平潭海峽公鐵兩用大橋超大直徑鉆孔樁施工技術

楊碧波

摘 要：本文通過對平潭海峽公鐵兩用大橋鼓嶼門水道橋Z04～Z05#墩直徑4.5m～4.9m超大直徑變截面鉆孔樁施工技術的研究與實施，分析在復雜海峽氣候環境下搭設水上鉆孔平臺、精確定位插打大型鋼護筒、選擇新型鉆機成孔、鋼筋籠安裝定位及成樁過程中的各種困難和實施方案。根據超聲波成樁檢測結果，充分證明該技術運用是成功的。同時，根據現場施工經驗總結也提出了一些注意事項，希望對今后同類型施工提供一些借鑒作用。

關鍵詞：超大直徑；海峽環境；大型鋼護筒；新型鉆機；鋼筋籠定位

1 概述

平潭海峽公鐵兩用大橋起于長樂市松下鎮，經人嶼島，跨越元洪航道和鼓嶼門水道，再依次通過長嶼島和小練島、跨越大小練島水道抵達大練島，大橋全長約11.15km。其中鼓嶼門水道橋為橋跨布置（見圖1）128+154+364+154+128m的鋼桁混合梁斜拉橋。

Z04、Z05為鼓嶼門水道橋主輔助墩。基礎分別采用16根和8根直徑4.5/4.9m變截面鉆孔樁，C45水下混凝土，設計樁長從40～77m不等，樁頂標高均為-4m，實測海床標高從-27.0～-19.0m變化。橋位處地層從上至下依次為中砂覆蓋層、碎塊狀強風化流紋巖、弱風化流紋巖。

2 作業條件

大橋位于惡劣的海峽環境，平臺設計、設備選用、結構施工必須充分考慮環境影響。

2.1 潮位及流速

橋位處設計高潮位+4.18m， 設計低潮位-1.89m；潮型屬于正規半日潮。10年一遇流速2.46m/s，基本與橋軸線垂直。潮位對成孔過程中水頭控制影響較大。

2.2 氣象

橋址工程區域百年重現期十分鐘平均最大風速44.8m/s。大風日數主要集中在10 月～次年2 月。橋位處的極大風天數統計如表1。由此可見，復雜的氣象條件不利于鋼筋籠的吊裝和對接。

2.3 波浪

橋址區平均海平面為+0.25m。10年一遇H5%（指累計頻率為5%）波高為5.44m，周期為7.8s。波浪對浮吊的穩定性影響較大，不利于鉆機安裝和鋼筋籠對接。

3 總體施工規劃

海上超大直徑鉆孔樁按作業工序分為5個步驟：建立海上鉆孔平臺、大型鋼護筒定位插打、樁基成孔施工、鋼筋籠制作安裝及混凝土灌注成樁。

首先，采用打樁船插打鋼管樁，焊接連接系，架設桁架形成鉆孔平臺，并在平臺上安裝門式吊機作為鋼筋籠對接下放和鉆機移位的起重設備；其次，利用浮吊整體吊裝大型鋼護筒，通過雙層導向裝置安裝定位，并采用S-800液壓沖擊錘沖擊下沉；根據地質、樁徑、深度選用KYY5000型動力頭新型回旋鉆機成孔；接著利用鋼筋籠懸掛環和懸掛筒精確安裝定位鋼筋籠；最后利用單導管灌注水下混凝土成樁。

4 海上超大直徑鉆孔樁施工

4.1 鉆孔平臺施工

鉆孔平臺是海上樁基施工各種設備及人員作業的承重結構和活動場所，必須具有足夠的強度、剛度和穩定性。

4.1.1、結構設計

⑴平臺底層連接系設計位置必須滿足低潮位時水上安全焊接作業要求，。

⑵為克服風大、流急、浪高等惡劣的海峽氣候環境影響，平臺采用斜樁設計，抵御橫向水平力，保證平臺穩定性。

⑶平臺上部結構采用貝雷梁和預制混凝土板，方便現場制安，提高作業工效。

⑷平臺上設箱型軌道梁，安裝一臺200t門式吊機，滿足重達125t鋼筋籠的對接安裝及鉆機移位要求（見圖2）。

⑸為增強鋼結構在海洋環境下的抗腐蝕性能，鋼結構表面均按規范進行防腐涂裝。

4.1.2、平臺施工

平臺施工的關鍵是海上沉樁，由于管樁重量大，海上風大浪高流急，不可能采用傳統的“釣魚法”施工工藝，必須選擇抗風浪強的船體和能量滿足使用要求的打樁錘。

⑴、管樁采用海威951打樁船D128柴油沖擊錘二檔沉樁，首先打樁船絞錨銜樁，經GPS精確定位后，管樁通過抱樁器插入海床利用錘體壓樁，最后進行沉樁作業。沉樁以貫入度控制為主，管樁的平面位置和傾斜度控制標準分別為±200mm和1.5%。個別偏差超標的管樁通過樁頂增設雙層分配梁調節。

⑵、連接系、分配梁及桁架通過400t浮吊吊裝焊接或安裝，施工時，必須建立安全操作平臺和通道。當穩定的小平臺建立完成，后期的連接系等構件可以通過100t履帶吊機吊裝，減小浪涌對浮吊的影響。

4.2、護筒施工

4.2.1、結構設計

鋼護筒是防止海水灌入孔內及避免不穩定地層垮塌的維護結構。

⑴設計長度必須滿足護筒底端穿過松散地層進入穩定層1-2m，頂部與平臺面齊平。

⑵鋼護筒標準截面設計為φ4900×36mm，兩端4m范圍采用50mm的鋼板增強剛度（詳見：圖3），滿足吊裝和插打要求。

⑶兩端設計吊耳，方便護筒豎轉起吊。內支撐與吊耳位置對應。

4.2.2、護筒吊裝

⑴選擇風力小于8級（橋位處幾乎沒有風力小于6級的時間），浪高小于2.5m時進行吊裝作業，確保船體穩定和護筒能順利插入平臺導向。

⑵鋼護筒最大長度約60m，272t。結合潮位、平臺高度和吊具長度等因素選用1000t的大橋海宇號浮吊副鉤滿足吊重、吊高和吊距要求。鋼絲繩、卸扣、吊具等必須按規范驗算滿足吊裝要求。

⑶吊裝采用雙鉤三點起吊。副鉤在上，主鉤在下，兩鉤同時起升一定高度后主鉤落，副鉤升，直至鋼護筒豎立后，摘除主鉤吊具，割除底部吊耳和內支撐。最后通過孔位處安裝的雙層護筒可調導向架將護筒插至海床精確定位。

4.3.3、護筒插打

護筒插打可以采用液壓振動錘和液壓沖擊錘兩種設備，但振動錘無法將護筒沉入巖內，現場綜合考慮采用S-800液壓沖擊錘（詳見圖4）。能量控制在400～450KJ時，護筒貫入度小于5mm，結合地勘資料，護筒底部已穿過覆蓋層進入碎塊狀強風化巖層約1m深度，滿足施工要求。

4.3、成孔作業

直徑4.5m/4.9m變徑樁是世界上目前最大的橋梁樁，以往沒有類似的成孔經驗和設備可供參考和選擇。復雜的地質情況和施工環境對成孔過程中確保孔徑和傾斜度滿足規范要求帶來極大的挑戰。

4.3.1、設備選型

施工選用KTY5000型動力頭新型旋轉鉆機，最大扭矩450KN.M，適合直徑3.5～5.0m樁基，最大鉆孔深度達180m，配備楔齒和球齒兩種鉆頭，滿足現場施工需要。

4.3.2、鉆進成孔

橋位處的地質根據地勘表明，從上至下依次為9～21m覆蓋砂層，2～15m碎塊狀強風化流紋巖，下部為弱風化或微風化流紋巖。樁基按嵌巖樁設計，樁尖入弱風化巖長度不小于7m。

⑴根據樁位設計中心利用龍門吊拼裝旋轉鉆機。

⑵護筒內配置海水泥漿，并根據潮位將水頭控制在2m左右。

⑶覆蓋層采用楔齒鉆頭，強風化和弱風化流紋巖采用球齒鉆頭低壓鉆進，鉆壓控制在40～50%左右。

⑷成孔清渣后測量孔深，并采用超聲波檢孔儀檢測孔徑和傾斜度。

4.3.3、問題處理

成孔過程中經常會遇到護筒卷邊、涌砂漏漿，傾斜巖面等問題，施工過程中必須采取有效措施才能保證成孔質量。

⑴護筒下沉過程中遇孤石，由于端部受力不均造成底口卷邊，現場應采用小鉆頭在卷邊處鉆進取渣，再由潛水員水下切割。

⑵護筒底口處經常出現漏漿涌砂，可以采取加大泥漿比重、在泥漿中加入鋸末爐渣等方法堵漏。涌砂量大時可以采用樁周注漿加固地層等方法解決。

⑶碎塊狀強風化與弱風化巖交界處，由于巖面傾斜極易出現斜孔顯現，施工時應先將軟弱層清理完畢后水下灌注C50混凝土，待強度達到設計要求后重新鉆進，以糾正其傾斜度。

⑷碎塊狀強風化遇水容易坍塌造成擴孔或塌孔，施工時保證水頭，加大泥漿比重，且慎用鉆桿穩定器，減少對孔壁的擾動。

4.4 鋼筋籠安裝

4.4.1、鋼筋籠設計

鋼筋籠按變截面設計（見圖6），雙層三根一束φ40主筋布置，最大重量125t。鋼筋籠孔口對接和精確定位是施工重點和難點。

4.4.2、鋼筋籠對接下放

⑴孔口處安裝鋼筋籠懸掛環，懸掛環中心與樁位中心重合。

⑵鋼筋籠在胎具上長線法制作，運至現場后由200t門吊與履帶吊機配合用“一”字型扁擔吊具將首節鋼筋籠起吊豎立，插入護筒內，同時伸出懸掛環卡板至鋼筋籠頂部加勁環下，將其固定在孔口（見圖7）。

⑶吊具轉換。由于鋼筋籠對接后重量加大，次節鋼筋籠起吊后必須在其他孔口轉換成多點受力的環形吊具（見圖8）。⑷鋼筋籠在孔口采用機械接頭連接，綁扎箍筋，抽出卡板并依次割除內支撐下放鋼筋籠。

⑸鋼筋籠定位。末節鋼筋籠連接完成后，根據平臺標高和樁頂設計標高確定鋼筋籠豎向定位鋼筋長度，平面位置采用保護層墊塊和水平定位鋼筋定位。最后利用懸掛吊桶將鋼筋籠固定在懸掛吊環上，完成鋼筋籠安裝。

4.5、成樁作業

4.5.1、成樁作業是影響樁基質量的關鍵工序，尤其是直徑4.5m/4.9m超大直徑變徑樁，最大灌注方量達1400m3，必須提前做好各項灌注準備工作。

⑴、為增加混凝土的灌注速度，專門制作φ426×10mm的導管，灌注前進行水密試驗。

⑵、檢查泥漿指標和沉渣厚度是否滿足規范要求，否則利用導管采用氣舉反循環二次清孔。

⑶、根據混凝土供應能力，配合比設計初凝時間不小于15小時。其他指標滿足規范要求。

⑷、根據最大灌注孔深和孔內液面高度，首封混凝土不少于25m3，現場設計27m3+7m3大小儲料斗配合。

4.5.2、混凝土采用陸上2×HZS120攪拌站和海天4號、海天號兩艘攪拌船同時供應，每小時混凝土產量約120m3，確保12小時內灌注完成（詳見圖9）。灌注過程采用鋼絲測繩沿樁周四點同步測量混凝土面標高，導管埋深控制在4-6m。設計樁頂超灌1m，保證樁身質量，灌注完成后立即人工清理至設計樁頂以上50cm，避免混凝土強度上升后，樁頭難以處理。

4.6、注意事項

4.6.1、海上吊裝必須在風力小于8級，浪高小于2.5m時作業。

4.6.2、鋼管樁插打遇光板巖地質時，管樁內必須施工錨樁。

4.6.3、鋼護筒插打時，沖擊能量不宜大于450KJ，否則鋼護筒底部容易卷邊。

4.6.4、成孔過程中應結合地勘資料及時判定強風化與弱風化交界面是否有傾斜巖面，必要時可以提前灌注2m左右高標號混凝土重新鉆進，否則容易出現斜孔現象。

4.6.5、混凝土供應能力必須滿足要求，確保混凝土在初凝時間內灌注完成。

5 結語

通過對樁基的超聲波無損檢測，確定樁基質量完好，符合設計要求，證明平潭海峽公鐵兩用大橋直徑4.5m/4.9m變徑樁的施工工藝是滿足施工要求的的，該方案的成功實施從此為跨海大橋的深水基礎超大直徑樁施工奠定了基礎，也為橋梁建設事業的發展邁出了一小步。

參考文獻

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[2]《鋼結構》作者：魏明鐘 武漢工業大學出版社 2000年8月

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[5]《KTY5000型動力頭鉆機設計文件》