平潭海峡公铁两用大桥超大直径钻孔桩施工技术

杨碧波

摘 要：本文通过对平潭海峡公铁两用大桥鼓屿门水道桥Z04～Z05#墩直径4.5m～4.9m超大直径变截面钻孔桩施工技术的研究与实施，分析在复杂海峡气候环境下搭设水上钻孔平台、精确定位插打大型钢护筒、选择新型钻机成孔、钢筋笼安装定位及成桩过程中的各种困难和实施方案。根据超声波成桩检测结果，充分证明该技术运用是成功的。同时，根据现场施工经验总结也提出了一些注意事项，希望对今后同类型施工提供一些借鉴作用。

关键词：超大直径；海峡环境；大型钢护筒；新型钻机；钢筋笼定位

1 概述

平潭海峡公铁两用大桥起于长乐市松下镇，经人屿岛，跨越元洪航道和鼓屿门水道，再依次通过长屿岛和小练岛、跨越大小练岛水道抵达大练岛，大桥全长约11.15km。其中鼓屿门水道桥为桥跨布置（见图1）128+154+364+154+128m的钢桁混合梁斜拉桥。

Z04、Z05为鼓屿门水道桥主辅助墩。基础分别采用16根和8根直径4.5/4.9m变截面钻孔桩，C45水下混凝土，设计桩长从40～77m不等，桩顶标高均为-4m，实测海床标高从-27.0～-19.0m变化。桥位处地层从上至下依次为中砂覆盖层、碎块状强风化流纹岩、弱风化流纹岩。

2 作业条件

大桥位于恶劣的海峡环境，平台设计、设备选用、结构施工必须充分考虑环境影响。

2.1 潮位及流速

桥位处设计高潮位+4.18m， 设计低潮位-1.89m；潮型属于正规半日潮。10年一遇流速2.46m/s，基本与桥轴线垂直。潮位对成孔过程中水头控制影响较大。

2.2 气象

桥址工程区域百年重现期十分钟平均最大风速44.8m/s。大风日数主要集中在10 月～次年2 月。桥位处的极大风天数统计如表1。由此可见，复杂的气象条件不利于钢筋笼的吊装和对接。

2.3 波浪

桥址区平均海平面为+0.25m。10年一遇H5%（指累计频率为5%）波高为5.44m，周期为7.8s。波浪对浮吊的稳定性影响较大，不利于钻机安装和钢筋笼对接。

3 总体施工规划

海上超大直径钻孔桩按作业工序分为5个步骤：建立海上钻孔平台、大型钢护筒定位插打、桩基成孔施工、钢筋笼制作安装及混凝土灌注成桩。

首先，采用打桩船插打钢管桩，焊接连接系，架设桁架形成钻孔平台，并在平台上安装门式吊机作为钢筋笼对接下放和钻机移位的起重设备；其次，利用浮吊整体吊装大型钢护筒，通过双层导向装置安装定位，并采用S-800液压冲击锤冲击下沉；根据地质、桩径、深度选用KYY5000型动力头新型回旋钻机成孔；接着利用钢筋笼悬挂环和悬挂筒精确安装定位钢筋笼；最后利用单导管灌注水下混凝土成桩。

4 海上超大直徑钻孔桩施工

4.1 钻孔平台施工

钻孔平台是海上桩基施工各种设备及人员作业的承重结构和活动场所，必须具有足够的强度、刚度和稳定性。

4.1.1、结构设计

⑴平台底层连接系设计位置必须满足低潮位时水上安全焊接作业要求，。

⑵为克服风大、流急、浪高等恶劣的海峡气候环境影响，平台采用斜桩设计，抵御横向水平力，保证平台稳定性。

⑶平台上部结构采用贝雷梁和预制混凝土板，方便现场制安，提高作业工效。

⑷平台上设箱型轨道梁，安装一台200t门式吊机，满足重达125t钢筋笼的对接安装及钻机移位要求（见图2）。

⑸为增强钢结构在海洋环境下的抗腐蚀性能，钢结构表面均按规范进行防腐涂装。

4.1.2、平台施工

平台施工的关键是海上沉桩，由于管桩重量大，海上风大浪高流急，不可能采用传统的“钓鱼法”施工工艺，必须选择抗风浪强的船体和能量满足使用要求的打桩锤。

⑴、管桩采用海威951打桩船D128柴油冲击锤二档沉桩，首先打桩船绞锚衔桩，经GPS精确定位后，管桩通过抱桩器插入海床利用锤体压桩，最后进行沉桩作业。沉桩以贯入度控制为主，管桩的平面位置和倾斜度控制标准分别为±200mm和1.5%。个别偏差超标的管桩通过桩顶增设双层分配梁调节。

⑵、连接系、分配梁及桁架通过400t浮吊吊装焊接或安装，施工时，必须建立安全操作平台和通道。当稳定的小平台建立完成，后期的连接系等构件可以通过100t履带吊机吊装，减小浪涌对浮吊的影响。

4.2、护筒施工

4.2.1、结构设计

钢护筒是防止海水灌入孔内及避免不稳定地层垮塌的维护结构。

⑴设计长度必须满足护筒底端穿过松散地层进入稳定层1-2m，顶部与平台面齐平。

⑵钢护筒标准截面设计为φ4900×36mm，两端4m范围采用50mm的钢板增强刚度（详见：图3），满足吊装和插打要求。

⑶两端设计吊耳，方便护筒竖转起吊。内支撑与吊耳位置对应。

4.2.2、护筒吊装

⑴选择风力小于8级（桥位处几乎没有风力小于6级的时间），浪高小于2.5m时进行吊装作业，确保船体稳定和护筒能顺利插入平台导向。

⑵钢护筒最大长度约60m，272t。结合潮位、平台高度和吊具长度等因素选用1000t的大桥海宇号浮吊副钩满足吊重、吊高和吊距要求。钢丝绳、卸扣、吊具等必须按规范验算满足吊装要求。

⑶吊装采用双钩三点起吊。副钩在上，主钩在下，两钩同时起升一定高度后主钩落，副钩升，直至钢护筒竖立后，摘除主钩吊具，割除底部吊耳和内支撑。最后通过孔位处安装的双层护筒可调导向架将护筒插至海床精确定位。

4.3.3、护筒插打

护筒插打可以采用液压振动锤和液压冲击锤两种设备，但振动锤无法将护筒沉入岩内，现场综合考虑采用S-800液压冲击锤（详见图4）。能量控制在400～450KJ时，护筒贯入度小于5mm，结合地勘资料，护筒底部已穿过覆盖层进入碎块状强风化岩层约1m深度，满足施工要求。

4.3、成孔作业

直径4.5m/4.9m变径桩是世界上目前最大的桥梁桩，以往没有类似的成孔经验和设备可供参考和选择。复杂的地质情况和施工环境对成孔过程中确保孔径和倾斜度满足规范要求带来极大的挑战。

4.3.1、设备选型

施工选用KTY5000型动力头新型旋转钻机，最大扭矩450KN.M，适合直径3.5～5.0m桩基，最大钻孔深度达180m，配备楔齿和球齿两种钻头，满足现场施工需要。

4.3.2、钻进成孔

桥位处的地质根据地勘表明，从上至下依次为9～21m覆盖砂层，2～15m碎块状强风化流纹岩，下部为弱风化或微风化流纹岩。桩基按嵌岩桩设计，桩尖入弱风化岩长度不小于7m。

⑴根据桩位设计中心利用龙门吊拼装旋转钻机。

⑵护筒内配置海水泥浆，并根据潮位将水头控制在2m左右。

⑶覆盖层采用楔齿钻头，强风化和弱风化流纹岩采用球齿钻头低压钻进，钻压控制在40～50%左右。

⑷成孔清渣后测量孔深，并采用超声波检孔仪检测孔径和倾斜度。

4.3.3、问题处理

成孔过程中经常会遇到护筒卷边、涌砂漏浆，倾斜岩面等问题，施工过程中必须采取有效措施才能保证成孔质量。

⑴护筒下沉过程中遇孤石，由于端部受力不均造成底口卷边，现场应采用小钻头在卷边处钻进取渣，再由潜水员水下切割。

⑵护筒底口处经常出现漏浆涌砂，可以采取加大泥浆比重、在泥浆中加入锯末炉渣等方法堵漏。涌砂量大时可以采用桩周注浆加固地层等方法解决。

⑶碎块状强风化与弱风化岩交界处，由于岩面倾斜极易出现斜孔显现，施工时应先将软弱层清理完毕后水下灌注C50混凝土，待强度达到设计要求后重新钻进，以纠正其倾斜度。

⑷碎块状强风化遇水容易坍塌造成扩孔或塌孔，施工时保证水头，加大泥浆比重，且慎用钻杆稳定器，减少对孔壁的扰动。

4.4 钢筋笼安装

4.4.1、钢筋笼设计

钢筋笼按变截面设计（见图6），双层三根一束φ40主筋布置，最大重量125t。钢筋笼孔口对接和精确定位是施工重点和难点。

4.4.2、钢筋笼对接下放

⑴孔口处安装钢筋笼悬挂环，悬挂环中心与桩位中心重合。

⑵钢筋笼在胎具上长线法制作，运至现场后由200t门吊与履带吊机配合用“一”字型扁担吊具将首节钢筋笼起吊竖立，插入护筒内，同时伸出悬挂环卡板至钢筋笼顶部加劲环下，将其固定在孔口（见图7）。

⑶吊具转换。由于钢筋笼对接后重量加大，次節钢筋笼起吊后必须在其他孔口转换成多点受力的环形吊具（见图8）。⑷钢筋笼在孔口采用机械接头连接，绑扎箍筋，抽出卡板并依次割除内支撑下放钢筋笼。

⑸钢筋笼定位。末节钢筋笼连接完成后，根据平台标高和桩顶设计标高确定钢筋笼竖向定位钢筋长度，平面位置采用保护层垫块和水平定位钢筋定位。最后利用悬挂吊桶将钢筋笼固定在悬挂吊环上，完成钢筋笼安装。

4.5、成桩作业

4.5.1、成桩作业是影响桩基质量的关键工序，尤其是直径4.5m/4.9m超大直径变径桩，最大灌注方量达1400m3，必须提前做好各项灌注准备工作。

⑴、为增加混凝土的灌注速度，专门制作φ426×10mm的导管，灌注前进行水密试验。

⑵、检查泥浆指标和沉渣厚度是否满足规范要求，否则利用导管采用气举反循环二次清孔。

⑶、根据混凝土供应能力，配合比设计初凝时间不小于15小时。其他指标满足规范要求。

⑷、根据最大灌注孔深和孔内液面高度，首封混凝土不少于25m3，现场设计27m3+7m3大小储料斗配合。

4.5.2、混凝土采用陆上2×HZS120搅拌站和海天4号、海天号两艘搅拌船同时供应，每小时混凝土产量约120m3，确保12小时内灌注完成（详见图9）。灌注过程采用钢丝测绳沿桩周四点同步测量混凝土面标高，导管埋深控制在4-6m。设计桩顶超灌1m，保证桩身质量，灌注完成后立即人工清理至设计桩顶以上50cm，避免混凝土强度上升后，桩头难以处理。

4.6、注意事项

4.6.1、海上吊装必须在风力小于8级，浪高小于2.5m时作业。

4.6.2、钢管桩插打遇光板岩地质时，管桩内必须施工锚桩。

4.6.3、钢护筒插打时，冲击能量不宜大于450KJ，否则钢护筒底部容易卷边。

4.6.4、成孔过程中应结合地勘资料及时判定强风化与弱风化交界面是否有倾斜岩面，必要时可以提前灌注2m左右高标号混凝土重新钻进，否则容易出现斜孔现象。

4.6.5、混凝土供应能力必须满足要求，确保混凝土在初凝时间内灌注完成。

5 结语

通过对桩基的超声波无损检测，确定桩基质量完好，符合设计要求，证明平潭海峡公铁两用大桥直径4.5m/4.9m变径桩的施工工艺是满足施工要求的的，该方案的成功实施从此为跨海大桥的深水基础超大直径桩施工奠定了基础，也为桥梁建设事业的发展迈出了一小步。

参考文献

[1]《结构力学》作者：李廉锟 高等教育出版社 2002年9月

[2]《钢结构》作者：魏明钟 武汉工业大学出版社 2000年8月

[3]《平潭海峡公铁两用大桥-Z03、Z04号墩承台提高》 中铁大桥勘测设计院集团有限公司 2015年7月

[4]《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB 10424-2010 J 1155-2011）

[5]《KTY5000型动力头钻机设计文件》