn)圖7）。鋼筋籠安放過(guò)程中嚴(yán)格控制鋼筋籠主筋的對(duì)接質(zhì)量，對(duì)于個(gè)別主筋絲頭有損傷的情況需采取相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)措施，同時(shí)鋼筋接頭必須錯(cuò)開(kāi)布置，接頭數(shù)不超過(guò)該斷面鋼筋總根數(shù)的 50 %。最后一節(jié)鋼筋籠需接長(zhǎng)數(shù)根鋼筋延伸到平臺(tái)面，并和平臺(tái)或鋼護(hù)筒頂面焊接，防止混凝土澆筑時(shí)浮籠和保證鋼筋籠的平面位置。

圖7 下放鋼筋籠

5 混凝土施工

樁基混凝土采用拌和船拌制，由拌和船上的泵送設(shè)備直接泵送到料斗，通過(guò)導(dǎo)管澆筑。導(dǎo)管底口至樁孔底端的間距控制在 0.3～0.4 m，首批混凝土儲(chǔ)料斗滿足導(dǎo)管初次埋置深度大于 1.0 m 的要求，后續(xù)澆筑過(guò)程中導(dǎo)管埋深控制在 2～6 m，灌注過(guò)程中每隔 20 min 左右用測(cè)深錘探測(cè)孔內(nèi)混凝土面標(biāo)高，并用混凝土方量進(jìn)行復(fù)核標(biāo)高，以便及時(shí)調(diào)整導(dǎo)管埋深。首批混凝土灌注后，需連續(xù)灌注，并盡可能縮短拆除導(dǎo)管的間隔時(shí)間，避免出現(xiàn)堵管或斷樁等不利情況。

混凝土灌注接近尾聲時(shí)，需核對(duì)混凝土灌注數(shù)量，確定所測(cè)混凝土的灌注高度是否正確。灌注的樁頂高程應(yīng)比設(shè)計(jì)高出 0.5～1 m，以保證樁頂混凝土強(qiáng)度。

6 樁基檢測(cè)

樁基施工后 14 d 且混凝土強(qiáng)度達(dá)到檢測(cè)要求后，采用聲波透射法對(duì)所有樁基進(jìn)行 100 % 完整性檢測(cè)（見(jiàn)圖8）。并由第三方檢測(cè)單位按 1 % 的頻率進(jìn)行整樁取芯檢測(cè)（見(jiàn)圖9），進(jìn)一步驗(yàn)證樁基混凝土質(zhì)量、沉渣厚度、樁底混凝土和基巖面的接觸情況以及樁端持力層基巖的巖性情況，檢測(cè)結(jié)束后對(duì)聲測(cè)管、鉆芯孔采用壓漿封實(shí)。

圖8 樁基無(wú)損檢測(cè)

圖9 整樁取芯成果

7 結(jié) 語(yǔ)

港珠澳大橋主體工程橋梁工程鋼管復(fù)合樁從 2012 年 9 月 25 日打設(shè)第一根鋼管樁，到 2014 年 12 月 14 日澆筑最后一根樁基混凝土，歷時(shí) 2 年多。期間遇到過(guò)鋼管底口變形、沉船、孤石、塌孔、串孔、船舶撞擊等不利情況，通過(guò)各參建單位的共同努力，均逐一解決，樁基質(zhì)量可控，全部樁基通過(guò)無(wú)損檢測(cè)并按比例進(jìn)行整樁及樁底取芯檢測(cè)，取芯結(jié)果顯示樁身混凝土完整性好，樁底混凝土和基巖接觸良好，無(wú)損檢測(cè)統(tǒng)計(jì)Ⅰ類樁率近 90 %，所有樁基均為合格樁。合理布置施工平臺(tái)，加強(qiáng)過(guò)程質(zhì)量控制，全覆蓋無(wú)損檢測(cè)，適當(dāng)提高整樁及樁底取芯比例，能較大程度上提升鋼管復(fù)合樁施工質(zhì)量。