嘉紹大橋直徑3.8 m鉆孔灌注樁試樁與施工的工效分析

曹宗勇，伏首圣

（1.嘉紹跨江大橋工程建設指揮部，浙江紹興312000；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京市100088）

1 工程概況

嘉興至紹興跨江公路通道嘉紹大橋（以下簡稱“嘉紹大橋）是嘉興至紹興跨江公路通道跨越天然屏障錢塘江河口段的一座特大型橋梁，位于錢塘江喇叭入口與海灣交接部位，東為杭州灣，西為錢塘江，西南側為曹娥江，是《國家高速公路網規劃（草案）》中沈陽至海口高速公路常熟至臺州并行線的組成部分和跨越錢塘江的關鍵性工程，是嘉蔭至南平國家重點公路的重要組成部分。

嘉紹大橋采用雙向八車道高速公路標準，總長10.137 km，投資63.5億元。主航道橋采用70 m+200 m+5×428 m+200 m+70 m=2680 m獨柱四索面六塔斜拉橋，鋼箱梁連續長度居世界首位。南北岸水中區引橋采用70 m跨徑等截面預應力混凝土連續剛構橋，下部結構采用單樁獨柱的結構形式，樁基礎采用3.8 m大直徑鉆孔灌注樁，單樁最長樁長為111 m。如此超大直徑超長鉆孔樁在國內建橋史上尚屬首例。

嘉紹大橋于2008年12月14日正式開工建設，預計2012年建成通車。

1.1 建設條件特點

根據橋位處自然條件，結合大橋功能和建設期安排，嘉紹大橋在建設條件具有以下工程特點：

（1）河床寬淺、潮強流急、涌潮洶涌、河床變化劇烈，特別是受風浪和涌潮影響導致水域有效作業時間極為有限。根據氣象條件，年均可能作業時間約280 d，但結合水域河床斷面、水文條件，橋位區可作業時間僅為120 d左右。

（2）中、下部工程地質條件較好，有較好的持力層，但20 m以淺亞砂土易發生潛蝕和液化作用，河床底質起動流速低，承載力和穩定性差，沖刷嚴重，主航道橋索塔處最大沖深可達-37 m。

（3）兩岸灘涂發育，低潮位時兩岸灘涂較寬，且河床變化幅度大，深槽擺幅達到2.3 km左右，施工作業條件受到極大的限制，水中區橋梁下部結構需依托棧橋施工。

（4）涌潮作用力大，涌潮產生的水動力對橋墩建筑物的作用主要集中在低水位以上1倍涌潮高度范圍內，最大涌潮壓力可達7.5 t/m2。

（4）橋長達10 km以上，技術標準高，采用雙向八車道標準，水上作業受涌潮和河勢影響，施工方案和施工組織是本項目順利實施的關鍵。

（5）水上工程規模浩大，水域橋梁長度達9 km，受海洋性環境影響，結構容易受到腐蝕。

1.23.8 m大直徑樁結構優點和施工難點

根據建設條件特點，嘉紹大橋南、北岸水中區引橋下部結構采用了單樁獨柱的結構形式，樁基礎采用直徑3.8 m的大直徑鉆孔灌注樁，單樁最長樁長111 m，為超大直徑超長樁。結構形式具有以下優點：

（1）單樁獨柱結構，無承臺施工工序，有效的降低了施工風險，施工工期較易保證。

（2）結構受力合理、安全可靠。

（3）墩柱結構尺寸小，阻水面積小，對建設條件適應性好。

（4）結構新穎、美觀，經濟性好。

樁基礎采用3.8 m大直徑鉆孔灌注樁，具有以下施工難點：

（1）樁徑大、施工長度長，對鉆孔設備要求較高，施工難度大。如此規模樁基礎，為國內首次采用，無成熟施工經驗可供參考。

（2）樁基鋼護筒、鋼筋籠直徑及總重量大，其插打、安裝困難，對起吊設備要求高。

（3）單樁混凝土方量達1300 m3，對混凝土生產、運輸及施工速度要求高。

（4）每個樁位都是不可替代的，施工過程中一旦發生鉆孔事故，對工程質量及工期影響巨大。故對鉆孔施工工藝及施工組織提出了高要求。

2 工藝試樁

根據初步設計審查會專家組意見，針對3.8 m大直徑樁結構特點和施工難點，2008年8月，委托大橋設計單位開展3.8 m大直徑鉆孔灌注樁工藝試樁專題研究工作。

（1）工藝試樁的目的及意義

工藝試樁的目的是通過在橋址處特定的水文和工程地質條件，研究大直徑超長樁的關鍵施工設備、關鍵施工組織和關鍵技術參數，以得出可行的施工工藝；通過工藝試樁確定單樁極限承載力、獲得各土層及樁端持力層有關參數、測定樁基沉降和變形、驗證樁端后注漿效果，為確定3.8 m直徑樁基礎樁基相關設計參數提供依據。

工藝試樁專題研究成果對于確定樁基施工工藝、進行施工組織設計及主要施工設備選擇具有重要指導意義，對嘉紹大橋工程順利實施具有重大的現實意義。

（2）鉆機選型

鉆機為鉆孔樁施工中最為重要的施工設備，試樁施工開始前，專題承擔單位對國內外鉆機設備進行調研。通過調研，認為目前國內能夠用于3.8 m大直徑鉆孔灌注樁施工的鉆機有：德國寶峨WIRTH GmbH PBA 821/3000/300型鉆機、KTY4000型液壓動力頭鉆機、嘉力臣RC-400H型動力頭鉆機、ZDZ4500型動力頭鉆機、ZJD4000型液壓動力頭鉆機、ZSD-4000型動力頭鉆機、GYD6000型動力頭鉆機等。

鑒于KTY4000型鉆機為國產設備，目前現有臺數較多，生產周期短，采用其作為試樁施工鉆機更符合工藝試樁的目的和意義。最終選用KTY4000型液壓動力頭鉆機進行試樁鉆孔施工。KTY4000型鉆機各項性能指標見表1。

（3）工藝試樁過程概述

工藝試樁現場施工工作于2008年9月1日正式開始，9月1日～9月12日完成鉆孔平臺施工，用時12 d。鉆孔施工于10月1日開始，于11月20日結束，扣除期間10月6日～10月19日對鋼護筒的二次施沉，共用時36 d。鋼筋籠加工于10月1日開始，至10月31日完成，歷時31 d。鋼筋籠下放施工于11月22日開始，至11月24日下放完畢。共用時2.5 d。混凝土灌注施工于11月26日下午開始，至11月27日凌晨結束，共用時14小時20分。試樁成樁質量檢驗工作于12月14日進行。檢驗結果表明試樁樁身完整性較好，混凝土勻質性較好，為Ⅰ類樁。12月19日～12月21日進行首次靜載試驗（樁端注漿前）。12月23日下午進行了樁端后注漿施工，用時5 h。2009年1月14日～18日，進行了第二次靜載試驗（樁端注漿后）。兩次靜載試驗結果表明單樁極限承載力滿足設計要求。2009年3月20日《嘉紹大橋3.8m大直徑鉆孔灌注樁工藝試樁成果報告》通過專家評審。

表1 KTY4000液壓動力頭鉆機技術性能表

（4）工藝試樁成果

工藝試樁結果表明，本次試樁所選用關鍵機械設備適用，主要工藝、工序合理可行，試樁中所取得的各種經驗和各項關鍵技術參數有助于大橋參建單位確定樁基施工工藝、進行施工組織設計及主要施工設備選擇，對建設單位在招投標中關鍵機械設備和相關工期要求具有重要指導意義。

（5）工藝試樁工效分析

嘉紹大橋建設中，全橋工期的控制點為北岸水中區引橋，而3.8 m大直徑鉆孔樁是水中區引橋施工的主要難點。水中區引橋樁基礎施工的控制施工資源為大功率鉆機。

考慮到3.8 m大直徑鉆孔樁施工時，施工平臺搭設、鋼護筒施沉、鋼筋籠下放及混凝土灌注等施工工序均可交替進行，故施工鉆機的投入數量及鉆機單樁工作時間是控制水中區引橋工期的關鍵因素，亦是大橋總體工期控制的一個重要因素。

試樁施工鉆孔時間統計見表2。

由表2數據可以看出，試樁純鉆孔時間為517.4 h，約21.5 d。考慮到實際施工時鉆孔工藝將逐漸成熟，以及北岸樁基未入巖，鉆孔施工相對容易等因素，實際施工時，純鉆孔時間應可在20 d內。

表2 試樁鉆孔施工時間統計表

表2中其它時間為337.3 h，約14 d，其中因反復換鉆頭而提鉆用時約9.5 d，設備故障耗時4.5 d。

按正常施工時鉆孔工藝基本穩定，施工設備保障良好的狀態考慮，對鉆機單樁平均工作時間進行預估，內容詳見表3。

表3 實際施工鉆機單樁工作時間預估

表3結果表明，鉆機單樁平均工作時間為一個月。根據嘉紹大橋實際建設條件，按全年樁基礎可施工工期為8個月（依托棧橋施工）考慮，全橋150根3.8 m大直徑樁，共需投入10臺鉆機，則樁基礎施工可在2 a內完成。大橋總體工期可以保證。

3 招投標關鍵設備及工期要求

（1）招投標概況

嘉紹大橋所有土建標段均采用公開招投標形式確定施工單位。150根3.8 m大直徑鉆孔樁施工分別包含在嘉紹大橋第Ⅱ和第Ⅴ土建標中，其中，第Ⅱ合同段中有3.8 m大直徑鉆孔樁20根，第Ⅴ合同段中有3.8 m大直徑鉆孔樁130根。

嘉紹大橋第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ五個土建標于2009年2月11日在浙江省招標投標交易中心同批發售招標文件，并于3月11日開標確定施工單位。

（2）關鍵設備要求

通過前期的工藝試樁，3.8 m大直徑鉆孔樁施工的關鍵設備——鉆機為保證工程質量和工程如期完成的關鍵，因此，在招標文件中對施工單位投入鉆機的關鍵性能參數和數量做出了明確要求。第Ⅱ合同段要求投入鉆機扭矩不小于300 kN·m，數量不少于2臺；第Ⅴ合同段要求投入鉆機扭矩不小于300 kN·m，數量不少于12臺。

（3）工期要求

按照嘉紹大橋總體工期安排及通過工藝試樁的工效分析，招標文件對嘉紹大橋第Ⅱ和第Ⅴ土建標分別做出了30個月（含上部結構）和21個月的總工期要求。

4 工程實踐的工效分析

（1）工程進展概況

2009年6月8日第一根3.8 m大直徑樁開鉆。截至2010年5月，共完成3.8 m大直徑樁101根，已完成檢測樁基礎均為I類樁。樁基施工質量和施工進展情況良好。

（2）鉆機投入

根據招標文件要求，兩家施工單位共投入KTY-4000型鉆機10臺、ZDZ-4000型鉆機1臺、KT-5000型1臺鉆機，詳細性能參數見表4。

表4 投入的鉆機性能參數一覽表

（3）施工工效分析

通過101根樁基的施工過程來看，總體實施過程比較順利，經檢測均為Ⅰ類樁。可見施工技術方案、關鍵技術參數確定，關鍵施工設備選擇、混凝土配合比設計及總體施工工藝是合適、可行的。

a.成孔工效分析

施工過程中KTY-4000型鉆機成孔89根樁，單樁平均成孔時間為13.63 d；KT-5000型鉆機成孔6根樁，單樁平均成孔時間20.67 d；ZDZ-4000型鉆機成孔6根樁，單樁平均成孔時間16.67 d。101根樁總體成孔平均時間為:1437/101=14.23 d/根，按15 d/根計。

b.成樁工效分析

由于鋼筋籠較長，達110多m，接頭數量龐大，沉放歷時長，首根樁達到了28 h，后采取了一系列措施，施工效率有所提高，基本能控制在20 h以內，目前已成101根樁鋼筋籠下放平均時間為16 h，按 1 d計。

鉆孔二次清孔時間最長為17 h，最快為2 h，平均清孔時間為3.86 h。混凝土灌注時間最長為16 h，最快為9.5 h，平均灌注時間為12 h。混凝土灌注時間包含二次清孔平均時間為15.86 h，按1 d計。

項目開工預估單樁的成樁時間為30 d，實際單樁平均的成樁時間為19 d，單樁施工工效提高了近40%。各工序具體平均耗時統計見表5。

表5 Φ3.8 m直徑樁單樁平均施工時間

5 結語

（1）通過3.8 m大直徑超長鉆孔樁工藝試樁合理工效分析，為工程在特定的水文和地質條件下合理選擇關鍵設備和工期安排提供有效的參考數據。

（2）在工程招標中設置關鍵設備關鍵參數及投入數量等強制性條件，為選擇具備施工條件實施單位，保證工程順利推進奠定堅實的基礎

（3）通過嘉紹大橋101根3.8 m大直徑鉆孔灌注樁實際施工的工效分析，工程實踐表明，南岸水中區引橋樁基工期提前了40 d，北岸工程進展順利，從而保證了南、北兩岸水中區引橋的工期。

[1]張敏,諸武越,伏首圣.嘉紹跨江大橋3.8m大直徑鉆孔灌注樁工藝試樁施工[J].公路,2009(12).

[2]中交公路規劃設計院有限公司,中鐵四局集團第二工程有限公司.嘉興至紹興跨江公路通道嘉紹大橋3.8m大直徑鉆孔灌注樁工藝試樁專題成果報告[R].

[3]JTJ041-2000,公路橋涵施工技術規范[S].

[4]JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[5]劉自明.橋梁深水基礎[M].北京:人民交通出版社,2003.