深水環(huán)境超大超長鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)探析

摘要 鉆孔灌注樁作為現(xiàn)代橋梁基礎(chǔ)一種常見形式，施工工藝已較為成熟，但對于深水環(huán)境下的超大直徑、超長樁基鉆孔灌注樁施工，仍有許多關(guān)鍵技術(shù)需深入研究。該文依托海域超水深特大橋項(xiàng)目，重點(diǎn)對鉆孔灌注樁施工中的超大超長鋼護(hù)筒打設(shè)、雙層主筋大直徑鋼筋籠制作和安裝、水下大體積混凝土灌注等問題進(jìn)行了研究，為超水深條件下其他橋梁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞 樁基礎(chǔ)；深水環(huán)境、超大超長鉆孔灌注樁；鋼護(hù)筒；鋼筋籠

中圖分類號 U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）18-0138-03

0 引言

現(xiàn)代大型橋梁多采用樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)中運(yùn)用最為廣泛的是鉆孔灌注樁，適用于較復(fù)雜的施工環(huán)境[1]。超水深、急水流環(huán)境下的鉆孔灌注樁有樁徑大、樁長長、施工環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，要針對具體工程對施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行專項(xiàng)研究。該文詳細(xì)探析了海域超水深條件下鉆孔灌注樁的關(guān)鍵施工技術(shù)，為超水深條件下其他橋梁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工提供借鑒。

1 目施工環(huán)境

項(xiàng)目所在海域?qū)儆趶?qiáng)潮海區(qū)，潮差大，潮流急，根據(jù)2018年11月實(shí)測大潮表面漂流資料，工程區(qū)海域最大落潮流速0.98 m/s，最大漲潮流速1.33 m/s。外海波浪從深水傳播到灣口附近已被大量耗散，灣內(nèi)波浪波高較小，且灣內(nèi)大小島嶼眾多，四周陸域?yàn)樯矫}所環(huán)抱，外海波浪難以直接傳入灣內(nèi)，故灣內(nèi)波浪主要受灣內(nèi)風(fēng)況影響，工程海域年平均波高0.7 m。該海域養(yǎng)殖戶眾多，養(yǎng)殖種類主要有大黃魚、海參等，大黃魚對噪聲較為敏感，因此施工過程中對設(shè)備的噪聲控制較為嚴(yán)苛[2]。

2 依托項(xiàng)目工程概況

項(xiàng)目特大橋通航孔橋橋型為矮塔斜拉橋，全長560 m，跨徑布置為100 m+180 m+180 m+100 m，兩側(cè)引橋?yàn)?0 m鋼混組合梁橋、50 m現(xiàn)澆箱梁橋。大橋樁基主要以鉆孔灌注樁為主，樁長12～144 m不等，全橋水深最深達(dá)63 m，最大潮差8 m，最大鋼護(hù)筒直徑4.4 m，最長93.4 m，單重達(dá)366 t，屬于深水環(huán)境超大超長鉆孔灌注樁。

3 深水環(huán)境超大超長鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)分析

鉆孔灌注樁的主要施工流程為鉆孔平臺搭設(shè)→鋼護(hù)筒打設(shè)→鉆孔→清孔→鋼筋籠制作和安裝→清孔→水下混凝土灌注。

施工關(guān)鍵技術(shù)主要有超大超長鋼護(hù)筒打設(shè)、雙層主筋大直徑鋼筋籠制作和安裝、水下大體積混凝土灌注等。

超大超長鋼護(hù)筒搭設(shè)：項(xiàng)目所在海域條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的棧橋法施工難度大，為保證樁基礎(chǔ)施工，考慮使用樁基的永久鋼護(hù)筒配合輔助鋼管搭設(shè)海上獨(dú)立樁基施工平臺，因此單根鋼護(hù)筒精度控制和打設(shè)后的自身穩(wěn)定十分關(guān)鍵。

雙層主筋大直徑鋼筋籠制作和安裝：項(xiàng)目鉆孔灌注樁最大樁徑4.0 m，樁基鋼筋籠采用雙層主筋的結(jié)構(gòu)形式，樁基主筋數(shù)量、主筋接頭數(shù)量及鋼筋籠重量近乎翻倍，鋼筋籠制作和安裝工作量指數(shù)上升，工藝也更加復(fù)雜，因此施工過程中對安裝步驟、臨時(shí)裝置、施工機(jī)械都提出了更高要求。

水下大體積混凝土灌注：面對單根樁基最多達(dá)1 810 m3的混凝土澆筑任務(wù)，配合比設(shè)計(jì)對初凝終凝時(shí)間控制、拌和設(shè)備選用對混凝土質(zhì)量的控制、原材料中海面淡水的供應(yīng)、導(dǎo)管埋深和泥漿指標(biāo)的綜合管理等一系列問題都影響著水下大體積混凝土灌注的成敗。

4 關(guān)鍵技術(shù)之超大超長鋼護(hù)筒打設(shè)

4.1 單根穩(wěn)定性驗(yàn)算

該研究使用Midas軟件對鋼護(hù)筒的自身穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，如圖1所示。鋼護(hù)筒使用梁單元模擬，下部插入土層部分使用土彈簧進(jìn)行模擬，在Midas軟件中體現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)彈性支撐，荷載主要以自重和外部水流力為主。

對于土彈簧的橫向剛度系數(shù)使用以下公式計(jì)算：

k'=m×A（z?h）=m×a×b（z?h） （1）

式中：k'——橫向剛度系數(shù)（kN/m）；A——單個節(jié)點(diǎn)控制面積（）；a——水平距離或截面寬度（m）；b——豎向距離（m）；m——比例系數(shù)；z——距地表深度（m）；h——地表土層開挖深度（鋼護(hù)筒計(jì)算時(shí)取0）（m）。

為保證模擬盡量接近實(shí)際，建模時(shí)以1 m為一個節(jié)段，計(jì)算該分段的橫向剛度系數(shù)并輸入模型中，每一分段都應(yīng)在地質(zhì)柱狀圖中確定該深度對應(yīng)的地質(zhì)，由此確定m值。

水流力作為單根鋼護(hù)筒計(jì)算時(shí)的主要荷載，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）進(jìn)行計(jì)算，流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式進(jìn)行計(jì)算：

F=KAγ v²/2g （2）

式中：F——流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；γ——水的重度（kN/m3）；v——設(shè)計(jì)流速（m/s）；A——橋墩阻水面積（m²），計(jì)算至一般沖刷線處；g——重力加速度（m/s²）；K——橋墩形狀系數(shù)。

完成單元建立以及荷載、邊界加載后對模型進(jìn)行運(yùn)算，查看護(hù)筒強(qiáng)度剛度及穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果滿足要求，施工實(shí)際觀測情況與計(jì)算結(jié)果一致，進(jìn)一步證實(shí)了驗(yàn)算方法的可行性。

4.2 鋼護(hù)筒打設(shè)施工

項(xiàng)目采用永久鋼護(hù)筒作為施工平臺下部承力構(gòu)件，鋼護(hù)筒外徑4.4 m，壁厚36 mm，底部設(shè)置3 m長加強(qiáng)段，壁厚50 mm，主墩下鋼護(hù)筒最長達(dá)83.85 m，鋼護(hù)筒采用工廠內(nèi)加工，整根運(yùn)輸、打設(shè)的方案進(jìn)行施工。

鋼護(hù)筒作為該項(xiàng)目深水樁基施工中的重要結(jié)構(gòu)，主要有以下作用：

（1）準(zhǔn)確固定樁位，為后續(xù)鉆孔施工起導(dǎo)向作用。

（2）隔離海水，確保鋼護(hù)筒內(nèi)泥漿循環(huán)正常運(yùn)行，保證成孔及成樁質(zhì)量，同時(shí)避免海水污染。

（3）作為澆筑混凝土樁基的水中模板，確保樁基一次成形。

國內(nèi)打設(shè)鋼管樁常用施工方法主要有三種：液壓沖擊沉樁法、導(dǎo)桿式柴油沖擊沉樁法、液壓振動沉樁法[5]。該項(xiàng)目為保護(hù)海域內(nèi)大黃魚，故采用噪聲更小的液壓振動沉樁法。

5 關(guān)鍵技術(shù)之雙層主筋大直徑鋼筋籠制作和安裝

5.1 鋼筋籠制作

（1）安裝底部胎架范圍內(nèi)的外層主筋

鋼筋籠制作時(shí)，首先在鋼筋籠胎架凹槽內(nèi)放置外層主筋，鋼筋放置時(shí)對準(zhǔn)胎架孔位，保證鋼筋整體順直，放置完成后通過端頭直螺紋套筒臨時(shí)連接至相鄰鋼筋籠對應(yīng)的主筋上，如圖2所示。

（2）安裝加勁環(huán)

待外層主筋放置完成后，放置加勁環(huán)，加勁環(huán)2 m一道，采用桁吊吊裝至已完成安裝的外層主筋上，使加勁環(huán)垂直于主筋并焊接成整體，如圖3所示。

（3）安裝內(nèi)層主筋

加勁環(huán)焊接完成后安裝內(nèi)層主筋，內(nèi)層主筋下半圈采用人工安裝，上半圈采用桁吊配吊具輔助安裝。安裝時(shí)主筋未在胎架部分鋼筋間距通過主筋定位卡具控制，多人沿鋼筋籠軸向同時(shí)使用卡具，鋼筋順直后，通過直螺紋套筒與相鄰鋼筋籠臨時(shí)連接，而后焊接至加勁環(huán)上。

（4）安裝胎架范圍外的外層鋼筋

待內(nèi)層主筋與加筋環(huán)焊接牢固，并全部安裝完成后，將剩余的外層主筋焊接牢固。鋼筋定位時(shí)，同樣使用定位卡具確定位置，完成剩余外層主筋焊接后，鋼筋籠主骨架制作完成。

（5）螺紋鋼箍筋安裝

鋼筋籠箍筋選用特制的16 mm螺紋鋼，使用鋼筋籠繞筋機(jī)安裝，因?yàn)楣拷钭陨韯偠容^大，疊加雙層主筋設(shè)計(jì)，單節(jié)鋼筋籠重達(dá)25.4 t，旋轉(zhuǎn)所需能量較大，箍筋纏繞和調(diào)直難度大，一般的電機(jī)不能夠滿足工作需求。

6 鋼筋籠安裝

鋼筋籠分節(jié)下放安裝采用專門的下放系統(tǒng)，下放系統(tǒng)各部件均考慮標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì)，下放系統(tǒng)包括多用途底架、打梢環(huán)、吊裝和懸掛二合一裝置、鋼筋籠吊點(diǎn)板等裝置。

（1）鋼筋籠翻身與臨時(shí)存放

為保證鋼筋籠起吊時(shí)不變形，首先將預(yù)先焊接的吊點(diǎn)板與翻身扁擔(dān)通過卸扣鋼絲繩連接，頂端使用2個吊點(diǎn)，底部采用1個吊點(diǎn)。起吊時(shí)同時(shí)起吊頂部和底部吊點(diǎn)，使鋼筋籠離開平臺面約2 m，然后繼續(xù)提升頂部吊點(diǎn)，底部吊點(diǎn)不動，慢慢起吊到90°后，拆除底部吊點(diǎn)，如圖4所示。

翻身完成后臨時(shí)存放于附近空閑的臨時(shí)打梢孔位內(nèi)，通過臨時(shí)打梢裝置將單節(jié)鋼筋籠固定住，臨時(shí)打梢裝置卡板插入鋼筋籠加勁環(huán)后，解除上方翻身扁擔(dān)。

（2）鋼筋籠下放、打梢

上一節(jié)鋼筋籠下放完成后，解除吊裝懸掛二合一裝置與已經(jīng)下放鋼筋籠間卸扣。龍門吊攜帶吊裝懸掛二合一裝置至臨時(shí)打梢孔位處，與待下放鋼筋籠通過卸扣連接并起吊至將要安裝的孔位。完成定位后，龍門吊配合吊裝和懸掛二合一裝置緩慢下降至鋼筋籠對接標(biāo)高，與施工鋼筋籠連接，連接完成后，抽出打梢環(huán)卡板，下放鋼筋籠。獨(dú)一節(jié)鋼筋籠下放至指定位置處后，吊裝和懸掛二合一裝置停止下降，使用打梢環(huán)將該節(jié)鋼筋籠銷住。

（3）鋼筋籠對接

在鋼筋接頭連接施工時(shí)，先安裝外層主筋接頭直螺紋套筒，再安裝內(nèi)層主筋接頭。連接施工完畢后，將鋼筋籠提升一段距離，抽出打梢環(huán)插板，而后重復(fù)下放鋼筋籠流程。

7 關(guān)鍵技術(shù)

混凝土由水上混凝土拌和船供應(yīng)，采用30方大料斗+小料斗配合進(jìn)行首灌。灌注前必須對導(dǎo)管進(jìn)行水密承壓和接頭抗拉試驗(yàn)，同時(shí)在導(dǎo)管內(nèi)放置隔水球，灌注時(shí)割斷隔水球吊繩進(jìn)行水下混凝土連續(xù)灌注，并確保整樁在混凝土初凝前灌注完成。

混凝土灌注過程中要有專人測量混凝土面標(biāo)高，合理確定導(dǎo)管在混凝土內(nèi)的埋置深度，正確指揮導(dǎo)管的提升和拆除，保證埋置深度處于2～9 m，由于樁徑大，浮漿較厚，因此實(shí)際灌注樁頂標(biāo)高應(yīng)比設(shè)計(jì)標(biāo)高高1.5 m。

8 結(jié)束語

該文研究的超水深海域條件下鉆孔灌注樁施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了施工安全、質(zhì)量可靠的目標(biāo)，證明了在海域超水深條件下鉆孔灌注樁的可實(shí)施性，以及在精度、經(jīng)濟(jì)和工效方面的優(yōu)越性，為類似深海區(qū)域鉆孔灌注樁施工提供實(shí)例依據(jù)。

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