海中大桥水中超长灌注桩施工质量控制要点分析

李会甫

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

1 工程概况

海口市如意岛项目跨海大桥全长约5874.877m，主桥设置一处通航孔(70m+80m+200m+80m+70m)风帆斜拉桥，其余跨径为50m和30m组合，采用预应力混凝土现浇箱梁结构。全桥共137个墩台(含3个桥台、2个主墩、2个主桥辅助墩、4个主桥连接墩)，137个承台，652根桩。

目前，水中灌注桩施工，多采用搭设钻孔平台施工，海口市如意岛项目跨海大桥桩基多为水中作业并且最大桩长达到了98m。由于潮汐水流的冲击，水上施工条件的限制，水中超长灌注桩作业施工质量如何保障，是本项目关键工序和重难点。

2 施工工艺

本工程施工工艺流程为：钻孔平台搭设→钢护筒埋设→钻孔施工→钢筋笼制作安装→水下混凝土灌注→后压浆(见图1)。

图1 水中灌注桩施工工艺流程

2.1 钻孔平台搭设

为了满足水中作业要求，必须先搭设钻孔平台。平台采用钢管桩基础，将钢管桩基础与永久钢护筒连接作为钻孔施工用平台基础，以提高稳定性[1]。上部结构以贝雷片作为主要构件焊接而成，钢管桩利用打桩船施工，配合全站仪定位，采用导向架进行辅助控制，以减少定位误差，钢管桩打设完毕后安装平台的上部结构。平台上部结构包括主梁、次梁、面板、栏杆等，主梁与次梁之间焊接牢固，在整个平台面上铺设面板封闭，保证平台在钻孔桩施工期间的安全，平台搭设直接采用打桩船，所需材料由铁驳船从岸边倒运至打桩船旁。

每个桥墩钻孔桩平台为相对独立的结构，其稳定性相对较差，可采取以下技术措施增加钻孔平台整体稳定性：辅助钢管桩下沉完成后，在钢管桩位于水面以上的部位安设纵向联撑并焊安剪刀撑；钻孔桩护筒下沉完成后将钻孔平台与钢护筒用型钢联结起来，并适当对护筒联结部位进行局部加强。

2.2 钢护筒埋设

2.2.1 钢护筒设计

钢护筒的底部应支撑在稳定的土层中，原则上要求钢护筒底部进入粉质黏土层1.5～2.0m；没有黏土层时，则要求护筒底进入中等密实的砂层2.0m以上。钢护筒内径比设计桩径大400mm，采用Q235钢板卷制，同时在钢护筒顶、底口增设加强环板(水中钢护筒为一次性投入，不考虑周转)。需要注意的是，钢护筒在运输过程中应在内部加设临时内撑，以增加整体刚度，防止运输过程中的变形。

2.2.2 钢护筒的定位导向架设计与制作

为确保钢护筒下沉时的平面位置与垂直度满足施工要求，需要在钻孔平台上安装导向架，直接立于平台上方，其中心与桩基中心重合。考虑到钢护筒吊运入孔的方便，导向架一侧可按开放式设计，其余三边采用固定框架结构。导向架调整到位后与平台间采用4个δ20三角牛腿对称布置单面焊接限位，履带吊起吊钢护筒，并徐徐进入。导向架首先由人工粗定位，平面位置定位精度偏差不得超过3cm，活动门架关上后，钢护筒与导向滚轮间的空隙按1cm进行控制(见图2)。

图2 导向架结构平面示意图

2.2.3 钢护筒下沉

测量人员放样导向架的平面位置，吊装导向架就位，调整导向架垂直度与平面位置，采用加劲板将导向架在平台上限位。钢护筒采用履带吊起吊和安装，较长钢护筒分两节起吊。采用履带吊起吊底节钢护筒，并缓慢送入导向架内。在钢护筒即将入水前，停止下放，并调整钢护筒至正位，通过安装在导向架角上定位槽钢和圆钢上的滚轴进行定位，吊装上节钢护筒，与下节钢护筒相接。在下节钢护筒顶部对称设置4个导向板，待上节钢护筒大致就位进入导向板内后，吊机轻微落钩，使下节护筒承受一部分上节护筒的重量。在重力作用和导向架的导向作用下，上节钢护筒将与下节钢护筒顺直相接，此时于接缝处焊接四个马腿，固定其接口，并对接缝进行焊接，接缝处上节钢护筒应设置45°的坡口。焊接完毕后割开与导向架连接的地方，并取消钢护筒竖向限位，下沉钢护筒，在钢护筒底端入土时，通过收紧钢缆再次调整钢护筒的垂直度和端口平面设置，满足要求后开始下沉钢护筒(见图3)。

图3 钢护筒吊装施工

液压振动锤安装时，松钩应缓慢且随时进行观测，防止钢护筒平面位置偏差及倾斜度过大，然后振动锤打至导向架顶面标高，拆除导向架继续振动锤打至设计标高即可[2]。严格控制护筒倾斜度不大于1/400，护筒沉放过程中，每沉入0.5～1.0m，停锤观察随时纠偏，沉放操作要谨慎，防止护筒底口内卷。

钢护筒下放完成后，及时与辅助钢管桩连接，防止水流冲击。钢护筒若沉不下去，可采用护筒内真空吸泥措施，再进行护筒下放。护筒下沉到位后，及时对护筒外侧四周进行袋装砂土抛填。每根钢护筒锤打至设计标高后，将其与已施工完的钢护筒连接成整体，以增加整体稳定性，减少水流冲击偏差(见图4)。

图4 钢护筒捶打完毕连接成型

2.3 泥浆制备

泥浆的性能对于超长灌注桩的钻孔施工尤其重要，是防止塌孔和泥浆流失的关键，必须通过试验来确定其配合比，必要时应增设试验桩[3]。泥浆可采用护壁性能良好的PHP泥浆。PHP泥浆由水、钠质膨润土、纯碱(Na2CO3)和水解聚丙稀酰胺(PHP)按照一定比例配制而成。为保证钻孔桩成孔施工的顺利进行，泥浆在正式开钻之前进行配比试验，选择泥浆各项指标最优的配合比(见表1)。

表1 泥浆制备性能指标

泥浆制备在泥浆船中进行，钻孔施工前首先将黄土(或膨润土)送至泥浆船内泥浆池进行搅拌。当泥浆性能指标满足施工要求后，用泥浆泵送入待钻的护筒里再进行钻进。钻孔里的泥浆通过泥浆循环器进入泥浆净化池进行净化处理，然后再流入钻孔内，如此循环。该项目桩基数量多，钻渣弃置量大，可利用泥水处理器分离钻渣，然后用运输船将钻渣弃至指定弃渣场。

2.4 钻孔施工质量控制

钻孔平台完成后，可利用泥浆运输船进行泥浆运输，防止泥浆污染海水。由于桩长较长，拟定采用正反循环钻机，因为正反循环钻机扭矩大，并且泵吸反循环更适合超长桩基清孔。护筒内部行程段可采用清水钻孔，接近护筒底部2m左右加入泥浆，并控制泥浆黏度在28s左右，pH值在8～10左右，比重在1.1g/cm3左右。钻头通过筒底时应降低钻进速度，以防漏浆，穿出筒底5m后可恢复至正常钻速。钻进过程中随时检查钻杆倾斜度，发现倾斜度超出限制(0.5%)，立即采取纠偏措施。

进入砂层后，及时减小钻压，采用小钻压钻进，控制进尺小于2m/h。进入全风化泥岩层后，适当提升钻压，采用中钻压钻进，控制进尺在0.8～1.2m/h，且宜适当降低泥浆比重(小于1.1g/cm3)，并降低泥浆黏度。进入强风化泥岩层后，可采取加大钻头配重、更换滚刀钻头、降低钻速等措施防止钻头触岩侧滑，确保钻杆垂直度[4]。进入弱风化岩层后，控制转速6～9r/min、钻压200～300kN连续稳定钻进。终孔后，及时进行清孔，清孔采用泵吸反循环清孔。孔内泥浆指标达到表2要求后及时进行后续水下混凝土灌注施工。

表2 清孔后孔内泥浆指标参数

2.5 钢筋笼制作安装

钢筋笼应分段制作，按从顶笼至底笼每12m一节同槽通长制作。按由底至顶的反向顺序，依次编号运输至平台，按编号依次将钢筋笼吊装入钢护筒内。钢筋笼主筋的连接采用机械接头。入筒后利用固定杆暂时固定在护筒上，起吊下一节钢筋笼，将中心对齐后缓慢转动至主筋对齐，安装接头完毕后，拆除固定杆继续下放连接后续钢筋笼。钢筋笼到达指定位置后用连接器与工具笼相连，下放至设计标高，固定工具笼。钢筋笼吊装应采用专用起重设备，并宜加临时十字撑增加整体稳定性。

2.6 水下混凝土灌注

混凝土灌注可采用混凝土搅拌船施工，或利用栈桥运输配合高压泵车压注。水下混凝土灌注要特别注意以下几点：一是由于超长桩基单桩所需混凝土方量较大，单桩灌注时间较长，所以一定要注意混凝土初凝终凝时间和单桩灌注时间的关系，灌注时间过长的应选用性能较好的缓凝剂，控制好配合比及搅拌时间[5]。二是灌注混凝土用导管应在使用前进行接头抗拉拔试验和水密承压试验，配合观察以确保导管质量，导管采用法兰盘接头加锥形活套。灌注混凝土用导管底至孔底控制在40cm左右，待首盘混凝土将截水阀门冲开后，可适当将导管下沉10～20cm。应采用较大的料斗存料，首盘混凝土灌注完毕可换用小料斗，首盘灌注后导管埋深不小于1m。三是灌注中应随时用重锤测定混凝土面的高度，灌注过程中导管埋深应始终保持2～4m。当管内出现空气囊时应降低灌注速度，防止空气压力过大，使导管渗漏。溢出的泥浆应随时用泵抽出到泥浆运输船中，以防止对海水造成污染。当桩内混凝土面达到钢筋笼底部1m时，降低灌注速度，防止灌速过快造成钢筋笼上浮。

2.7 后压浆质量控制

由于桩身过长可能会造成清孔不彻底、沉渣层过厚等问题，因此可采用灌注混凝土后压浆技术来对持力层和沉渣层进行补强，提高其极限承载力和整体性[6]。压浆材料可选用水泥浆，采用不低于42.5级的水泥，在钢筋笼上预先固定好压浆管，或者利用声测管进行。压浆应在桩身混凝土灌注完毕7天，且保证桩身混凝土强度不小于其设计强度的75%后进行。压浆过程中要随时观测压浆量和压力，进行压浆量和压力的双控制。待压浆量达到设计压浆量，或者压浆量虽然未达到设计压浆量但是压浆压力达到设计压力后持荷5min，且压浆量不小于设计压浆量的80%后可终止压浆。

3 结 语

海口市如意岛项目跨海大桥水中超长灌注桩基础实际施工中，虽然经常有水流冲击影响、水中定位难、施工条件限制、钻孔施工倾斜度过大、桩底沉渣层过厚等不少技术问题需要解决，但从钻孔平台搭设、钢护筒埋设、泥浆制备、钻孔施工、钢筋笼制作安装、水下混凝土灌注以及后压浆等几个关键环节认真探究分析，做好质量控制，这些难题都能迎刃而解。