大尺寸圓-矩咬合樁施工關(guān)鍵技術(shù)

摘要：某大跨懸索橋錨碇基礎(chǔ)采用“大直徑樁+二期槽段”的咬合樁復(fù)合錨碇基礎(chǔ)支護(hù)形式，由于咬合樁均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，大直徑樁基樁徑達(dá)3.5 m，且為異形結(jié)構(gòu)，施工難度大。文章針對(duì)該大直徑咬合樁成孔工藝質(zhì)量控制、鋼筋籠制作、鋼筋籠定位控制、混凝土灌注質(zhì)量控制、鋼筋籠上浮和下沉控制等多項(xiàng)施工技術(shù)開展研究，形成系統(tǒng)的樁基-重力式混合錨碇基礎(chǔ)的施工工藝，以期為類似工程施工提供技術(shù)借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：懸索橋；錨碇基礎(chǔ)；成孔；異形鋼筋籠；混凝土灌注

中圖分類號(hào)：U443.24

0 引言

錨碇作為懸索橋主要承重構(gòu)件，按照不同受力，可為重力式錨碇和隧道式錨碇，隧道錨碇對(duì)地質(zhì)環(huán)境要求高，因而工程應(yīng)用較少。咬合樁［1］施工具有施工效率高、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，某大跨懸索橋錨碇基礎(chǔ)采用咬合樁結(jié)構(gòu)形式作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其咬合樁結(jié)構(gòu)形狀為大直徑樁（圓形）+二期槽（矩形），支護(hù)樁樁徑達(dá)3.5 m，國內(nèi)罕見，施工難度大，因此很有必要對(duì)該施工工藝進(jìn)行研究。

該跨海懸索橋錨碇采用大直徑樁+二期槽咬合樁圍護(hù)方案，樁基之間采用銑槽機(jī)銑槽，形成二期槽段與樁基搭接，為國內(nèi)首次采用該方式施工的工程，大尺寸圓矩咬合樁施工包含樁基成孔、鋼筋籠制作、鋼筋籠安裝、混凝土灌注等關(guān)鍵工序，主要面臨以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)：

（1）3.5 m大直徑樁基成孔質(zhì)量控制工藝。一方面，錨碇大直徑樁基樁徑達(dá)3.5 m，采用傳統(tǒng)直接成孔的施工工藝，成孔速度較慢；另一方面，大直徑樁基位于復(fù)雜的海域環(huán)境，基巖強(qiáng)度高，間有斜巖，樁基成孔難度較大。

（2）大直徑樁基鋼筋籠加工制作。不同于以往的鋼筋籠，3.5 m大直徑樁基鋼筋籠的結(jié)構(gòu)為異形結(jié)構(gòu)，無法采用現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備批量進(jìn)行加工制作。基于此，需對(duì)其鋼筋籠生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，由于首次采用該結(jié)構(gòu)類型鋼筋籠，可參考資料少，施工難度大。

（3）鋼筋籠定位控制技術(shù)。錨碇基礎(chǔ)首次采用圓-矩咬合樁支護(hù)形式，由于咬合樁均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，施工過程中需嚴(yán)格控制大直徑樁基鋼筋籠的定位和垂直度，同時(shí)也要防止施工過程中大直徑樁基發(fā)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致二期槽銑槽過程中碰到大直徑樁鋼筋籠。

（4）混凝土灌注質(zhì)量控制。大直徑樁基樁徑為3.5 m，最大樁長為43.3 m，灌注方量達(dá)400多m3，混凝土灌注方量大，施工過程中需嚴(yán)格控制泥漿配合比、沉渣厚度、混凝土灌注速度、套管埋置深度控制、樁頂浮漿控制等，施工難度大。

基于此，本文依托該跨海懸索大橋，對(duì)大直徑樁成孔工藝質(zhì)量控制技術(shù)、鋼筋籠制作、鋼筋籠定位控制技術(shù)、樁垂直度的控制措施、混凝土灌注質(zhì)量控制技術(shù)、鋼筋籠上浮和下沉控制技術(shù)等多項(xiàng)施工控制技術(shù)開展研究和分析，形成系統(tǒng)的樁基-重力式混合錨碇基礎(chǔ)的施工工藝，以期為類似工程施工提供技術(shù)借鑒和參考。

1 工程概況

某橋?yàn)殡p塔單跨吊鋼箱梁懸索橋，橋跨布置為251 m+1 098 m+251 m，一跨過海。錨碇區(qū)采用重力式錨碇，四周采用咬合樁支護(hù)，直徑為94.0 m，圓-矩咬合樁，樁徑為3.5 m，二期槽為2.8 m×1.5 m，單個(gè)錨碇大直徑樁和二期槽各52根樁，采用大直徑樁+銑接頭施工。基礎(chǔ)底高程為-24.00 m，錨碇四周采用咬合樁支護(hù)，樁底標(biāo)高為-29.00 m，歷年高潮位為3.98 m，錨碇基礎(chǔ)原地貌為半島半海環(huán)境，基礎(chǔ)頂高程在常水位以上取+4.00 m，樁基中心圍成直徑90 m的圓形基礎(chǔ)（見圖1～2）。錨碇區(qū)邊坡地層巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化巖，該層節(jié)理裂隙發(fā)育，邊坡易產(chǎn)生掉塊。地質(zhì)調(diào)查該段小褶皺發(fā)育，巖體破碎。

2 咬合樁大直徑樁基施工關(guān)鍵技術(shù)

地下連續(xù)墻作為懸索橋常用的基礎(chǔ)形式，地連墻重力式錨碇基坑開挖過程中常采用逆作法施工內(nèi)襯，但是地下連續(xù)墻施工周期長、成本高。基于此，項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用了大直徑圓樁+矩形二期槽咬合樁支護(hù)方案的重力式錨碇，支護(hù)樁徑高達(dá)3.5 m，且位于半海半島施工區(qū)域，地質(zhì)條件復(fù)雜，可參考資料少，樁基成孔難度大。大直徑樁基主要施工步驟如圖3所示。

針對(duì)大直徑樁成孔難、異形鋼筋籠制造加工難度大、鋼筋籠吊運(yùn)過程中垂直度難以保障、下鋼筋籠過程中鋼筋籠旋轉(zhuǎn)、鋼筋籠接長以及鋼筋籠定位難、混凝土灌注質(zhì)量難保障等一系列問題開展研究，形成大尺寸圓-矩咬合樁成套施工工藝，下面主要從大直徑樁成孔、異形鋼筋籠加工制作、鋼筋籠定位控制技術(shù)以及混凝土灌注四個(gè)方面進(jìn)行介紹。

2.1 大尺寸圓矩咬合樁成孔工藝

針對(duì)半島半海施工環(huán)境，對(duì)于島上施工區(qū)域，施工場地需將原山體進(jìn)行開挖平整至錨碇基礎(chǔ)頂部［2］。對(duì)于海上施工部分，在海島得到用海用島許可后，項(xiàng)目采用石方填海的方式進(jìn)行筑島圍堰，滿足錨碇基礎(chǔ)施工過程中的平臺(tái)要求。由于錨碇基礎(chǔ)咬合樁支護(hù)面積大，在保障施工質(zhì)量的同時(shí)提高施工效率，靠海一側(cè)大直徑樁基采用沖擊鉆施工，靠岸一側(cè)樁基采用旋挖鉆跳樁施工。旋挖鉆施工將3.5 m的大直徑樁基分2.0 m、2.8 m和3.5 m 三級(jí)擴(kuò)孔施工，提高成孔速度。旋挖鉆施工時(shí)，在前一級(jí)鉆至孔深后，進(jìn)行后一級(jí)擴(kuò)孔，并保證各級(jí)鉆進(jìn)時(shí)鉆頭阻力基本相等，鉆進(jìn)壓力、速度均勻。大直徑樁采用沖擊鉆成孔時(shí)，應(yīng)采用低錘密擊，需進(jìn)行孔內(nèi)泥漿水頭檢查，以保證成孔過程中孔壁的穩(wěn)定性。當(dāng)成孔過程中遇斜巖可結(jié)合地質(zhì)情況拋填相似硬度片石，用重錘沖擊，或重低沖程交替沖擊。

大直徑樁清孔。通過氣舉反循環(huán)方式清孔，將孔內(nèi)泥漿運(yùn)至地面的泥漿凈化系統(tǒng)，通過沉淀池去除大尺寸鉆碴，并利用砂石分離器分離粉細(xì)砂，再將經(jīng)過處理后的合適泥漿回流至孔內(nèi)，反復(fù)循環(huán)，直至泥漿符合標(biāo)準(zhǔn)。在此過程中，可根據(jù)孔內(nèi)泥漿情況，適當(dāng)補(bǔ)充新泥漿。

2.2 異形鋼筋籠加工制作

為避免二期槽施工過程中碰撞大直徑樁基鋼筋籠，大直徑樁基鋼筋籠采用異形結(jié)構(gòu)形式（見圖4）。

由于鋼筋籠為異形結(jié)構(gòu)，需對(duì)其箍筋的施工進(jìn)行特別加工制作，為此首次研發(fā)了異形鋼筋彎箍機(jī)。該設(shè)備具有驅(qū)動(dòng)裝置、彎折裝置和壓彎裝置（見圖5）。其中，驅(qū)動(dòng)裝置用于帶動(dòng)目標(biāo)鋼筋移動(dòng)；折彎裝置與驅(qū)動(dòng)裝置間隔設(shè)置，通過千斤頂勻速頂推作用可以將目標(biāo)鋼筋均勻折彎；壓彎裝置能夠在與折彎裝置和驅(qū)動(dòng)裝置配合后，將目標(biāo)鋼筋壓彎成弧段。通過加工系統(tǒng)制作的異形箍筋，可以減少異形箍筋上的焊接點(diǎn)，而且整根異形箍筋是一體加工完成。通過本加工系統(tǒng)制作的異形箍筋的整體性能更好，進(jìn)而再配合主筋完成后的異形鋼筋籠的整體性能更好。通過研發(fā)異形鋼筋籠成套制作、安裝工法，確保了施工質(zhì)量，縮短了工期，經(jīng)濟(jì)效益顯著。實(shí)踐表明，通過本裝置可幾分鐘內(nèi)加工好一根異形箍筋，加工后的鋼筋形狀與設(shè)計(jì)圖一致，具有良好的工作效率和加工質(zhì)量。

進(jìn)一步地，對(duì)鋼筋籠胎架進(jìn)行改進(jìn)，采用“平扁”胎架進(jìn)行鋼筋籠制作，該胎架能夠沿著下部軌道進(jìn)行移動(dòng)，方便調(diào)整異形鋼筋籠尺寸，然后在胎架上放置主筋，再將加工好的箍筋與主筋按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行連接，接著按照設(shè)計(jì)圖紙要求安裝鋼筋籠內(nèi)部鋼筋，最后安裝局部加強(qiáng)筋，以此完成整個(gè)異形鋼筋籠的加工制作。

2.3 鋼筋籠定位控制技術(shù)

（1）鋼筋籠吊架（見圖6）。大直徑樁鋼筋籠通過14 m長的平板車分節(jié)段運(yùn)輸至現(xiàn)場，采取主、副吊機(jī)雙機(jī)抬吊。為防止鋼筋籠變形，主吊機(jī)通過吊架吊住鋼筋籠頂部，副吊機(jī)直接吊住鋼筋籠底。由于鋼筋籠尺寸大，常規(guī)吊架尺寸小，鋼絲繩與鋼筋籠存在一定的夾角，從而對(duì)鋼筋籠產(chǎn)生向內(nèi)的拉力，使鋼筋籠易發(fā)生變形。因此，根據(jù)鋼筋籠尺寸研發(fā)特制吊架（1.91 m×2.7 m×1.5 m），確保鋼絲繩與鋼筋籠縱向平行，減少鋼絲繩對(duì)鋼筋籠的內(nèi)拉力，并通過大型有限元軟件對(duì)其最大吊重下的安全性進(jìn)行分析，確保施工安全。

鋼筋籠起吊后主、副吊在指揮員指揮下擺臂使鋼筋籠尾部位于副吊正前方后，主吊機(jī)大臂固定提升，副吊開始行走，配合主吊機(jī)直至起吊至鋼筋籠垂直于地面。

（2）鋼筋籠最長為43.3 m，重量達(dá)37.2 t，采用整體吊裝，對(duì)機(jī)械設(shè)備性能要求高，施工成本高。基于此，采用分節(jié)拼裝方式安裝鋼筋籠，先將第一節(jié)鋼筋籠掛于特制孔口吊架上，通過與下一節(jié)鋼筋籠于孔口吊架上連接好后逐級(jí)下放，直至整個(gè)鋼筋籠拼裝完成。特制孔口吊架尺寸為7.19 m×4.3 m，內(nèi)部設(shè)置自由伸縮的4根箱形鋼材，當(dāng)伸出4根箱形鋼材時(shí)可用于支撐吊放于孔中的鋼筋籠，當(dāng)縮回4根箱形鋼材可用于下放鋼筋籠，如圖7所示。為確保孔口吊架有足夠安全性，拼裝過程不出現(xiàn)較大的偏位，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果表明了結(jié)構(gòu)足夠安全。

（3）鋼筋籠定位控制。鋼筋籠下籠過程中，在兩正交方向上設(shè)置兩臺(tái)經(jīng)緯儀對(duì)鉆桿的垂直度進(jìn)行觀察，確保鋼筋籠主筋與經(jīng)緯儀十字絲中的豎向絲重合，嚴(yán)格控制中心偏位≤5 cm。確保位置準(zhǔn)確后，安裝好孔口吊架上部構(gòu)件并與護(hù)筒口孔口吊架固定，防止灌注混凝土?xí)r鋼筋籠偏移、上浮。此外，在下放鋼筋籠過程中，沿著鋼筋籠長度方向每間隔一定距離焊接定位槽鋼作為限位及防扭轉(zhuǎn)裝置，為防止型鋼穿入孔壁，兩端焊接法蘭，增大接觸面積。

為避免后續(xù)二期槽銑槽施工過程中銑到大直徑樁的鋼筋籠，通過在鋼筋籠兩側(cè)空位處綁扎波紋管（每間隔凈間距1.5 m，布置長2 m波紋管，波紋管可填充異形鋼筋籠于圓孔的空隙，有效防止異形鋼筋籠晃動(dòng)）。鋼筋籠安裝就位后，通過安裝隔離套箱，隔離套箱的形狀尺寸等如圖8所示，隔離套箱需上下開孔，防止下放過程中浮力過大而無法下沉。隔離套箱長7.6 m，主要用于后續(xù)二期槽施工。因?yàn)槎诓坶_孔過程中銑槽機(jī)位置不穩(wěn)、易晃動(dòng)，通過隔離套箱拔出來預(yù)留的孔，可實(shí)現(xiàn)后續(xù)銑槽機(jī)無晃動(dòng)、快速施工。

為進(jìn)一步確保鋼筋籠安裝垂直度，采用將測(cè)斜儀沿著檢樁聲測(cè)管下放至孔底，復(fù)測(cè)鋼筋籠垂直度，不滿足要求時(shí)，提籠調(diào)整，直到滿足要求為止。

2.4 大直徑樁混凝土灌注

大直徑樁基樁徑為3.5 m，最大樁長為43.3 m，灌注方量達(dá)400多m3，混凝土灌注方量大，水下混凝土澆筑時(shí)間長，作業(yè)連續(xù)，澆筑速度快，拆除導(dǎo)管速度快。混凝土通過確定的配合比在拌和站集中拌和，保證混凝土最優(yōu)的粘聚性與和易性。大直徑樁采用導(dǎo)管法灌注樁基混凝土，導(dǎo)管采用無縫鋼管，接頭形式為絲扣式，直徑＞377 mm，導(dǎo)管進(jìn)場后需經(jīng)過水密承壓及接頭抗拉試驗(yàn)并達(dá)到要求后才能使用。

澆筑采用特制12 m3大料斗澆筑混凝土，在保證料斗內(nèi)混凝土充足的同時(shí)還有至少一臺(tái)混凝土罐車等候澆筑。每車混凝土澆筑完成后要采用重量4 kg測(cè)錘經(jīng)常量測(cè)孔內(nèi)混凝土面的上升高度，導(dǎo)管到達(dá)一定埋深后，逐級(jí)快速拆卸導(dǎo)管。灌注完混凝土后，每間隔30 min上下抖動(dòng)20～30 cm，直到3 h后整體拔出隔離套箱。

3 結(jié)語

本文以某一跨海懸索橋半島半海圓-矩咬合樁基礎(chǔ)支護(hù)結(jié)構(gòu)為工程依托，針對(duì)大直徑樁基成孔工藝選擇、大直徑樁旋挖鉆成孔方式、鋼筋籠加工關(guān)鍵技術(shù)、鋼筋籠安裝關(guān)鍵技術(shù)、混凝土灌注關(guān)鍵技術(shù)等方面開展研究和分析，研發(fā)了成套施工工藝：

（1）針對(duì)半島半海圓-矩咬合樁基礎(chǔ)支護(hù)成孔施工難題，筑島區(qū)域采用沖擊鉆施工，減少對(duì)土體擾動(dòng)，提高施工安全性；靠山區(qū)域采用旋挖鉆分級(jí)成孔施工工藝，有效提高了施工效率。

（2）針對(duì)異形鋼筋籠加工難題，研發(fā)了異形箍筋加工系統(tǒng)、靈活式扁平胎架等裝置，實(shí)現(xiàn)異形鋼筋籠加工自動(dòng)化、智能化。

（3）針對(duì)鋼筋籠定位和垂直度控制難、灌注過程中易扭轉(zhuǎn)的問題，通過兩正交經(jīng)緯儀進(jìn)行吊運(yùn)過程中垂直度控制、波紋管和隔離套箱進(jìn)行下放過程中垂直度控制，通過測(cè)斜儀和孔口吊架設(shè)施進(jìn)行鋼筋籠下放后的鋼筋籠控制措施，在全過程保證了鋼筋籠的安裝質(zhì)量。

目前，該橋錨碇52根圓-矩咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)已全部施工完成，通過測(cè)斜儀和在大直徑樁基主筋上預(yù)埋應(yīng)力傳感器監(jiān)控樁基變形和應(yīng)力情況，獲得的歷時(shí)5個(gè)多月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在樁基支護(hù)樁嵌固段，深層水平位移實(shí)測(cè)結(jié)果幾乎為0；在基坑開挖段，樁基位移均＜5 mm，樁基主筋應(yīng)力小于規(guī)范限值，且具有較大的安全富余，施工質(zhì)量良好。該工藝技術(shù)可供同類型橋梁施工借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

［1］羅光財(cái)，戴華良，曹 勇，等.復(fù)雜海相地質(zhì)條件下的咬合樁施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.建筑施工，2020，42（9）：1 606-1 609.

［2］姚志安.深中通道伶仃洋大橋筑島圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.世界橋梁，2020，48（2）：15-19.

收稿日期：2023-10-08

作者簡介：梁潤慶（1989—），工程師，研究方向：大跨徑橋梁施工。