1 工程概况
1．1 工程概况
鼓屿门水道桥主航道Z01#墩至CX23#墩区域，起止里程为：DK65+355.55～DK67+465.75，全长2.1105km，桥梁孔跨布置依次(129.1+154+364+154+129.2）m钢桁混合梁斜拉桥+ [(1孔88m）+(1孔80m）]简支钢桁梁(深水高墩区非通航孔桥）+17孔40.7m混凝土箱梁(陆地低墩区非通航孔桥）+(4孔80m）简支钢桁梁(深水高墩区非通航孔桥），共28孔。
其中Z01～Z06为鼓屿门水道桥主桥，Z03、Z04为主墩，主塔采用“H”型混凝土结构，主塔墩基础采用直径4.5m钻孔桩，承台均为圆端哑铃形的低桩承台，最大桩长73m；Z02、Z05为辅助墩，墩身采用门式空心墩，基础采用直径4.5m钻孔桩，承台均为矩形低桩承台；Z01、Z06为边墩，墩身采用门式空心墩，基础采用直径4.0m钻孔桩，承台均为矩形低桩承台。
鼓屿门水道桥Z03#主墩桩基布置图
1.2 地质情况
基岩：主要为花岗岩层和火山角砾岩层，全～强风化层整体上厚度不大，厚度多为5～20m，最厚处达50m以上；弱～微风化岩面起伏大，高程相差较大，海域弱微风化岩岩面可低至-90m以下；弱风化岩厚度多为1～8m，较厚处可达15m以上。基岩强度一般90～120MPa，高达200MPa。
1．3 水文条件
桥址处浪高（100年一遇最大浪高达9.69m）、水深（水深达45m）、潮汐明显（最大潮差达7.09m）、流速大（最大流速达3.09m/s）。
1．4 气象条件
工程区域为典型的海洋性季风气候，风向季节性变化明显，大风日数主要集中在10月～次年3月，占全年的50％左右。
1．5 工程特点
（1）风大、风期长。桥区受每年5月～9月台风期、10月～次年3月季风期影响，施工过程中的防风问题突出。
（2）水深。通航孔桥位于航道两侧，各墩位水深较大，墩位水深在20m以上，部分墩位水深达到45m左右，基础施工难度大。
（3）岩面倾斜、裸露，浅无覆盖层。大部分墩位处于海床无覆盖层或仅有浅薄的覆盖层，同一墩位处岩面起伏大，弱、微风化花岗岩面顶面最大高差达27m，钢护筒插打、钻孔桩成孔难度大。
（4）波浪力大、潮汐明显。潮汐明显、潮差大；施工结构所受波浪力是内河的10倍以上；施工船舶受波浪影响大；施工有效窗口时间短，工效低，安全风险大。
（5）钻孔桩工程量大。钻孔桩直径4.5m，钢护筒规格最大达4.9×70m，吊装重量达310t，单桩钢筋笼重达259.6t，单桩一次混凝土灌注量达1526m³，工程量大。
2 施工技术
2．1 工艺流程
钻孔灌注桩主要工艺流程：施工准备、平台搭设、钢护筒插打、钻孔（含检孔）、清孔、钢筋笼施工（制造、运输、下放）、混凝土灌注。
2．2平台搭设
施工平台分为打入桩平台和导管架平台两类，主墩平台平面尺寸114×75.4m，面积达8600㎡。按照功能区分为钻孔区、材料堆放区、设备走行区、机具堆放区和办公区等。主墩平台上部结构钻孔区采用整体式平台桁架+钢桥面板方案，辅助平台采用贝雷梁+混凝土桥面板方案。
Z04#墩打入桩平台方案：此种方案要求在浪、涌作用下，支撑桩能自稳，对达不到桩端锚固计算要求的钢管桩，采取施工锚桩的措施。
采用打桩船直接插打平台支撑桩，考虑高潮位和波浪的影响，平台顶标高设为+11.27m，钢管桩打入深度根据覆盖层厚度、岩层分布及水深特点确定。
Z03#墩导管架平台方案：此类平台水深较深，岩层裸露且不能满足单桩入岩锚固条件。
导管架在陆地整体拼装成结构件，在陆地整体拼装成结构件后，通过2000t浮吊整体运输到墩位初步定位，然后浮吊吊装下放到海床面，插打角支撑钢管桩，精确定位导管架，然后插打其他支撑钢管桩，形成平台结构。单榀导管架最大吊重1370t，高度47m。
2.3 护筒埋设
2.3.1 护筒埋设特点
本桥φ4.5m钻孔桩分别采用的φ4900×36mm钢护筒，单桩护筒最大重量310t左右，最大长度达70m。考虑海洋环境风大、浪高、水深、流急和潮位变化大的影响，护筒安装具备以下特点：
（1）钢护筒在工厂一次性加工制造成型，现场不接长，保证制造质量，满足深水区护筒一次着床；
（2）护筒吊装采用两条浮吊抬吊竖立，防止长护筒吊装弯曲变形；
（3）在护筒上下端各4.5m长范围壁厚加厚到50mm，防止卷口变形；
（4）设置多层导向，克服波流影响，保证护筒垂直度；在倾斜的岩面和风化孤石层中一次难以将护筒下沉到稳定地层。
2.3.2 下沉设备
结合桥址处复杂地质条件、护筒强度刚度等因素，选择IHC-S800液压冲击锤插打钢护筒，控制锤击能量不大于550KJ，钢护筒的应力最大为147.9Mpa。对于浅薄覆盖层区域先用APE400液压振动锤将护筒插打稳定，再用IHC-S800液压冲击锤复打进入岩层。
2.3.3 钢护筒导向设置
钢护筒采用一次性吊装定位，其筒体尺寸大，入水后阻水面大，受到的水流及波浪力大，容易造成偏位，为确保浮吊吊装钢护筒精确定位，在平台上设置多层导向装置，导向架间距大于8m。
导向装置分为导向轮、定位箱、止推箱三部分，与施工平台焊接成整体。
护筒导向装置图
2．4钻孔设备配备
海峡环境施工条件，受水深、流急、浪高影响较大，φ4.5m钻孔桩直径大，断面面积达15.9m2，必须选择合适大扭矩钻机及配套设备。
KTY5000型液压动力头旋转钻机，为新研制首次使用的大扭矩动力头旋转钻机，该设备动力大，自动化程度高，通过现场工艺试桩选择钻孔参数，适用于本桥址恶劣海洋环境环境下深孔、大直径φ4.5m桩嵌钻进施工。
2.4.1 钻具组成
钻具由钻杆、配重、稳定器、钻头等组成。根据本桥基岩为花岗岩层和火山角砾岩层的地质特点，按照基岩风化程度、强度高低的区别，采用组合式锅底型滚刀钻头，配备楔齿和球齿两种破岩刀体。
2.4.2 空气压缩机
KTY钻机采用气举反循环进行排渣，通过公式Q=（2～2.4）×D2V（Q为送风量，D为排渣管内径，v为排渣管内混合流体上返速度）计算得出送风量约为21m³/min，每台KTY钻机均配备1台23m³/min、压强1.0Mpa空气压缩机。
2.4.3 泥浆分离器
大直径桩钻孔桩施工过程中将产生大量的泥浆和钻渣，须配备泥浆处理设备，综合考虑设备处理泥浆能力、经济性，每2台钻机配备1台ZX-250型泥浆分离器。该设备泥浆净化能力250m3/h，分筛粒度≤74μm，可将钻碴从泥浆中分离，处理后的泥浆可循环回入孔内重复使用。
2．5 钻孔施工
2.5.1 泥浆制备
海洋环境钻孔桩施工，淡水运输、储存困难，且需求量大，淡水泥浆成本高，不利于施工成本控制，因此大桥桩基施工采用PHP高性能海水泥浆，主要造浆材料为膨润土、纯碱（Na2CO3）、纤维素（PAC）、聚丙烯酰胺 PHP的水解产物（PAM）及海水。泥浆配合比，海水：膨润土：Na2CO3：PAM：PAC=1：0.13：0.005：0.002：0.001。
2.5.2 钻进成孔
由于Z03#墩岩层裸露、倾斜、裂隙极其发育，岩层软硬不一，采用一次成孔工艺极易倾斜，故该墩部分桩位采用二次成孔工艺，即首先采用φ3.0m平底钻头钻进至设计标高，作为二次钻孔的导向，再采用φ4.5m滚刀钻头扩孔至设计标高。
Z04#墩地质情况相对Z03#墩较好，有部分覆盖层，因此采用φ4.5m钻头一次钻孔至设计位置。
钻进过程中注意事项如下：
（1）转速控制：3～6转/min，根据岩层不同选择；
（2）钻压控制：采取减压钻进，取钻头及钻杆在泥浆中总重量80%
（3）扭矩控制：根据岩层坚硬程度选择40～220KN.m
（4）泥浆高程控制：始终超出潮位标高2～4m；
（5）钻具控制：任何原因停钻，钻具均提高至护筒内；
（6）进尺控制：护筒底口3m左右进尺控制3～8cm/h；护筒外进尺控制在3～4cm/h。
2．6 钢筋笼制安
2.6.1 钢筋笼概况
大直径桩基主筋均采用HRB400直径40mm钢筋，箍筋采用HRB400直径16mm钢筋，最大单桩钢筋笼总重量为259.6t。上部（护筒内）为208根双层两根一束布置，下层为104根单层两根一束钢筋布置。外层主筋圈径达4.5m，内层主筋圈径达4.1m。
2.6.2 钢筋笼制造
钢筋笼采用长线法台座在车间制造。主筋接长用直螺纹套筒连接，每个接头均配置锁母。钢筋笼标准节长度为12m，制造完成的钢筋笼按安装顺序分节、分类编号，两根定位的主筋须做明显标志，防止钢筋笼在桩位安装时对接错位。为确保钢筋笼支承处结构受力，每节钢筋笼悬挂支承处和吊点处用钢结构进行补强。
2.6.3 钢筋笼运输
钢筋笼节段在车间制作完成后，在转运至现场的过程中为了防止钢筋笼起吊过程中自重引起的变形，需用专用水平吊具、平板车转运至施工平台。
2.6.4 钢筋笼安装
钢筋笼的竖立采用专用吊具配合起吊设备主、副双钩起吊，主钩吊钢筋笼上端吊具、副钩吊钢筋笼下端，将钢筋笼水平吊起后，主钩起、副钩落，使钢筋笼逐步竖立。
钢筋笼接长时，用“悬挂环支承结构” 支承、定位孔内已接长的钢筋笼，安全快捷的实现钢筋笼的对接工作。
2．7 混凝土灌注
本桥大直径桩的断面面积达16.2m2，单根桩混凝土量高达1500m3，对混凝土的工作性能及灌注方法均提出了新的要求。通过工艺试桩，采用内径φ406×10mm直升单导管法进行水下混凝土灌注的工艺及混凝土配合比满足规范要求，桩身混凝土质量达到Ⅰ类桩质量标准要求。
2.7.1 混凝土配合比
通过多次混凝土配合比的选择与试拌，选定的C45水下混凝土配合比为：
胶凝材料（水泥：粉煤灰：矿粉）：砂：石：减水剂：引气剂：水=1（1：0.6：0.4））：1.56：2.15：0.01：0.008：0.30。该混凝土和易性及工作性能良好。通过工程实践，混凝土在施工过程中，其主要工作性能：
（1）坍落度：200～220 mm；
（2）扩展度：600mm±50 mm；
（3）坍落度损失：3h为0mm；
（4）初凝时间不低于18h。
2.7.2 混凝土生产
大直径钻孔桩水下混凝土灌注量大，最大单次混凝土灌注量为1526m³，配备混凝土拌和站和混凝土工作船生产供应混凝土。拌和站生产能力为2×180m³/h，混凝土工作船生产能力为1×150m³/h，可以满足在混凝土初凝时间内完成单根桩混凝土灌注工作。
2.7.3 混凝土灌注
通过计算首批混凝土灌注量为：36.8m³，因此，配置30m³储料斗及8m³灌注斗各一个，满足大直径桩的灌注要求。
首批混凝土灌注完成后，混凝土灌注必须连续进行，直至设计桩顶标高以上1.0m，过程严格控制混凝土导管埋深满足3～6m要求。由于桩直径大，为防止混凝土顶面存在较大高差，造成导管埋深不明确，灌注过程中采取5点分别测量混凝土面高程。
混凝土灌注控制要点：
（1）首灌埋深控制：≥1.5m。
（2）导管埋深控制：3～6m。
（3）灌注总时长控制：≤18h（根据混凝土初凝时间确定）。
（4）测量控制：5点测量，相互校核。
3 总结
海上钻孔桩施工时，除以上介绍外尚需注意以下事项：
（1）钢护筒的稳定性
在桩基混凝土灌注过程中，特别是在混凝土初凝时，如果钢护筒在波浪力左右下产生较大的反复位移，会对桩基完整性产生影响。因此，建议如下施工措施：
①钢护筒插打足够深度；
②与钢护筒连接成整体的钢平台需有足够的稳定性，可采用施工锚桩的方式；
③如果条件允许，可从整个平台处受波浪力影响最小处的钻孔桩开始施工，待钻孔桩施工完毕后可由此桩作为整个平台的固定桩。
（2）混凝土灌注速度
由于海上灌注混凝土受天气及海况影响较大，因此尽量快速成孔，灌注混凝土，以吧保证桩基质量。
目前，国内海上如此大直径钻孔桩施工尚属首次，为以后海上钻孔桩施工提供了参数依据。
参考文献：
[1] 吴乾坤 《深海区小型钻孔平台设计与应用》世界桥梁，2010年
[2] 郑志光、赵发亮、徐建富 《浮式平台深水大直径钻孔桩施工关键技术》 世界桥梁，2010年
[3] 李廉锟 《结构力学》 高等教育出版社，2002年
[4] 叶见曙 《结构设计原理》 人民交通出版社，2003年
[5] 钢结构设计手册（GB17-88版）
论文作者:马天亮
论文发表刊物:《基层建设》2016年第33期
论文发表时间:2017/3/7
标签：混凝土论文; 钻孔论文; 钢筋论文; 泥浆论文; 直径论文; 平台论文; 岩层论文; 《基层建设》2016年第33期论文;