中國海洋環境橋梁大直徑深長樁基的應用研究

馮忠居，劉 闖，戴良軍，王增賢，李孝雄，5，孫平寬

1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064 2.海南省交通運輸廳，海南 海口 570000 3.安徽建工集團有限公司，安徽 合肥 230001 4.福建省交通運輸廳，福建 福州 350004 5.滁州學院 地理信息與旅游學院，安徽 滁州 239000 6.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100000

中國海洋環境橋梁大直徑深長樁基的應用研究

Study on Application of Deep and Large Pile Foundation of Bridges in China's Marine Environment

馮忠居1，劉 闖2，戴良軍3，王增賢4，李孝雄1，5，孫平寬6

1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064 2.海南省交通運輸廳，海南 海口 570000 3.安徽建工集團有限公司，安徽 合肥 230001 4.福建省交通運輸廳，福建 福州 350004 5.滁州學院 地理信息與旅游學院，安徽 滁州 239000 6.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100000

0 引 言

公路交通水平能折射出某地區或國家的現代化水平與經濟實力。中國海岸線總長達3.2萬km，由島嶼海岸線(1.4萬km)與大陸海岸線(1.8萬km)組成[1]，因此，沿海地區基礎設施的建設需加快對高技術、高投入及大跨徑的跨海大橋的修建。跨海大橋主要跨越海灣、海峽、近海及連接島嶼[2]，自中國首座跨海大橋——廈門大橋于1991年5月建成通車，現國內已建通車跨海大橋達29座。

跨海大橋跨越通航海面，其跨徑遠大于一般橋梁，橋梁主墩處樁基礎需提供較大荷載。因此，為了滿足橋梁設計要求，海洋環境橋梁樁基礎需設計為大直徑深長樁基。海洋環境大直徑深長樁基礎環境復雜、幾何尺寸過大，在施工及后期運營過程中不斷受到海水、海風腐蝕，導致其承載力下降，嚴重影響橋梁的使用年限，如圖1所示。因此，樁基礎在設計時須充分考慮腐蝕問題，通過增加鋼護筒防腐、預留一定樁基礎混凝土保護層達到防腐目的；然而各海域環境變化較大，不同跨海大橋大直徑深長樁基礎采取的防腐方法不盡相同。另一方面，船舶運輸業的崛起使數萬噸級特大型船舶數量急劇增加，在海水流速較大、自然環境復雜等各種因素的影響下，船撞橋梁的事故(圖2)一再發生，嚴重危害了人民安全，并給國民經濟帶來了巨大的損失，破壞了海洋生態環境。

圖1 水域中樁基腐蝕

大直徑深長樁基礎在橋梁工程中的應用已十分普遍，廣大技術人員也在實際工程中積累了豐富的設計、施工經驗，但大直徑深長樁基礎施工、運營受海洋性氣候特征及工程環境影響顯著。因此，本文通過對中國已建和在建跨海大橋橋梁樁基礎的幾何尺寸、防腐及防撞措施等方面材料的收集及分析，總結中國海洋環境橋梁大直徑深長樁基礎的應用現狀，為后期深入、系統研究海洋環境橋梁大直徑深長樁基礎提供一定的借鑒。

圖2 樁基遭遇船舶撞擊

1 海洋環境橋梁大直徑深長樁基礎設計指標

20世紀50年代修建武漢長江大橋時，在世界范圍內首次采用了大型管柱基礎代替氣壓沉箱基礎的施工方法，之后推廣并發展了這種先進的深水基礎形式，出現了大直徑鉆孔灌注樁基礎。十一屆三中全會后，中國橋梁建設得到突飛猛進的發展，并從橋梁大國邁向了橋梁強國，橋梁所采用的鉆孔灌注樁基礎直徑不斷增大。海洋環境大直徑深長樁基設計主要指標包含樁基幾何尺寸(樁長、樁徑)、鋼護筒幾何尺寸(長度、直徑、厚度)、混凝土標號等。中國部分跨海大橋樁基礎主要指標見表1。

由表1可見，隨著中國跨海大橋建設的快速發展，樁基礎樁徑不斷增大，由廈門海滄大橋的2.0 m增加到正在建設中的鋪前大橋的4.0 m，其中鋼護筒直徑比樁徑大0.2^0.3 m。樁長的確定與橋址區地質情況有關，為滿足上部荷載作用下橋梁的安全，跨海大橋樁基礎均為嵌巖樁。鋼護筒的厚度變化范圍較大，其中鋪前大橋鋼護筒厚度最大，達到45 mm。

2 海洋環境橋梁大直徑深長樁基礎

海洋環境復雜，影響大直徑深長樁基礎設計的因素較多，其中主要影響參數包括：樁基幾何尺寸(上部荷載、地質情況)、鋼護筒長度(海水深度、地質情況)、鋼護筒厚度(海水腐蝕性)、鋼護筒直徑(樁基直徑)、混凝土標號(上部荷載)。在橋梁運營過程中，海水腐蝕及船舶撞擊會嚴重影響樁基礎安全。因此，在樁基礎設計時，應充分考慮耐久性設計及防撞措施。

2.1 海洋環境樁基礎腐蝕機理

海洋環境樁基礎主要由混凝土和鋼筋組成，樁基礎的腐蝕與海水特性及化學成分密切相關，圖3為海水中樁基礎腐蝕破壞的示意。

海水對混凝土的腐蝕主要分為溶出性腐蝕、陽離子交換性腐蝕及膨脹性腐蝕。當海水入滲混凝土內部時，表層的Mg2+和CO32-呈結合狀態，并沉淀出大量的CaSO4·H2O，在海水與混凝土接觸處積累，且海水中含有大量的NaCl以及一些CaCl2、CaSO4等鹽類，能夠溶解水泥中大多數組成部分；海水中鎂鹽與混凝土中的陽離子產生交換，生成的新物質不能起到“骨架”作用；混凝土與外界硫酸鹽離子接觸時，生成膨脹性鹽而引起膨脹，使表層開裂或軟化，裂縫又增加了含有硫酸鹽離子和其他離子的侵蝕性水的滲透，進一步加劇混凝土的腐蝕[3]。當海水與鋼筋接觸時，鋼筋在高pH值環境下形成的鈍化保護膜開始脫落，繼而失去保護，發生電化學反應開始銹蝕。

表1 跨海大橋樁基礎樁基礎設計主要指標

2.2 海洋環境跨海大橋樁基礎環境類別及等級分類

跨海大橋橋址區海水中含鹽量及含氯量決定著海洋氯化物環境對混凝土結構的腐蝕強度，規范中一般依據海水中氯離子濃度進行環境作用等級劃分。中國沿海地區海水含鹽量及含氯量差異較大，依據《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》(JTG/T B07-01—2006)對中國部分跨海大橋環境等級進行劃分，結果見表2。

圖3 海水中樁基礎腐蝕破壞示意

表2 跨海大橋樁基環境等級劃分

3 海洋環境跨海大橋樁基礎耐久性設計

海洋環境中樁基礎耐久性設計包括改善混凝土自身結構、提高密實度和抗滲能力以及附加防腐措施。

3.1 改善混凝土自身結構

(1)選用低水化熱和含堿量偏低的水泥，盡可能避免使用早強水泥和高C3A含量的水泥。

(2)選用堅固耐久、級配合格、粒型良好的潔凈骨料。

(3)使用優質粉煤灰、礦渣等礦物摻合料或復合礦物摻合料；除特殊情況外，礦物摻合料應作為耐久性混凝土的必需組分。

(4)采用優質的引氣劑，將適量的引氣劑作為配制耐久混凝土的常規手段。

(5)盡量降低拌和水用量，為此應外加高效減水劑或有高效減水功能的復合外加劑。

(6)限制單方混凝土中膠凝材料的最高用量，為此應特別重視混凝土骨料的級配以及粗骨料的粒型要求。

(7)盡可能減少混凝土膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量，且膠凝材料的總量也不能過高。

(8)混凝土中最大水灰比、最小水泥用量、最大氯離子含量、最大堿含量及抗滲性能滿足《公路工程混凝土結構防腐技術規程》(JTG/T B07-01—2006)的要求。進場骨料需做堿活性檢測。

(9)混凝土中宜摻加符合技術要求的粉煤灰、礦渣或硅粉等礦物摻和料。

3.2 附加防腐措施

從氯離子在混凝土中的擴散規律來看，混凝土結構的使用壽命不僅與混凝土材料本身的氯離子擴散系數有關，而且與鋼筋的保護層厚度密切相關[4]。理論上，鋼筋的保護層越厚，氯離子擴散到鋼筋表面的時間越長，混凝土結構的壽命也越長；但是保護層過大不利于結構裂縫控制，同樣會造成結構的耐久性降低。因此，只有合理地確定保護層厚度，才能有效保護鋼筋，增強結構的耐久性[5]。中國跨海大橋鋼筋保護層最小厚度見表3[6]。

表3 鋼筋保護層厚度

海洋環境樁基礎施工中常通過下放鋼護筒來穩定樁基鉆孔孔壁，因后續施工需要及護筒埋深較大，鋼護筒在成樁后一般不再回收。因此，鋼護筒在樁基礎后期運營過程中起一定的防腐作用，且實體工程中對鋼護筒也會采取一定的防腐措施，從而保證樁基礎在使用年限內的安全。目前，海洋環境鋼護筒主要從材料的選擇、涂層改性、防腐涂料及電化學保護等方面進行防腐[7]。

防腐涂料的主要作用是阻止海水中的腐蝕介質與鋼護筒直接接觸，而發生化學或電化學腐蝕。但是，防腐涂料在短期內防腐效果較好，隨著時間的增加，表層涂料(環氧樹脂、環氧煤瀝青底漆、環氧煤瀝青面漆、環氧瀝青防銹漆、厚漿型鋁粉環氧瀝青防銹漆、厚漿型環氧瀝青防銹漆、環氧煤瀝青管道專用漆、瀝青清漆、耐高溫防腐涂料ZS、無機防腐涂料等)的防腐效果逐漸減弱，因此，在海洋橋梁工程中鋼護筒的長期防腐最好采用防腐涂料與電化學保護相結合的方法[8]，如圖4所示。

3.3 大直徑深長樁基礎防撞設計

國內新建的跨海大橋主通航孔均是針對承臺部分進行防撞設計，且船舶撞擊以樁基礎部位較多。防撞設計時需充分考慮橋址區氣象、水文及地質情況、航道幾何尺寸、通航等級、通航密度、航速及船舶類型等。防撞措施主要分為兩大類：阻止船舶與橋梁直接撞擊接觸；船舶撞擊橋梁后，通過消能緩沖的方式降低撞擊力，達到防撞作用[9]。經對中國跨海大橋防撞措施的調研與分析，歸納出橋梁的典型防撞措施應用情況，如表4所示。

圖4 防腐涂層及電化學保護

表4 中國跨海大橋采用的防撞設施結構形式

4 海洋環境橋梁大直徑深長樁基礎施工工藝

跨海大橋橋址區風大、流急、浪高、潮差大、水文條件復雜，且受到海洋環境的影響。樁基礎直徑大、樁孔深，施工環境惡劣，對橋梁樁基的施工提出更高的要求。樁基礎施工工序主要分為：鋼護筒下沉、成孔、鋼筋籠下放及混凝土灌注[10]。本文在國內外已建成特大型橋梁樁基施工經驗的基礎上，結合鋪前大橋工程實際，對海洋環境特大型橋梁超長樁基的成孔及成樁工藝進行系統研究。

4.1 鋼護筒下沉技術

鋼護筒采用打樁船“樁9” 沉放，并在打樁船船首樁架的底座上焊接安裝固定式雙層導向架定位導向，配備2 臺YZ300高頻液壓振動錘以聯動激振的方式振動下沉[11]。現場鋼護筒頂標高應控制在5.3±0.1 m范圍內，平面偏位控制在50 mm以內，垂直度控制在1/200以內，如圖5所示。

4.2 樁基礎成孔技術

鋪前大橋樁基施工過程中，鉆機需要穿過淤泥層、粉質黏土層、微風化花崗巖層等地層。34#主墩從鉆孔平臺頂面至樁孔底部最大深度為38 m左右，大直徑樁樁徑為4.0 m。根據橋址處的具體工程地質條件，并結合以往類似工程的成孔經驗，主橋34#墩選用動力頭輸出扭距大、提升能力強、速度快、移動方便的ZJD-5000鉆機，并選取球齒滾刀鉆頭，如圖6所示。

在樁基礎鉆進過程中，為保證孔壁的穩定性并利于鉆渣排出，需在鉆進過程中配制性能良好的泥漿。鉆孔護壁泥漿采用膨潤土造漿，根據施鉆地層的特點，為防止在鉆孔施工過程中發生流砂及軟流塑地層擴孔、塌孔、縮徑等現象，保持孔壁穩定，使用不分散、低固相、高黏度泥漿進行護壁。不同土層中泥漿性能有所差異，具體指標見表5。

4.3 樁基礎成樁技術

4.3.1 鋼筋籠制作與下放

圖5 鋼護筒下沉

圖6 ZJD-5000鉆機及球齒滾刀鉆頭

34#左幅承臺區域樁基鋼筋籠分成4節，共40 m(3×12 m+4 m)，重約107.63 t。鋼筋籠分節制造安裝，根據鋼筋籠的全長及吊裝能力，左幅分4段、右幅分3段吊裝入孔對接。鋼筋籠在加工車間下料，采用長線法臺座制作，如圖7所示。

表5 回旋鉆在軟弱地質泥漿的性能指標

4.3.2 混凝土灌注

水下混凝土灌注使用大料斗、小料斗、導管和灌注平臺。初灌時混凝土由拖泵傳送至大料斗儲存，大料斗的作用是匯集從滑槽流下來的混凝土，使之順利進入導管。在水下混凝土灌注過程中混凝土拌和物始終通過拖泵輸入集料斗，再由大料斗流入小料斗，從而直接進入導管直至灌注混凝土結束，如圖8所示。

圖7 鋼筋籠制作與下放

圖8 灌注水下混凝土

5 結語

(1)海洋環境橋梁樁基礎主要設計指標由上部荷載、橋址區巖土體物理力學參數及周邊環境決定。樁基礎幾何尺寸的不斷增大，對鋼護筒下沉、成孔及成樁技術提出了更高的要求。

(2)海洋環境中富含的NaCl、 CaCl2及CaSO4等鹽類會嚴重腐蝕橋梁樁基礎，縮短橋梁樁基礎的使用年限。

實體工程中通過改善混凝土自身結構、提高密實度和抗滲能力、設置一定厚度混凝土保護層、對鋼護筒表面使用環氧樹脂等防腐涂料與電化學保護聯合的方法進行防腐，有效防止了樁基礎在使用過程中遭受海水的腐蝕。

(3)海洋環境中樁基礎防撞措施主要采用鋼套箱，該措施有效保障了樁基礎在船舶撞擊作用下的安全；但撞擊過程中對船舶、橋梁均產生不同程度損壞。因此，不僅要充分考慮通航等級的設計，還應加強對船舶的管理。

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海南省交通科技項目(HNZXY2015-045 R)