马来西亚槟城二桥勘察新技术应用

2020-11-25李孝杰胡建平

中国港湾建设 2020年11期

李孝杰，胡建平

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

1 工程概况

马来西亚槟城二桥是连接马来西亚槟城（岛）Bayan Lepas南端和马来西亚西侧大陆Hujung Bukit的第2座跨海大桥，是马来西亚“第九大马计划”之首要工程，也是东南亚地区最长的跨海大桥。主桥采用三跨双塔H形斜拉桥结构，桥面宽28.8 m，双向四车道加双向摩托车道，设计时速80 km/h，桥梁结构设计寿命为120 a，总投资额约14.5亿美元。

工程具有勘察线路长、工作量大、任务重、水深条件不利、工程地质复杂、原位测试类型多等特点，许多技术问题亟待解决。

从2007年7月—2010年6月，先后进行了难度高、地形复杂的跨海段约17 km海域勘察，工程中大量采用自主研发的海上船载式勘探平台、海上钻探取样新工艺、海上原位测试及中外岩土数据转换技术，充分展示了“中国勘察”高质量、低成本的技术优势。

2 场地工程条件

2.1 勘察线路长、勘探项目众多

槟城二桥总长度约24 km，其中海域桥段总长约 17 km（图 1），勘察分 3个阶段进行。2007年第1阶段，完成地质勘探孔205个，主桥区域孔深约120.0 m，其余桥段孔深一般为70.0～90.0 m，累计钻进入土16 497.7 m；2009年第2阶段，完成钻探孔和静力触探试验孔18个，入土1 684.9 m，并在钻孔内进行旁压试验；2010年第3阶段，完成主桥灌注桩桩底界面取芯检验孔32个；还需完成波速测试孔10个、十字板剪切试验孔14个等。要求采用马来西亚JKR标准，并参照英标[1]采用全芯取样，勘察质量要求极为严格。

图1 马来西亚槟城二桥位置图Fig.1 Map of Penang Bridge II in Malaysia

2.2 水深条件不利

靠近北海Batu Kawan区段为潮间带区域，落潮时滩涂裸露，涨潮时淹没，潮位差不足1.5 m，勘察作业受制于涨退潮时间以及船的吃水深度。若采用常规的搭建作业平台法，则存在反复搭、拆、迁的过程，耗时、耗力、效率低，并影响潮间带区域生态环境。需要一种新方法解决这个勘察区域路不能建、车不能到、船不能进的盲区。

2.3 地质条件复杂

勘察区域浅部为多层不同厚度和不同硬度欠固结的全新世冲积层。不同的土层呈现不同的颜色、密度，显示经历不同的沉积条件和历史。这些沉积层的厚度介于16～42 m。

根据土层不同的强度和颜色，分为上层土和下层土。上层土非常软，为浅～深灰色粉质黏土，局部含有腐烂的有机质和浅灰色松散的细到粗的砂透镜体。从泥面到-20 m，土的可塑性指标平均值约50%，含水量平均值约100%，平均密度约为1.4 g/cm3。下层土为冲积层，主要为粉质黏土，夹有松～中密的黏质砂土透镜体。在-20 m以下土壤的可塑性指标平均值约40%，含水量平均值约为50%，平均密度约为1.6 g/cm3。

由于勘察区域覆盖层以黏性土和砂土为主，且砂土的颗粒较粗，呈中粗砂状，混少量砾石颗粒，局部含砂质结核，给勘探中采用的泥浆护壁工艺造成了较大的影响，如果泥浆配比调配不好，孔壁在一定时间内易坍塌，导致土体扰动或原位测试数据不准确，同时增大了卡钻或埋钻的风险。

基岩风化层在不同区段性质不同，桥段大部分区域岩性为岩浆岩—花岗岩，而在靠近北海的Batu Kawan区段为沉积岩—页岩或变质岩—千枚岩，岩面起伏大。

2.4 原位测试类型多

根据设计意图及工程的重要性，本工程分别进行了标准贯入试验、十字板抗剪强度试验、波速试验、旁压试验和静力触探试验等多种海上原位测试项目。尤其是波速试验、旁压试验和带孔压测试的静力触探试验，其中波速试验深度达到入土120 m，旁压试验深度达到入土70 m，静力触探试验深度更是达到了入土80 m，这在以密实中粗砂土地层为主的海域勘探中实为罕见。

3 技术创新

由于勘察区域地况、地貌、风浪、潮流及潮间带涨落潮等影响，勘探时间受到限制，泥浆流失易造成海上环境污染，取样质量要求高，若采用类似海上石油开采或国外专用勘探设备，所需投入非常庞大，勘察费用昂贵，不利于海外市场的拓展。为此，采用一系列具有自主知识产权的勘察新技术：1）突破了船载平台5级海况的限制，使海上勘探作业时间延长30%以上；2）采用了海上取样新技术，获取Ⅰ～Ⅱ级土样，并将取样率提升至95%以上；3）提出了中外岩土分类标准数据转换方法，提供了1套符合中外规范的土工试验报告。

3.1 海上船载式勘探平台

3.1.1 平台模块化拼装设计

勘探平台采用模块化拼装设计，模块通用性广，便于集装箱装载和长距离运输。当地优选1艘自航式小平底船舶，船舷与艏艉线之间甲板上铺设模块组件，将模块中型钢、支架通过螺栓固定形成平台框架，部分悬臂于舷体一侧，铺设地板后形成勘探工作区。现场无需大型吊装设备，采用积木搭接法，拼装简便，整个安装1～2 d内即可完成，从而在现场快速形成1个海上船载式勘探平台[2]。

3.1.2 不间断钻进法

为了缩短海上勘探时间，提升作业效率，采用独创的三钻机混合钻进法[2]。船载平台上1台主钻机负责钻进，平台另侧2台辅助钻机交叉承担上下提引钻杆，这样可大幅缩短清孔与取样时间，减少了孔内浆液沉积，提升了取土质量。当出现卡钻故障时，集三钻机提引叠加的优势，快速排除故障，从而进一步降低了海上勘探作业的事故风险。

3.1.3 泥浆回收循环利用

泥浆循环装置由旁通接头、管道、双层过滤网、回收池、泥浆泵等组成[2]。泥浆泵从过滤池中吸入泥浆压入管道，管道中泥浆通过钻杆、钻头被不断地压入孔底，并和孔底被钻头磨碎的土颗粒融合，形成悬浮液，在泥浆泵不断压入泥浆下，将孔底的土颗粒持续地通过钻杆外侧沿孔壁和套管内上溢，浆液带至船体平台并流回泥浆池经双层过滤后得以循环使用，既节约了资源，又保护了水域自然、生态环境。

创新设计的船载式勘察平台[3]，具有以下优点：1）不受地域限制。目前已应用于“一带一路”沿线20多个国家。2）应用范围广。船载式平台可用于潮间带～近海水域勘探。3）勘探成本低于同类产品50%。

3.2 海上钻探取样新工艺

海上勘探取样易受风、浪、涌及钻杆与套管之间碰撞等因素影响，取样成功率低，难以获取Ⅰ或Ⅱ级土样，需采用新技术提升取样率和取土质量。

3.2.1 双管单动取土器

为了满足本工程英标[1]全芯原状取样要求，采用了自主研发的双管单动取芯取土器[4-5]。这种新颖取土器可用于黏性土、粉土和粉细砂，取芯取样1个钻进回次同时完成，并具有防止土芯、土样脱落的功能，能准确控制钻进进尺，岩芯采取率达到规范规定的要求，而且取土质量优于常规取土器，钻进效率高于目前常用的取样钻探工艺。其工作原理属于重管单动回转压入取土器，具有国内外回转压入取土器的一些基本结构外，其内管由容纳土芯的岩芯管和弹簧活门装置组成，弹簧活门装置由活门座、弹簧翻板和活络管靴组成。

3.2.2 封闭式软土取样器

针对超软土取样结构易扰动、取样率低，发明了一种超软土原状取样技术[6]。取样器由驱动缸、缸套、活塞等组成，采用独特的杆内压力传递设计，驱使翻盖自动封闭（图2），使超软土取样成功率提升至95%以上。

图2 封闭式软土取样器Fig.2 Closed sampler for soft soil

该取样技术可用于海床下不同深度超软土取样，为颗粒分析、泥沙沉降、淤泥流变特性试验提供样本。

3.3 海上原位测试技术

随着海上基础设计越来越重视原位测试SPT所提供的贯入击数（N），有关SPT落距的规定，中国GB 50021—2009《岩土工程勘察规范》中为（76±2）cm；英国BS1377-9：2007中为（76±3）cm。陆域作业时，现有的勘探设备及方法能够准确控制落距，但海域作业时，勘探设备固定在船载平台上，在波浪起伏的海况下，无法控制穿心锤的落距，使得标准贯入击数（N）失真。

为此研制了一种用于海上SPT落锤控制装置[7]，由钻杆、钢丝绳及穿心锤等组成。驱动装置安装在船体上，内含波浪检测模块和控制模块，波浪检测模块内设倾角传感器和陀螺仪传感器，倾角传感器测得船体倾斜角度，陀螺仪传感器测得船体角速度，实时传输给控制模块；控制模块根据波浪检测模块测得的数据，计算出船体下一时间段t内的波浪升沉变化量，并计算出波浪补偿量，使穿心锤获得标准落距。另外，设计中还含有用于测量钢丝绳的张力传感器，测量钻杆位置的测距传感器，以及液压泵、伺服阀、液压马达和卷扬机组成的驱动装置，见图3。

图3 海上SPT落锤控制原理图Fig.3 Control chart of SPT drop at sea

波浪检测和控制集成模块，可实时预测船体下一时间段升降变化量，实时驱动钢丝绳距离补偿，确保穿心锤标准落距与自由落体，从而准确获得海上SPT贯入击数（N）；采用自适应智能控制算法，实现液压传动无级变速，使陆域SPT依托本发明而延伸至海域，满足了本工程的需求。

3.4 软土测试与数据转换技术

为准确预测建成后大桥基础沉降趋势，需要准确获取土的次固结系数。为满足本工程规范标准，需完成中外标准之间土体分类数据转换。

3.4.1 室内次固结测试方法

大桥部分基础位于软土层上。软土具有压缩性高、孔隙比大、含水量高及承载力低等特性，易造成基础变形[8]。目前普遍认为，最能反映工后沉降的是次固结系数，但在GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》和行业规范中均未列入测试标准，造成无章可循，若参照固结试验标准，则存在试验周期、加载方式等差异，造成同一种土不同的试验室提交的次固结系数会不同，无法真实反映桥基沉降特性及趋势[9]。

为满足本工程需求，采用一种创新测试法：硬件采用传感器、数据传输线、采集器等构成多联全自动采集系统[10-11]。软件采用加荷算法控制，确保采集的试样高度变化与设定的时间同步，实时生成孔隙比与时间对数关系曲线；采用增点测读法，测得次固结曲线，反演推导出次固结系数。该方法在洋山深水港等多个海相工程中应用与验证[12]，本工程采用海上原状取样，室内采用分级加载、延时校正的快速测试法，得出整个大桥次固结系数与压力变化关系。大桥建成后的工后沉降观测结果与之基本一致。

3.4.2 中外岩土数据转换技术

针对中外岩土分类差异性，提出基于颗粒划分法、分类界限法的二叉树遍历与区域匹配算法，自动完成中外标准之间土体分类数据转换，从而打破了中外岩土分类差异所构成的障碍[13]。

转换原理：首先基于中外主流规范建模，编制软件实现智能转换。1）采用人机交互设计，集信息配置、导入接口、计算、转换、导出接口5大模块；2）采用颗粒划分法（图4）、分类界限法、二叉树遍历贪心算法，利用二叉树结构存放着的结点信息，通过指针赋值，实现结点之间遍历，软件智能完成中外标准之间土体分类数据转换[14]。