马来西亚槟城二桥超长PHC桩沉桩施工技术

张国祥，王奎元

（1.中国港湾工程有限公司，北京　100027；2.中交二航局二公司，重庆　400042）

马来西亚槟城二桥超长PHC桩沉桩施工技术

张国祥1，王奎元2

（1.中国港湾工程有限公司，北京100027；2.中交二航局二公司，重庆400042）

通过马来西亚槟城二桥复杂地质条件下超长PHC桩的沉桩施工实践，对PHC桩在复杂地质条件下的设备选型、施工方法和最终承载力复核进行了分析和探讨，对推广PHC桩在大型桥梁工程中应用具有参考价值。

槟城二桥；PHC桩；复杂地质；沉桩

1　工程概况

马来西亚槟城第二跨海大桥位于槟岛海峡南部水域，东接大陆BATU KAWAN地区，西接槟岛BATU MAUNG地区，线路总长约23 km，其中跨越Penang海峡的跨海大桥长约17.0 km。

槟城二桥主桥及引桥桥面以下工程由中国港湾以EPC方式总承包。槟城二桥主桥结构形式为双塔斜拉桥，引桥上部结构全部为预制节段箱梁结构，基础分别采用预应力高强混凝土管桩（PHC桩）、钢管桩、钻孔灌注桩等形式[1]。其中，PHC桩5 168根，桩径100 cm，壁厚14 cm，桩长53~67 m；77.7%为斜度1/6、1/7、1/8不等的斜桩，单桩设计最大承载力3 100～3 700 kN，极限承载力9 250 kN。

2　施工难点与特点

2.1地质条件复杂

拟建桥位由第四纪地层和花岗岩地层组成，基岩埋深相对较深。第四纪地层主要由淤泥、淤泥质黏土、砂性黏土、淤泥质细到粗砂等构成，且浅表地层含有海洋贝壳碎片，海域浅层为典型的海相沉积。

从地质勘察报告看，沿桥梁轴线方向下卧地质分层比较清晰，层顶标高平顺，局部区域有硬夹层，对沉桩施工不利。

2.2设计桩长超长

为满足马来西亚当地技术标准要求，槟城二桥PHC桩设计桩长平均58 m，最长67 m，因设计桩长超长，对沉桩设备选型、沉桩质量控制要求严格，增加了沉桩施工难度。

2.3锤击数偏多

因设计桩长较长及地质条件复杂，造成总锤击数偏高，平均锤击数2 300击，最高锤击数达5 000击，造成桩头破损率高，并有断桩出现。

3　设备选型

3.1打桩船的选取

打桩船主要根据现场水文条件、桩径、桩长及沉桩的经济性进行选取，槟城二桥大陆侧打桩船选用航工桩9进行沉桩施工，“航工桩9”打桩船主要性能参数见表1。

表1“航工桩9”打桩船参数表Table 1　Parameters of pile driving barge′Hanggongzhuang 9′

3.2打桩锤选取

打桩锤的选取应充分考虑桩型、桩重、沉桩深度、打桩区域的地质分布和桩尖各土层的标准贯入击数N值等因素，在掌握各种桩锤性能的基础上经分析比较后确定。锤击传递的有效能量是桩贯入的决定因素，因此，桩锤的有效能量大小是选锤必须考虑的问题[2]。

槟城二桥打桩锤初期采用“航工桩9”自带的D128柴油锤进行沉桩，共沉桩263根桩，其中实际桩尖标高超过2 m以上（与设计标高比较）的桩196根，占总数量的74.5%。通过高应变动力检测，D128柴油锤传递到桩身的锤击能量100 kJ左右，而设计要求沉桩有效锤击能量需达到145 kJ，能量偏低造成桩超高较多。使用D128柴油锤进行高应变动测（初打）结果见表2。

表2　D128柴油锤打桩动测结果Table 2　Piling dynamic test results of diesel hammer D128

通过后期复打测试，D128柴油锤沉桩承载力均满足设计要求。但是由于槟城二桥设计停锤标准采用贯入度及标高双重控制，柴油锤打桩时间过长会产生过热现象，使锤击力下降，有时甚至需要等待锤体冷却后再继续作业。由于锤击能量不足，造成桩超高较多，较设计标高平均超高3～4 m，说明D128柴油锤无法满足槟城二桥的打桩要求。

为满足设计及业主对锤击能量的要求，最终选用英国制造的BSP CGL370液压锤，锤体尺寸9 880 mm（高）×1 670 mm（宽）×2 030 mm（长），总重约50 t，其中锤芯重25 t，最大锤击能量370 kJ。该锤的特点是能量传递率高，锤芯落高较小的增加，会造成锤击能量和锤击力较大的增加，所以需对锤芯落高进行精确控制。经过实际施工验证，该液压锤施工功效及沉桩质量控制都比较理想。D128柴油锤与CGL370液压锤主要技术性能比较见表3。

更换液压锤后打桩高应变动测（初打）测试结果见表4。

表3　柴油锤D128与液压锤BSP CGL370主要技术性能比较Table 3　Main technical performance comparison of diesel hammer D128 and hydraulic hammer BSP CGL370

表4　CGL370液压锤打桩动测结果Table 4　Piling dynamic test results of hydraulic hammer CGL370

4　PHC桩沉桩施工要点

4.1沉桩定位

根据马来西亚当地桩基施工规范要求，沉桩完成后平面位置偏差不超过75 mm，管桩定位是关键。槟城二桥沉桩施工采用GPS定位系统，根据预先输入的单桩平面扭角、平面坐标，利用定位系统显示的图形和数据调整船位，使桩到达设计位置。

4.2桩锤落高控制

沉桩施工的关键控制点是桩锤落高的控制，桩锤落高控制不当，可能会造成桩顶破损、断桩或超高桩等质量问题。液压锤的落高与锤的传递能量及锤击力成正比，若落高过高，则锤击力较大，特别是刚开始锤击阶段，将会造成桩贯入度过大，桩身下降过快，此时通过PDA测试，桩身将会产生较大的拉应力，容易造成桩身断裂。若锤击沉桩过程中，桩尖进入较硬的地层，贯入度变小，仍采用过高的落高，则会造成桩头破损。若锤击沉桩过程中，遇到地质较硬的土层，若桩锤落高较低，则沉桩贯入度过小，往往会造成锤击数偏多，同样容易引起桩顶破损，或者桩顶无法达到设计标高，形成超高桩[3]。

为避免因桩锤落高控制不当引起上述的质量问题，在液压锤正式使用前，在P183墩位上委托测试单位进行了相关项目的PDA测试，从测试结果看，当桩锤在不同的落高（480 mm、580 mm、650 mm、700 mm、800 mm）、不同的贯入度下锤的平均能量传递效率为85%~88%，其中当锤落高650 mm时平均传递能量达140 kJ，锤击力11 701 kN，满足PHC桩沉桩施工控制要求。通过PDA测试，对CGL370液压锤落高与传递能量、落高与传递能量效率进行校正，具体校正见图1、图2。

此后工程桩沉桩结果表明，在超高≤2 m时按锤落高650 mm、贯入度<8 mm的停锤标准进行沉桩控制是可以满足工程要求的。

图1　CGL370液压锤落高与传递能量校正图Fig.1　Correction of drop height and transferred energy of hydraulic hammer CGL370

图2　CGL370落高与传递能量效率图Fig.2　Efficiency of drop height and transferred energy of hydraulic hammer CGL370

4.3替打设计

根据槟城二桥PHC桩的施工特点，替打设计上端为圆筒型与桩锤联结，最初圆筒内放置钢丝绳锤垫，具体结构为交错放置3层直径20~30 mm的钢丝绳。3层钢丝绳中间用2块钢板分隔，上部为1厚板。经过一段时间、一定数量的PHC桩沉桩施工，结合工程现场地质、水文等相关施工条件，施工方对桩垫进行调整，将原钢丝绳换成相同高度的钢板，目的是降低偏心锤击的程度，提高液压锤能量发挥的稳定性。通过替打的调整，大大降低了桩头破损率，最终槟城二桥PHC桩桩头破损率控制在2%以内[4]。

4.4停锤标准

槟城二桥PHC桩停锤标准采用桩顶标高与贯入度双重标准进行控制，根据前期试桩及液压锤沉桩施工经验制定如表5。

表5　停锤标准Table 5　Standard of stopped hammer

5　主要问题及处理措施

5.1桩头破损

槟城二桥PHC桩共5 168根，发生桩头破损共计115根，桩头破损率为2.2%，发生桩头破损主要原因:1）偏心锤击，过大的偏心锤击可能使桩顶局部区域压应力过大，长时间的锤击容易出现桩头破损或纵向裂缝；2）地质资料复杂及桩基设计偏长，沉桩锤击数较多，锤击时间过长，造成桩头混凝土产生疲劳，容易引起桩头破损；3）根据前期沉桩发现，管桩质量基本满足使用要求，但存在质量不稳定现象，部分桩存在一定缺陷，也容易引起桩头破损。

发生桩头破损后，若此时贯入度较大、桩顶标高超过设计标高较多，进行桩头修补，待桩顶达到一定强度后继续进行沉桩，直至满足设计要求。若发生桩头破损时，沉桩贯入度较小或桩顶基本达到设计标高，则停止锤击，进行PDA检测，检测合格则停止沉桩，若检测未能满足设计要求，则上报咨工后续处理方案。

5.2断桩

槟城二桥PHC桩共发生6根断桩事故。发生断桩的主要原因:1）桩身质量缺欠，桩身存在较严重的质量问题，如桩管内壁浮浆过厚、内壁露石、壁厚不均、桩接头位置空隙过大等；2）施工不合理，沉桩过程中偏心锤击、落锤高度控制不合理等。

发生断桩后采用“断一补二”的措施，以保证整个墩台的受力满足设计要求。

6　结语

马来西亚槟城二桥PHC桩施工，地处海洋环境，施工环境复杂，不可预见因素多，特别是受地质和潮水影响较大。在施工过程中，尽力克服外界不利因素的影响，结合工程的实际情况不断优化施工工艺，从而保证了桩基的施工质量。

[1]中国港湾工程有限公司.马来西亚槟城第二跨海大桥工程施工组织设计[R].2008. China Harbour Engineering Co.,Ltd.Construction organization design of Malaysia Second Penang Bridge project[R].2008.

[2]徐维钧.桩基施工手册[M].北京:人民交通出版社，2007. XU Wei-jun.Pile foundation construction manual[M].Beijing: China Communications Press,2007.

[3]刘亚东，史炳峰，李佳圣，等.复杂地质条件下高承载力PHC桩沉桩工艺[J].水运工程，2012（9）:182-185，193. LIU Ya-dong,SHI Bing-feng,LI Jia-sheng,et al.On piling technology for high-capacity PHC pile upon complicated ground condition[J].Port&Waterway Engineering,2012(9):182-185,193.

[4]杨挺杰，章涛.复杂地质条件下大直径PHC管桩异常桩率的控制[J].福建建筑，2013（2）:100-102. YANG Ting-jie,ZHANG Tao.Abnormal pile rate control of largediameter PHC piles upon complicated ground condition[J].Fujian Architecture&Construction,2013(2):100-102.

Construction technology of supper-long PHC pile for Malaysia Second Penang Bridge

ZHANG Guo-xiang1,WANG Kui-yuan2
（1.China Harbour Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100027,China; 2.No.2 Eng.Co.,Ltd.of CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 400042,China）

Based on the supper-long PHC piles construction under complicated geological conditions of Malaysia Second Penang Bridge project,we analyzed and discussed the equipment selection,construction method and finial bearing capacity of PHC pile under complicated geological conditions,which has a reference value to promote the PHC piles applied in large bridge projects.

Second Penang Bridge;PHC pile;complicated geological condition;piling

U655.4；U445.4

B

2095-7874（2016）02-0061-04

10.7640/zggwjs201602015

2015-09-07

张国祥（1982— ），男，山东省菏泽市人，工程师，水利水电工程专业。E-mail:cgxc370@163.com