海洋環境強震區超大直徑鋼管復合樁施工技術

董正良，陳誠，向梨梨

（中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

樁基礎在橋梁工程中的應用歷史悠久，其作為建（構）筑物下部結構向地基深部傳遞荷載，可應用于各種地質條件和各類工程建設[1]。隨著全球交通基礎設施的快速發展，各類建（構）筑物日趨向高、大、重、深發展，同時各類跨海大橋、跨江大橋也蓬勃興建，這些超級工程多采用大直徑鉆孔灌注樁基礎。在現代施工技術條件不斷提高的情況下，樁的設計直徑及設計荷載也越來越大[2-5]。在橋梁工程領域，目前采用樁徑2.5 m以上群樁基礎的橋梁不可勝數（典型代表如：江陰大橋、潤揚大橋、蘇通大橋、九江長江公路大橋、沌口大橋、滬通長江大橋、五峰山長江大橋、青山長江大橋等）。

總之，隨著科學技術的進步，橋梁建設跨度不斷刷新紀錄，樁基礎的直徑也呈現出不斷增大的趨勢[6]。

1 鋼管復合樁原理及發展趨勢

隨著近年來我國修建的跨海大橋、港口碼頭以及海洋工程越來越多，對處于海洋中的樁基礎研究也在不斷跟進。與陸上或江河上橋梁樁基相比，海上橋梁樁基受到由臺風、波浪、潮汐和地震所產生的巨大水平作用，這些荷載往往作為海洋樁基礎計算控制荷載。強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，在處于地質構造復雜、地層活動頻繁的海上大型橋梁工程中，結構設計上越來越多地考慮基礎的抗拔、抗剪和抗彎能力。加上海洋環境下樁基礎受強腐蝕作用，結構壽命降低趨勢明顯。在這種背景下，鋼管復合樁基礎漸成趨勢。鋼管復合樁主要由經特殊防腐處理的鋼管、鋼筋混凝土樁基結合而成。在承受荷載時，“鋼管+核心混凝土”樁以復合體形式共同受力，其承載力超過單獨鋼護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 鋪前大橋樁基礎方案

海南鋪前大橋跨越海南省海口市與文昌市之間的鋪前灣。穿過鋪前鎮鋪漁村與試場村之間的林地，以鋪前大橋跨越鋪前灣，于后溪村西北角進入北港島，主橋為主跨230 m獨塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。

大橋橋址區跨越活動斷層，抗震設防烈度高。因此，對橋梁基礎要求較高，較適合的基礎形式有樁基和沉井基礎。

鋪前大橋主墩基礎區域覆蓋層厚達12 m，且巖面存在傾斜情況，如采用沉井基礎，沉井下沉深度較大，造價高，且傾斜巖面不適宜沉井下沉，因此，鋪前大橋主墩基礎設計為樁基礎形式。

通過對國內外類似橋梁調研，對打入樁、鉆孔灌注樁和鋼管復合樁進行計算分析，樁基礎設計控制荷載為地震荷載。經過比選，最終確定了鋼管復合樁作為橋梁基礎結構形式，鋼管和鋼筋混凝土共同參與結構受力，大大提高了基礎抗剪能力。

3 工程概況

鋪前大橋主塔下設2個分離式承臺，每個承臺下采用16根直徑4.3 m/4.0 m鋼管復合樁，左側樁長38 m，右側樁長29 m；按端承樁設計，樁尖持力層為微風化花崗巖，樁基嵌入微風化巖層不小于13 m。樁基周圍土體由上至下主要為淤泥質黏土、礫砂、卵石土、中風化花崗巖、微風化花崗巖。主橋總體結構布置見圖1，樁基詳細結構布置見圖2。

圖1 鋪前大橋主橋結構圖Fig.1 Structure of the main bridge of the Puqian Bridge

圖2 左側承臺樁基結構圖（cm）Fig.2 Schematic diagram of the pile foundation on the left side(cm)

主墩樁基礎鋼護筒直徑為4.3 m，護筒頂標高為棧橋橋面標高+5.2 m，護筒底位于礫砂、卵石土或者中風化巖層中，左側承臺樁基鋼護筒長25.7 m，右側承臺樁基鋼護筒長20.7 m。鋼護筒采用Q345qC鋼材，分3節制作，第1節長度5.32 m，壁厚2.8 cm，為棧橋橋面至樁頂部分；第2節長度16.38 m，含有剪力環、吊環，壁厚3.5 cm，為樁頂至護筒底以上4 m處；第3節長度4 m，壁厚4.5 cm。

鋼護筒結構見圖3。

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

4 樁基施工難點分析

與常規鋼護筒及鋼筋混凝土樁基相比，大直徑鋼管復合樁施工存在以下難點：

1）φ4.3 m超大直徑鋼管復合樁鋼護筒國內罕見，加工、焊接工藝要求高；

2）永久性超大直徑鋼護筒沉放難度大、精度要求嚴；

3）樁基直徑大、嵌巖深度大、工期緊張，對鉆孔設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量要求高；

6）超大直徑樁基質量檢測無可參考經驗和規范，檢測方法需展開專題研究。

5 樁基施工技術

5.1 鋼護筒加工

鋼護筒加工流程為：預彎成形→內側焊縫焊接→外側焊縫焊接→管節對接→焊縫檢測→防腐涂裝施工。

鋼護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，直縫管和管節焊接均采用雙面坡口焊、埋弧焊，剪力環與鋼護筒接觸面兩側采用雙面角焊縫。因鋼護筒直徑大，故在外側焊縫焊接時需設置工作平臺以保證焊接工作順利進行。

5.2 大直徑鋼護筒沉放施工

鋼護筒最大重量為102 t，為保證焊接、防腐涂裝質量，鋼護筒統一在加工廠焊接成整體并完成防腐涂裝后運至現場，因其長度大于20 m，陸上運輸困難，且現有棧橋、平臺無法滿足大型起重設備吊裝該鋼護筒，故本項目主墩樁基鋼護筒僅考慮打樁船或起重船配振動錘沉樁。結合項目實際情況，將兩項工藝進行對比分析如表1所示。

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

綜合考慮鋼護筒施工質量、施工效率、設備調運、費用等情況，本項目優選方案一作為鋼護筒沉放方案。

因航工樁9自帶導向架和沖擊錘無法滿足直徑4.3 m鋼護筒沉放，故本項目設計了一種新型導向架并配備液壓振動錘作為鋼護筒沉放設備。其結構見圖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，運輸船將鋼護筒運至墩旁，航工樁9樁架前傾，起吊鋼護筒，受吊重影響，船體與導向架隨之前傾，鋼護筒吊起后，樁架后仰，此時開啟導向架上層龍口活動門，鋼管放入龍口后關閉上層龍口活動門，待鋼管垂直度和平面位置調整到位后緩慢釋放主鉤，鋼管進入海床表層，回退下層龍口調位箱，適當釋放下層龍口的順船向約束，船體及導向架后仰，最后振動錘振沉鋼護筒。

5.3 大直徑樁基鉆孔施工

因直徑4.0 m以上樁基國內罕見，其鉆孔設備及成孔工藝要求高，應從施工成本、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表2。從表2可知，采用鉆孔樁工藝無論從成孔質量、安全和施工效率方面均遠超挖孔樁，挖孔樁雖施工成本低，但其施工風險過大，不適用于本工程。

表2 成孔方案對比表Table 2 Comparison table of hole formation scheme

其次對鉆機類型、鉆頭類型結合樁基范圍內地質情況依次進行了對比，確定了ZJD5000全液壓回旋鉆機，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，國內少部分橋梁樁基礎有設計為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、現場連接的質量均存在著異于其它類型鋼筋籠的情況，且鋼筋籠的安裝工效直接影響整個樁基施工的工期，鋼筋籠的加工安裝精度是控制主塔鋼管復合樁施工質量的關鍵環節。

鋪前大橋主墩樁基鋼筋籠按變截面梯次設計，左幅16根樁在樁頂以下22 m范圍內是4層鋼筋籠，22～27 m是3層鋼筋籠，27～38 m為單層鋼筋籠（右幅類似），鋼筋籠橫截面設計及聲測管布置見圖5。

圖5 主墩樁基鋼筋橫截面設計圖Fig.5 Cross-section design of reinforcement bar of main pier pile foundation

主墩鋼筋籠分節段制作，節段最大重量43 t，整個鋼筋籠最大重量107 t。鋼筋籠采用特制模架加工。

因鋼筋籠直徑大、重量大，加工時在自身重力下容易發生變形，故在鋼筋籠加工時，在內圈主筋內側加設槽鋼環增強鋼筋籠整體剛度。

鋼筋籠采用型鋼加工而成的米字形吊具，共布置8個吊點。鋼筋籠在提升過程中為4點受力，整體下放時轉換為8點受力，轉換便捷，過程安全。

因樁基鋼筋籠層數多、鋼筋密集且重量大，鋼筋籠在孔口接長時，采用型鋼進行懸吊固定的傳統方法無法適用，本項目設計一種新型鋼筋籠接長用吊具以滿足超配筋、超重鋼筋籠孔口接長施工，具體見圖6。

圖6 鋼筋籠接長時固定吊點布置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 混凝土配合比設計

鋪前大橋樁基結構的特殊性對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際情況，其配合比設計思路如下：

1）降低水膠比。采用減水率達26%的聚羧酸高效減水劑同時提高礦物摻合料比例，從而提高混凝土密實性，滿足其對氯離子抗滲性能的要求。

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，混凝土經過泵送以后進入一個大料斗存放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，要求大流動度、黏度又不能太大，所以細度大的礦渣粉摻量不宜過大。

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，容易造成混凝土內外溫差大（＞25℃），從而導致混凝土開裂，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。

根據配合比設計思路并結合試驗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），對施工工藝也提出了較高的要求，對3種集料斗結構進行詳細對比，優選了一種大體積大斜面柱體的料斗作為樁基首封集料斗，其結構見圖7。

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

5.6 大直徑樁基質量檢測

根據設計圖紙要求，鋪前大橋主墩樁基采用超聲波檢測法進行樁基完整性檢測。

JGJ106—2014《建筑基樁檢測規范》規定：“樁徑≤800 mm時，聲測管≥2根，800 mm＜樁徑≤1 600 mm時，聲測管≥3根，樁徑＞1 600 mm時，聲測管≥4根，樁徑＞2 500 mm時，宜增加預埋聲測管數量”[8]。對于本工程4.3 m直徑鋼管復合樁的聲測管埋設數量沒有具體的規定。

調研國內外類似工程施工，直徑4.3 m樁基施工十分罕見，樁基檢測沒有可借鑒的經驗。

因此本項目通過理論分析結合試驗樁施工對大直徑樁基超聲波檢測展開了專題研究。

5.6.1 超聲波檢測原理

在樁基鋼筋籠制作的同時安裝若干根相互平行的鋼管作為聲測管，檢測前在聲測管內灌滿水，通過超聲波檢測儀的發射探頭和接收探頭（分別放入聲測管底部并同時勻速向上移動）測讀傳播聲時和波幅。根據兩根導管的距離可計算出混凝土的聲速，進而得到聲速、波幅與樁身深度的關系曲線，通過曲線可判斷樁身混凝土的質量。聲速波幅簡明綜合判斷情況見表3。

表3 超聲波檢測聲速波幅簡明判斷表Table 3 Concise judgment table of ultrasonic detection sound velocity amplitude

5.6.2 試驗樁分析

試驗樁位于陸上，直徑為4.3 m，長3 m，鋼筋籠主筋為4層布置，試驗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行檢測，圖5所示聲測管兩兩之間檢測一個斷面，其檢測結果如下：

1） 采用鋼筋籠內側聲測管1～4進行檢測，樁基混凝土強度達到設計要求，且無缺陷存在。

2） 采用外側聲測管5～8進行檢測，樁基混凝土強度達到要求，但表面不良或內部有缺陷。

3）采用內外交叉共8根聲測管兩兩之間進行檢測，內外相鄰3根聲測管呈三角形檢測時超聲波存在穿透3、2層及不穿過鋼筋籠3種情況，其穿過鋼筋籠的聲學參數與外側4根聲測管檢測結果類似，聲幅雖有衰減，但衰減幅度比外4根聲測管相比較小，原因是外4根聲測管最多穿過6層鋼筋籠，內外聲測管最多僅穿過3層鋼筋籠。

經過對試驗樁鑿開進行觀察，混凝土并無不密實情況，因此，超聲波檢測信號發生畸變的原因主要是鋼筋籠層數過多造成的，其中聲幅的衰減與鋼筋籠層數變化具有統一性[9]。

6 實施效果與結論

1）主墩樁基鋼護筒作為永久性受力結構其焊縫、防腐涂裝施工質量及沉放各項指標經檢測均達到設計要求。

2） 經過方案比選，主墩樁基鉆孔采用ZJD5000全液壓回旋鉆機，且全樁均采用滾刀鉆，經檢測，成孔質量高，垂直度、孔徑、孔深、孔底沉渣均滿足設計要求，順利度過了臺風期，作為關鍵工序，工效與預期基本相符，為主墩后續施工贏得了寶貴的時間。

3）制定了一整套超配筋鋼筋籠加工、運輸、吊裝、接長工藝，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，施工質量良好，并提出了超聲波檢測信號與樁基鋼筋籠之間的影響關系，為超配筋大直徑樁基的檢測提供了理論依據。