嘉绍大桥直径3.8 m钻孔灌注桩试桩与施工的工效分析

2010-06-15曹宗勇伏首圣

城市道桥与防洪 2010年8期

曹宗勇，伏首圣

（1.嘉绍跨江大桥工程建设指挥部，浙江绍兴312000；2.中交公路规划设计院有限公司，北京市100088）

1 工程概况

嘉兴至绍兴跨江公路通道嘉绍大桥（以下简称“嘉绍大桥）是嘉兴至绍兴跨江公路通道跨越天然屏障钱塘江河口段的一座特大型桥梁，位于钱塘江喇叭入口与海湾交接部位，东为杭州湾，西为钱塘江，西南侧为曹娥江，是《国家高速公路网规划（草案）》中沈阳至海口高速公路常熟至台州并行线的组成部分和跨越钱塘江的关键性工程，是嘉荫至南平国家重点公路的重要组成部分。

嘉绍大桥采用双向八车道高速公路标准，总长10.137 km，投资63.5亿元。主航道桥采用70 m+200 m+5×428 m+200 m+70 m=2680 m独柱四索面六塔斜拉桥，钢箱梁连续长度居世界首位。南北岸水中区引桥采用70 m跨径等截面预应力混凝土连续刚构桥，下部结构采用单桩独柱的结构形式，桩基础采用3.8 m大直径钻孔灌注桩，单桩最长桩长为111 m。如此超大直径超长钻孔桩在国内建桥史上尚属首例。

嘉绍大桥于2008年12月14日正式开工建设，预计2012年建成通车。

1.1 建设条件特点

根据桥位处自然条件，结合大桥功能和建设期安排，嘉绍大桥在建设条件具有以下工程特点：

（1）河床宽浅、潮强流急、涌潮汹涌、河床变化剧烈，特别是受风浪和涌潮影响导致水域有效作业时间极为有限。根据气象条件，年均可能作业时间约280 d，但结合水域河床断面、水文条件，桥位区可作业时间仅为120 d左右。

（2）中、下部工程地质条件较好，有较好的持力层，但20 m以浅亚砂土易发生潜蚀和液化作用，河床底质起动流速低，承载力和稳定性差，冲刷严重，主航道桥索塔处最大冲深可达-37 m。

（3）两岸滩涂发育，低潮位时两岸滩涂较宽，且河床变化幅度大，深槽摆幅达到2.3 km左右，施工作业条件受到极大的限制，水中区桥梁下部结构需依托栈桥施工。

（4）涌潮作用力大，涌潮产生的水动力对桥墩建筑物的作用主要集中在低水位以上1倍涌潮高度范围内，最大涌潮压力可达7.5 t/m2。

（4）桥长达10 km以上，技术标准高，采用双向八车道标准，水上作业受涌潮和河势影响，施工方案和施工组织是本项目顺利实施的关键。

（5）水上工程规模浩大，水域桥梁长度达9 km，受海洋性环境影响，结构容易受到腐蚀。

1.23.8 m大直径桩结构优点和施工难点

根据建设条件特点，嘉绍大桥南、北岸水中区引桥下部结构采用了单桩独柱的结构形式，桩基础采用直径3.8 m的大直径钻孔灌注桩，单桩最长桩长111 m，为超大直径超长桩。结构形式具有以下优点：

（1）单桩独柱结构，无承台施工工序，有效的降低了施工风险，施工工期较易保证。

（2）结构受力合理、安全可靠。

（3）墩柱结构尺寸小，阻水面积小，对建设条件适应性好。

（4）结构新颖、美观，经济性好。

桩基础采用3.8 m大直径钻孔灌注桩，具有以下施工难点：

（1）桩径大、施工长度长，对钻孔设备要求较高，施工难度大。如此规模桩基础，为国内首次采用，无成熟施工经验可供参考。

（2）桩基钢护筒、钢筋笼直径及总重量大，其插打、安装困难，对起吊设备要求高。

（3）单桩混凝土方量达1300 m3，对混凝土生产、运输及施工速度要求高。

（4）每个桩位都是不可替代的，施工过程中一旦发生钻孔事故，对工程质量及工期影响巨大。故对钻孔施工工艺及施工组织提出了高要求。

2 工艺试桩

根据初步设计审查会专家组意见，针对3.8 m大直径桩结构特点和施工难点，2008年8月，委托大桥设计单位开展3.8 m大直径钻孔灌注桩工艺试桩专题研究工作。

（1）工艺试桩的目的及意义

工艺试桩的目的是通过在桥址处特定的水文和工程地质条件，研究大直径超长桩的关键施工设备、关键施工组织和关键技术参数，以得出可行的施工工艺；通过工艺试桩确定单桩极限承载力、获得各土层及桩端持力层有关参数、测定桩基沉降和变形、验证桩端后注浆效果，为确定3.8 m直径桩基础桩基相关设计参数提供依据。

工艺试桩专题研究成果对于确定桩基施工工艺、进行施工组织设计及主要施工设备选择具有重要指导意义，对嘉绍大桥工程顺利实施具有重大的现实意义。

（2）钻机选型

钻机为钻孔桩施工中最为重要的施工设备，试桩施工开始前，专题承担单位对国内外钻机设备进行调研。通过调研，认为目前国内能够用于3.8 m大直径钻孔灌注桩施工的钻机有：德国宝峨WIRTH GmbH PBA 821/3000/300型钻机、KTY4000型液压动力头钻机、嘉力臣RC-400H型动力头钻机、ZDZ4500型动力头钻机、ZJD4000型液压动力头钻机、ZSD-4000型动力头钻机、GYD6000型动力头钻机等。

鉴于KTY4000型钻机为国产设备，目前现有台数较多，生产周期短，采用其作为试桩施工钻机更符合工艺试桩的目的和意义。最终选用KTY4000型液压动力头钻机进行试桩钻孔施工。KTY4000型钻机各项性能指标见表1。

（3）工艺试桩过程概述

工艺试桩现场施工工作于2008年9月1日正式开始，9月1日～9月12日完成钻孔平台施工，用时12 d。钻孔施工于10月1日开始，于11月20日结束，扣除期间10月6日～10月19日对钢护筒的二次施沉，共用时36 d。钢筋笼加工于10月1日开始，至10月31日完成，历时31 d。钢筋笼下放施工于11月22日开始，至11月24日下放完毕。共用时2.5 d。混凝土灌注施工于11月26日下午开始，至11月27日凌晨结束，共用时14小时20分。试桩成桩质量检验工作于12月14日进行。检验结果表明试桩桩身完整性较好，混凝土匀质性较好，为Ⅰ类桩。12月19日～12月21日进行首次静载试验（桩端注浆前）。12月23日下午进行了桩端后注浆施工，用时5 h。2009年1月14日～18日，进行了第二次静载试验（桩端注浆后）。两次静载试验结果表明单桩极限承载力满足设计要求。2009年3月20日《嘉绍大桥3.8m大直径钻孔灌注桩工艺试桩成果报告》通过专家评审。

表1 KTY4000液压动力头钻机技术性能表

（4）工艺试桩成果

工艺试桩结果表明，本次试桩所选用关键机械设备适用，主要工艺、工序合理可行，试桩中所取得的各种经验和各项关键技术参数有助于大桥参建单位确定桩基施工工艺、进行施工组织设计及主要施工设备选择，对建设单位在招投标中关键机械设备和相关工期要求具有重要指导意义。

（5）工艺试桩工效分析

嘉绍大桥建设中，全桥工期的控制点为北岸水中区引桥，而3.8 m大直径钻孔桩是水中区引桥施工的主要难点。水中区引桥桩基础施工的控制施工资源为大功率钻机。

考虑到3.8 m大直径钻孔桩施工时，施工平台搭设、钢护筒施沉、钢筋笼下放及混凝土灌注等施工工序均可交替进行，故施工钻机的投入数量及钻机单桩工作时间是控制水中区引桥工期的关键因素，亦是大桥总体工期控制的一个重要因素。

试桩施工钻孔时间统计见表2。

由表2数据可以看出，试桩纯钻孔时间为517.4 h，约21.5 d。考虑到实际施工时钻孔工艺将逐渐成熟，以及北岸桩基未入岩，钻孔施工相对容易等因素，实际施工时，纯钻孔时间应可在20 d内。

表2 试桩钻孔施工时间统计表

表2中其它时间为337.3 h，约14 d，其中因反复换钻头而提钻用时约9.5 d，设备故障耗时4.5 d。

按正常施工时钻孔工艺基本稳定，施工设备保障良好的状态考虑，对钻机单桩平均工作时间进行预估，内容详见表3。

表3 实际施工钻机单桩工作时间预估

表3结果表明，钻机单桩平均工作时间为一个月。根据嘉绍大桥实际建设条件，按全年桩基础可施工工期为8个月（依托栈桥施工）考虑，全桥150根3.8 m大直径桩，共需投入10台钻机，则桩基础施工可在2 a内完成。大桥总体工期可以保证。

3 招投标关键设备及工期要求

（1）招投标概况

嘉绍大桥所有土建标段均采用公开招投标形式确定施工单位。150根3.8 m大直径钻孔桩施工分别包含在嘉绍大桥第Ⅱ和第Ⅴ土建标中，其中，第Ⅱ合同段中有3.8 m大直径钻孔桩20根，第Ⅴ合同段中有3.8 m大直径钻孔桩130根。

嘉绍大桥第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ五个土建标于2009年2月11日在浙江省招标投标交易中心同批发售招标文件，并于3月11日开标确定施工单位。

（2）关键设备要求

通过前期的工艺试桩，3.8 m大直径钻孔桩施工的关键设备——钻机为保证工程质量和工程如期完成的关键，因此，在招标文件中对施工单位投入钻机的关键性能参数和数量做出了明确要求。第Ⅱ合同段要求投入钻机扭矩不小于300 kN·m，数量不少于2台；第Ⅴ合同段要求投入钻机扭矩不小于300 kN·m，数量不少于12台。

（3）工期要求

按照嘉绍大桥总体工期安排及通过工艺试桩的工效分析，招标文件对嘉绍大桥第Ⅱ和第Ⅴ土建标分别做出了30个月（含上部结构）和21个月的总工期要求。