海洋環(huán)境強(qiáng)震區(qū)超大直徑鋼管復(fù)合樁施工技術(shù)

董正良，陳誠(chéng)，向梨梨

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

樁基礎(chǔ)在橋梁工程中的應(yīng)用歷史悠久，其作為建（構(gòu)）筑物下部結(jié)構(gòu)向地基深部傳遞荷載，可應(yīng)用于各種地質(zhì)條件和各類(lèi)工程建設(shè)[1]。隨著全球交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，各類(lèi)建（構(gòu)）筑物日趨向高、大、重、深發(fā)展，同時(shí)各類(lèi)跨海大橋、跨江大橋也蓬勃興建，這些超級(jí)工程多采用大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。在現(xiàn)代施工技術(shù)條件不斷提高的情況下，樁的設(shè)計(jì)直徑及設(shè)計(jì)荷載也越來(lái)越大[2-5]。在橋梁工程領(lǐng)域，目前采用樁徑2.5 m以上群樁基礎(chǔ)的橋梁不可勝數(shù)（典型代表如：江陰大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋、蘇通大橋、九江長(zhǎng)江公路大橋、沌口大橋、滬通長(zhǎng)江大橋、五峰山長(zhǎng)江大橋、青山長(zhǎng)江大橋等）。

總之，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，橋梁建設(shè)跨度不斷刷新紀(jì)錄，樁基礎(chǔ)的直徑也呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)[6]。

1 鋼管復(fù)合樁原理及發(fā)展趨勢(shì)

隨著近年來(lái)我國(guó)修建的跨海大橋、港口碼頭以及海洋工程越來(lái)越多，對(duì)處于海洋中的樁基礎(chǔ)研究也在不斷跟進(jìn)。與陸上或江河上橋梁樁基相比，海上橋梁樁基受到由臺(tái)風(fēng)、波浪、潮汐和地震所產(chǎn)生的巨大水平作用，這些荷載往往作為海洋樁基礎(chǔ)計(jì)算控制荷載。強(qiáng)震作用下樁身剪力在樁頂和基巖面附近較大，鋼筋混凝土樁難以抵抗較大的水平荷載。

目前，在處于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地層活動(dòng)頻繁的海上大型橋梁工程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上越來(lái)越多地考慮基礎(chǔ)的抗拔、抗剪和抗彎能力。加上海洋環(huán)境下樁基礎(chǔ)受強(qiáng)腐蝕作用，結(jié)構(gòu)壽命降低趨勢(shì)明顯。在這種背景下，鋼管復(fù)合樁基礎(chǔ)漸成趨勢(shì)。鋼管復(fù)合樁主要由經(jīng)特殊防腐處理的鋼管、鋼筋混凝土樁基結(jié)合而成。在承受荷載時(shí)，“鋼管+核心混凝土”樁以復(fù)合體形式共同受力，其承載力超過(guò)單獨(dú)鋼護(hù)筒和鋼筋混凝土樁承載力的疊加效果，抵抗豎向荷載和水平荷載效果顯著[7]。

2 鋪前大橋樁基礎(chǔ)方案

海南鋪前大橋跨越海南省?？谑信c文昌市之間的鋪前灣。穿過(guò)鋪前鎮(zhèn)鋪漁村與試場(chǎng)村之間的林地，以鋪前大橋跨越鋪前灣，于后溪村西北角進(jìn)入北港島，主橋?yàn)橹骺?30 m獨(dú)塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。

大橋橋址區(qū)跨越活動(dòng)斷層，抗震設(shè)防烈度高。因此，對(duì)橋梁基礎(chǔ)要求較高，較適合的基礎(chǔ)形式有樁基和沉井基礎(chǔ)。

鋪前大橋主墩基礎(chǔ)區(qū)域覆蓋層厚達(dá)12 m，且?guī)r面存在傾斜情況，如采用沉井基礎(chǔ)，沉井下沉深度較大，造價(jià)高，且傾斜巖面不適宜沉井下沉，因此，鋪前大橋主墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為樁基礎(chǔ)形式。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外類(lèi)似橋梁調(diào)研，對(duì)打入樁、鉆孔灌注樁和鋼管復(fù)合樁進(jìn)行計(jì)算分析，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)控制荷載為地震荷載。經(jīng)過(guò)比選，最終確定了鋼管復(fù)合樁作為橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，鋼管和鋼筋混凝土共同參與結(jié)構(gòu)受力，大大提高了基礎(chǔ)抗剪能力。

3 工程概況

鋪前大橋主塔下設(shè)2個(gè)分離式承臺(tái)，每個(gè)承臺(tái)下采用16根直徑4.3 m/4.0 m鋼管復(fù)合樁，左側(cè)樁長(zhǎng)38 m，右側(cè)樁長(zhǎng)29 m；按端承樁設(shè)計(jì)，樁尖持力層為微風(fēng)化花崗巖，樁基嵌入微風(fēng)化巖層不小于13 m。樁基周?chē)馏w由上至下主要為淤泥質(zhì)黏土、礫砂、卵石土、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。主橋總體結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1，樁基詳細(xì)結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖2。

圖1 鋪前大橋主橋結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the main bridge of the Puqian Bridge

圖2 左側(cè)承臺(tái)樁基結(jié)構(gòu)圖（cm）Fig.2 Schematic diagram of the pile foundation on the left side(cm)

主墩樁基礎(chǔ)鋼護(hù)筒直徑為4.3 m，護(hù)筒頂標(biāo)高為棧橋橋面標(biāo)高+5.2 m，護(hù)筒底位于礫砂、卵石土或者中風(fēng)化巖層中，左側(cè)承臺(tái)樁基鋼護(hù)筒長(zhǎng)25.7 m，右側(cè)承臺(tái)樁基鋼護(hù)筒長(zhǎng)20.7 m。鋼護(hù)筒采用Q345qC鋼材，分3節(jié)制作，第1節(jié)長(zhǎng)度5.32 m，壁厚2.8 cm，為棧橋橋面至樁頂部分；第2節(jié)長(zhǎng)度16.38 m，含有剪力環(huán)、吊環(huán)，壁厚3.5 cm，為樁頂至護(hù)筒底以上4 m處；第3節(jié)長(zhǎng)度4 m，壁厚4.5 cm。

鋼護(hù)筒結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 鋪前大橋主橋主墩鋼護(hù)筒構(gòu)造圖（cm）Fig.3 Schematic diagram of the steel casing of the main pier of the main bridge of the Puqian Bridge（cm）

4 樁基施工難點(diǎn)分析

與常規(guī)鋼護(hù)筒及鋼筋混凝土樁基相比，大直徑鋼管復(fù)合樁施工存在以下難點(diǎn)：

1）φ4.3 m超大直徑鋼管復(fù)合樁鋼護(hù)筒國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)，加工、焊接工藝要求高；

2）永久性超大直徑鋼護(hù)筒沉放難度大、精度要求嚴(yán)；

3）樁基直徑大、嵌巖深度大、工期緊張，對(duì)鉆孔設(shè)備提出了更高的要求；

4） 樁基超配筋（4層）鋼筋籠的制作和安裝難度大；

5）大體積、鋼筋密集型樁基海工混凝土質(zhì)量要求高；

6）超大直徑樁基質(zhì)量檢測(cè)無(wú)可參考經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范，檢測(cè)方法需展開(kāi)專(zhuān)題研究。

5 樁基施工技術(shù)

5.1 鋼護(hù)筒加工

鋼護(hù)筒加工流程為：預(yù)彎成形→內(nèi)側(cè)焊縫焊接→外側(cè)焊縫焊接→管節(jié)對(duì)接→焊縫檢測(cè)→防腐涂裝施工。

鋼護(hù)筒焊接采用雙面多道焊，焊縫兩端焊裝與母材厚度一致的引弧板和收弧板，直縫管和管節(jié)焊接均采用雙面坡口焊、埋弧焊，剪力環(huán)與鋼護(hù)筒接觸面兩側(cè)采用雙面角焊縫。因鋼護(hù)筒直徑大，故在外側(cè)焊縫焊接時(shí)需設(shè)置工作平臺(tái)以保證焊接工作順利進(jìn)行。

5.2 大直徑鋼護(hù)筒沉放施工

鋼護(hù)筒最大重量為102 t，為保證焊接、防腐涂裝質(zhì)量，鋼護(hù)筒統(tǒng)一在加工廠焊接成整體并完成防腐涂裝后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，因其長(zhǎng)度大于20 m，陸上運(yùn)輸困難，且現(xiàn)有棧橋、平臺(tái)無(wú)法滿(mǎn)足大型起重設(shè)備吊裝該鋼護(hù)筒，故本項(xiàng)目主墩樁基鋼護(hù)筒僅考慮打樁船或起重船配振動(dòng)錘沉樁。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，將兩項(xiàng)工藝進(jìn)行對(duì)比分析如表1所示。

表1 鋼管樁沉樁方案對(duì)比表Table 1 Comparison table of steel pipe pile sinking plan

綜合考慮鋼護(hù)筒施工質(zhì)量、施工效率、設(shè)備調(diào)運(yùn)、費(fèi)用等情況，本項(xiàng)目?jī)?yōu)選方案一作為鋼護(hù)筒沉放方案。

因航工樁9自帶導(dǎo)向架和沖擊錘無(wú)法滿(mǎn)足直徑4.3 m鋼護(hù)筒沉放，故本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種新型導(dǎo)向架并配備液壓振動(dòng)錘作為鋼護(hù)筒沉放設(shè)備。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 沉樁總體立面布置圖Fig.4 Overall layout of the pile sinking

工作原理：打樁船定位，運(yùn)輸船將鋼護(hù)筒運(yùn)至墩旁，航工樁9樁架前傾，起吊鋼護(hù)筒，受吊重影響，船體與導(dǎo)向架隨之前傾，鋼護(hù)筒吊起后，樁架后仰，此時(shí)開(kāi)啟導(dǎo)向架上層龍口活動(dòng)門(mén)，鋼管放入龍口后關(guān)閉上層龍口活動(dòng)門(mén)，待鋼管垂直度和平面位置調(diào)整到位后緩慢釋放主鉤，鋼管進(jìn)入海床表層，回退下層龍口調(diào)位箱，適當(dāng)釋放下層龍口的順船向約束，船體及導(dǎo)向架后仰，最后振動(dòng)錘振沉鋼護(hù)筒。

5.3 大直徑樁基鉆孔施工

因直徑4.0 m以上樁基國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)，其鉆孔設(shè)備及成孔工藝要求高，應(yīng)從施工成本、安全、效率以及工期方面綜合分析。挖孔樁與鉆孔樁方案比選見(jiàn)表2。從表2可知，采用鉆孔樁工藝無(wú)論從成孔質(zhì)量、安全和施工效率方面均遠(yuǎn)超挖孔樁，挖孔樁雖施工成本低，但其施工風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大，不適用于本工程。

表2 成孔方案對(duì)比表Table 2 Comparison table of hole formation scheme

其次對(duì)鉆機(jī)類(lèi)型、鉆頭類(lèi)型結(jié)合樁基范圍內(nèi)地質(zhì)情況依次進(jìn)行了對(duì)比，確定了ZJD5000全液壓回旋鉆機(jī)，且全樁均采用滾刀鉆的施工工藝。

5.4 超配筋多層鋼筋籠施工

目前，國(guó)內(nèi)少部分橋梁樁基礎(chǔ)有設(shè)計(jì)為3層鋼筋籠的情況，但4層主筋鋼筋籠鮮有記載。

4層主筋鋼筋籠的精度控制、吊運(yùn)、現(xiàn)場(chǎng)連接的質(zhì)量均存在著異于其它類(lèi)型鋼筋籠的情況，且鋼筋籠的安裝工效直接影響整個(gè)樁基施工的工期，鋼筋籠的加工安裝精度是控制主塔鋼管復(fù)合樁施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

鋪前大橋主墩樁基鋼筋籠按變截面梯次設(shè)計(jì)，左幅16根樁在樁頂以下22 m范圍內(nèi)是4層鋼筋籠，22～27 m是3層鋼筋籠，27～38 m為單層鋼筋籠（右幅類(lèi)似），鋼筋籠橫截面設(shè)計(jì)及聲測(cè)管布置見(jiàn)圖5。

圖5 主墩樁基鋼筋橫截面設(shè)計(jì)圖Fig.5 Cross-section design of reinforcement bar of main pier pile foundation

主墩鋼筋籠分節(jié)段制作，節(jié)段最大重量43 t，整個(gè)鋼筋籠最大重量107 t。鋼筋籠采用特制模架加工。

因鋼筋籠直徑大、重量大，加工時(shí)在自身重力下容易發(fā)生變形，故在鋼筋籠加工時(shí)，在內(nèi)圈主筋內(nèi)側(cè)加設(shè)槽鋼環(huán)增強(qiáng)鋼筋籠整體剛度。

鋼筋籠采用型鋼加工而成的米字形吊具，共布置8個(gè)吊點(diǎn)。鋼筋籠在提升過(guò)程中為4點(diǎn)受力，整體下放時(shí)轉(zhuǎn)換為8點(diǎn)受力，轉(zhuǎn)換便捷，過(guò)程安全。

因樁基鋼筋籠層數(shù)多、鋼筋密集且重量大，鋼筋籠在孔口接長(zhǎng)時(shí)，采用型鋼進(jìn)行懸吊固定的傳統(tǒng)方法無(wú)法適用，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種新型鋼筋籠接長(zhǎng)用吊具以滿(mǎn)足超配筋、超重鋼筋籠孔口接長(zhǎng)施工，具體見(jiàn)圖6。

圖6 鋼筋籠接長(zhǎng)時(shí)固定吊點(diǎn)布置Fig.6 Reinforcement cage long fixed lifting point arrangement

5.5 大直徑、鋼筋密集型樁基海工混凝土施工

5.5.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

鋪前大橋樁基結(jié)構(gòu)的特殊性對(duì)其混凝土的配制和施工提出了更高的要求。綜合分析主墩樁基施工實(shí)際情況，其配合比設(shè)計(jì)思路如下：

1）降低水膠比。采用減水率達(dá)26%的聚羧酸高效減水劑同時(shí)提高礦物摻合料比例，從而提高混凝土密實(shí)性，滿(mǎn)足其對(duì)氯離子抗?jié)B性能的要求。

2）考慮施工工藝要求，D4.3/4 m直徑樁基首封混凝土方量約30 m3，混凝土經(jīng)過(guò)泵送以后進(jìn)入一個(gè)大料斗存放30 min，料斗中底部混凝土的壓力非常大，容易造成漿體上浮而影響首封質(zhì)量，這就要求混凝土具備一定的黏度防止離析，需要摻入礦渣粉，提高混凝土的黏度。

3）考慮超大直徑樁混凝土的自密性，要求大流動(dòng)度、黏度又不能太大，所以細(xì)度大的礦渣粉摻量不宜過(guò)大。

4）大直徑樁基屬于大體積混凝土，加上海底溫度低，混凝土前期水化熱大，容易造成混凝土內(nèi)外溫差大（＞25℃），從而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，需要大摻量的摻合料降低早期水化熱，粉煤灰和礦渣粉雙摻是合理方法。

根據(jù)配合比設(shè)計(jì)思路并結(jié)合試驗(yàn)樁分析得出主墩大直徑樁基C35混凝土最佳配合比為：水泥∶粉煤灰∶礦渣粉∶砂∶碎石∶水∶減水劑=258∶86∶86∶788∶1 002∶160∶4.3。

5.5.2 混凝土施工

因樁基首封混凝土方量大（約30 m3），對(duì)施工工藝也提出了較高的要求，對(duì)3種集料斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，優(yōu)選了一種大體積大斜面柱體的料斗作為樁基首封集料斗，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 樁基首封集料斗結(jié)構(gòu)圖（mm）Fig.7 Structure diagram of the first pile hopper of pile foundation(mm)

5.6 大直徑樁基質(zhì)量檢測(cè)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，鋪前大橋主墩樁基采用超聲波檢測(cè)法進(jìn)行樁基完整性檢測(cè)。

JGJ106—2014《建筑基樁檢測(cè)規(guī)范》規(guī)定：“樁徑≤800 mm時(shí)，聲測(cè)管≥2根，800 mm＜樁徑≤1 600 mm時(shí)，聲測(cè)管≥3根，樁徑＞1 600 mm時(shí)，聲測(cè)管≥4根，樁徑＞2 500 mm時(shí)，宜增加預(yù)埋聲測(cè)管數(shù)量”[8]。對(duì)于本工程4.3 m直徑鋼管復(fù)合樁的聲測(cè)管埋設(shè)數(shù)量沒(méi)有具體的規(guī)定。

調(diào)研國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程施工，直徑4.3 m樁基施工十分罕見(jiàn)，樁基檢測(cè)沒(méi)有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

因此本項(xiàng)目通過(guò)理論分析結(jié)合試驗(yàn)樁施工對(duì)大直徑樁基超聲波檢測(cè)展開(kāi)了專(zhuān)題研究。

5.6.1 超聲波檢測(cè)原理

在樁基鋼筋籠制作的同時(shí)安裝若干根相互平行的鋼管作為聲測(cè)管，檢測(cè)前在聲測(cè)管內(nèi)灌滿(mǎn)水，通過(guò)超聲波檢測(cè)儀的發(fā)射探頭和接收探頭（分別放入聲測(cè)管底部并同時(shí)勻速向上移動(dòng)）測(cè)讀傳播聲時(shí)和波幅。根據(jù)兩根導(dǎo)管的距離可計(jì)算出混凝土的聲速，進(jìn)而得到聲速、波幅與樁身深度的關(guān)系曲線，通過(guò)曲線可判斷樁身混凝土的質(zhì)量。聲速波幅簡(jiǎn)明綜合判斷情況見(jiàn)表3。

表3 超聲波檢測(cè)聲速波幅簡(jiǎn)明判斷表Table 3 Concise judgment table of ultrasonic detection sound velocity amplitude

5.6.2 試驗(yàn)樁分析

試驗(yàn)樁位于陸上，直徑為4.3 m，長(zhǎng)3 m，鋼筋籠主筋為4層布置，試驗(yàn)樁施工工藝與工程樁一致。

待成樁2周后，使用大功率超聲波樁檢儀器進(jìn)行檢測(cè)，圖5所示聲測(cè)管兩兩之間檢測(cè)一個(gè)斷面，其檢測(cè)結(jié)果如下：

1） 采用鋼筋籠內(nèi)側(cè)聲測(cè)管1～4進(jìn)行檢測(cè)，樁基混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且無(wú)缺陷存在。

2） 采用外側(cè)聲測(cè)管5～8進(jìn)行檢測(cè)，樁基混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求，但表面不良或內(nèi)部有缺陷。

3）采用內(nèi)外交叉共8根聲測(cè)管兩兩之間進(jìn)行檢測(cè)，內(nèi)外相鄰3根聲測(cè)管呈三角形檢測(cè)時(shí)超聲波存在穿透3、2層及不穿過(guò)鋼筋籠3種情況，其穿過(guò)鋼筋籠的聲學(xué)參數(shù)與外側(cè)4根聲測(cè)管檢測(cè)結(jié)果類(lèi)似，聲幅雖有衰減，但衰減幅度比外4根聲測(cè)管相比較小，原因是外4根聲測(cè)管最多穿過(guò)6層鋼筋籠，內(nèi)外聲測(cè)管最多僅穿過(guò)3層鋼筋籠。

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)樁鑿開(kāi)進(jìn)行觀察，混凝土并無(wú)不密實(shí)情況，因此，超聲波檢測(cè)信號(hào)發(fā)生畸變的原因主要是鋼筋籠層數(shù)過(guò)多造成的，其中聲幅的衰減與鋼筋籠層數(shù)變化具有統(tǒng)一性[9]。

6 實(shí)施效果與結(jié)論

1）主墩樁基鋼護(hù)筒作為永久性受力結(jié)構(gòu)其焊縫、防腐涂裝施工質(zhì)量及沉放各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)檢測(cè)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2） 經(jīng)過(guò)方案比選，主墩樁基鉆孔采用ZJD5000全液壓回旋鉆機(jī)，且全樁均采用滾刀鉆，經(jīng)檢測(cè)，成孔質(zhì)量高，垂直度、孔徑、孔深、孔底沉渣均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，順利度過(guò)了臺(tái)風(fēng)期，作為關(guān)鍵工序，工效與預(yù)期基本相符，為主墩后續(xù)施工贏得了寶貴的時(shí)間。

3）制定了一整套超配筋鋼筋籠加工、運(yùn)輸、吊裝、接長(zhǎng)工藝，順利完成了主墩樁基4層重107 t鋼筋籠的制作安裝，鋼筋籠未發(fā)生變形等不良情況。

4）成功配制出適合于超配筋樁基施工的海工混凝土，施工質(zhì)量良好，并提出了超聲波檢測(cè)信號(hào)與樁基鋼筋籠之間的影響關(guān)系，為超配筋大直徑樁基的檢測(cè)提供了理論依據(jù)。