朱继新 柴海峰 赵瑞欣 张晓光 冯忠居 王国宾

厦门路桥工程投资发展有限公司 中交第二航务工程局有限公司 长安大学公路学院

摘 要： 厦门翔安大桥施工区域海洋地质环境复杂，而且处于台风高发区域。同时，深海区的23个桥墩基础均采用无栈桥水上平台法进行施工，所有施工资源均依靠水运至墩位，水上施工设备需求数量大，交通组织困难。在考虑国内已建特大型跨海大桥桩基施工经验的基础上，通过现场调研以及收集、整理和分析现有资料，研究了复杂海域条件下钢管精准施沉技术和快速成孔成桩技术，为复杂海域大直径变截面钢管复合桩基础施工提供技术指导。

关键词： 特大型跨海大桥;钢管复合桩;精准施沉;成孔成桩;

1 研究背景

近20年来，我国桥梁建设发展速度日益加快且较多采用桩基础[1,2,3,4]。在节约人力、物力、财力的基础上，研发出适应复杂海域条件下的钢管精准施沉技术和快速成孔成桩技术，成为我国桩基桥梁中亟待解决的问题之一。厦门翔安大桥采用大直径变截面钢管复合桩基础，其中钢管桩作为永久受力结构打入强风化花岗岩，需选用大能量冲击锤进行护筒施沉；主墩、过渡墩钢管桩桩身长，重量大，钢管桩整体施沉的施工方法复杂。

众多学者针对钢管桩精准施沉和成孔成桩技术进行了大量研究。郗永磊等[5]采用辅助平台+悬臂式导向架系统，实现了钢护筒施沉；李送根等[6]采用钢平台与钢护筒结合设计一体施工和带千斤顶调位的悬挂式导向定位装置，实现了大直径厚壁永久钢护筒精准施沉；张多铎等[7]采用自行设计的临时构件，改进了钢护筒的施工方法；李嘉明[8]采用简支导向架+大功率振动锤进行钢护筒施沉；王铁法等[9]通过创新充气浮运、注水排气翻转直立就位等技术，实现了大直径钢护筒施沉；江明和等[10]基于槟城二桥实体工程，对钻孔灌注桩的施工工艺进行了系统阐述；韩廷洪[11]基于永川长江大桥工程，阐述了水磨钻桩基成孔的施工条件、工艺等特点；胡德功等[12]基于富春江特大桥实体工程，阐述了灌注桩施工关键技术；刘谭升[13]基于凫洲跨海大桥实体工程，阐述了大直径桩成孔施工技术，介绍了施工关键环节；经柏林等[14]基于荆州长江公路大桥工程，对成孔成桩技术进行了阐述。

厦门翔安大桥施工区域海洋地质环境复杂，难以精确控制沉放精度；同时深海区的23个桥墩基础均采用无栈桥水上平台法进行施工，所有施工资源均依靠水运运至墩位，水上施工设备需求数量和交通组织难度大。另外，本工程处于台风高发区域，加大了施工过程中的风险和难度。目前，针对复杂海域大直径变截面钢管复合桩基础施工的研究成果不多。故本研究在考虑已建特大型跨海桥梁桩基施工经验的基础上，根据厦门翔安大桥工程实际，着重对复杂海域条件下钢管桩精准施沉技术和快速成孔成桩技术进行系统研究，以便针对桩基础施工中遇到的各项问题提出相应的解决对策。

2 复杂海域(海中区)条件下钢管精准施沉技术

海中区钢管桩使用起重船配合振动锤和冲击锤施沉，钢护筒定位的质量直接影响成桩质量。采用两套测量系统相互校核，配合施工；当两套系统发生冲突时，以全站仪控制为准。

第一步：起重船抛锚定位，将施沉设备工、锁具等准备就位。

第二步：运输驳船就位，安装 APE 600液压振动锤，吊起钢管桩。

第三步：钢管桩定位，钢管桩定位采用起重船导向架固定钢护筒，具体步骤如下。

(1)桩船调配3台 GPS 仪，使定位船精准就位。

(2)用起重船吊钢护筒进入导向架，使用4台扫描仪实时扫描钢护筒半面并生成数据上传至桩船控制中心，通过控制中心模拟生成钢护筒实际位置及倾斜度，再用导向架上安装的抱桩器进行精准定位及控制钢护筒垂直度。同时，在控制室及定位导向架上各安置一台测斜仪，测量桩船及导向架的倾斜度，为钢护筒精准定位提供补偿参数。

(3)在先期布设的基点上架设一台高精度全站仪(1″级)进行校核，计算出基点至钢护筒的水平距离以及与基点切钢护筒边的方位角。

①平面位置控制：待钢护筒就位后，采用架设在基点上的全站仪测量顶口与海水面处护筒两边的方位角，与理论方位角进行比较，控制钢护筒横桥向位置。同理，根据测出的方位角计算出实际护筒中心的方位角，转动仪器至实际护筒中心方位角处，采用全站仪免棱镜模式测量护筒至基点的水平距离，控制钢护筒的顺桥向位置。

②垂直度控制：同①,分别测量出护筒顶、底口实际中心位置的方位角、高程及基点至护筒的水平距离，根据两处位置的方位角计算出钢护筒横桥向垂直度，根据两处位置的水平距离计算钢护筒顺桥向垂直度，整体控制钢护筒施沉的垂直度。

③高程控制：调制垂直度后，通过振动锤施沉钢护筒至设计标高，高程采用全站仪免棱镜模式控制。基点高程由 GPS 静态测量，拟合求出其1985高程。

第四步：完成钢管桩定位后，钢管桩首先采用 APE 600液压振动锤进行施沉，液压振动锤每施打15 min 时停锤约1 min ,防止振动锤过热；在液压振动锤施沉至困难深度时，更换液压振动锤，采用 menck MHU 800 s 液压冲击锤(液压冲击锤锤芯重45 t ,最大锤击能量820 kJ )进行补打，锤击能量由200 kJ 逐级增加，最大锤击能量不大于360 kJ 。为防止钢管桩卷边，最后10锤贯入度小于5 cm 时停锤，且冲击锤每施打100击停锤约1 min 。

为减少换锤时间且防止临近钢护筒的施沉影响施沉精度，可采用振动锤一次性施沉单排3根钢管桩，再由冲击锤一次性施打单排3根到位的施工顺序，进行钢管桩施沉。

3 浅(无)覆盖层条件下钢管复合桩钢管施沉技术研究

3.1既有裸岩桩施工方案调研与总体概述

H 08/ H 09号墩桥位覆盖层主要为淤泥，厚度为0～5 m ,其下主要为强风花岗岩和中风化花岗岩。根据设计钢管桩长度，钢管桩底进入岩层7～15 m ,无法通过打桩设备一次施沉到位。

在浅(无)覆盖层条件下进行钢管复合桩钢管施沉时，在施工墩位通过浮吊搭设钻孔平台，下放直径为3 m 的措施钢护筒，通过冲击钻或回旋钻钻进至设计桩底标高；移开钻机，将直径为2.05 m 的钢管桩沿措施护筒内壁下放至设计底标高，调整钢管桩平面位置及垂直度，浇筑钢管桩与孔壁间的填充混凝土至海床面标高；待混凝土初凝后拔出措施钢护筒，安装钻机进行后续钻孔成桩施工。

3.2高强斜岩处理施工技术

首次钻孔在斜岩上时，需根据不同的钻进方式进行以下处理。

(1)冲击钻成孔。

①水磨钻机处理斜岩面：

测量定位钻机，下放钻杆，调整钻杆垂直度，按300 mm ×300 mm 梅花形布置钻孔，孔深不小于斜岩面高低边的高差。

②施工准备：

单个平台布置2～3台钻机、1个集装箱，每台钻机配置1个泥渣分离器、1个泥渣箱。

③泥浆的选用：

钻孔施工时采用轻质环保化学淡水泥浆，使用性能优异的复合膨润土造浆，保证泥浆质量。各施工阶段泥浆控制指标见表1。

④钻进成孔：

钻机固定在施工平台上，保证精准施工；措施钢护筒直径为3.0 m ,首次钻孔钻头直径取2.9 m ;通过小冲程进行初始钻孔，通过不超过6 m 的中、大冲程进行正常钻孔，钻孔作业不得无故中止；钻进时通过调节泥浆泵，使护筒内泥浆水头达到1 m 以上；钻进过程中及时抽渣；首次钻孔深度为设计钢管桩底标高。

(2)回旋钻成孔。

回旋钻成孔采用以下步骤，其施工流程示意如图1所示。

步骤一：施工准备，在钻孔平台上安装定位水磨钻机、套管固定架；沿3 m 圆周放样取芯孔位，取芯直径0.16 m, 孔间净距0.15 m, 共计30个孔；下放套管，采用水磨钻机逐孔取芯，钻至钢管桩设计底标高。

表1 钻孔施工不同阶段泥浆性能指标参考 导出到EXCEL

步骤二：钻孔取芯完成后，在完成隔离的直径为3 m的圆形岩石上均布6个*破爆**孔，利用静态液压*破爆**机碎岩，每次*破爆**深度不大于2 m。

步骤三：岩石破碎完成后，利用回旋钻机将岩石进一步破碎，气举反循环抽取碎渣，至钢管桩设计底标高。

步骤四：清孔，精确下放永久钢护筒，采用型钢固定。

步骤五：下放导管，在护筒与岩石的间隙内浇筑填充混凝土，间隙宽度为0.5 m。

步骤六：安装定位冲击钻机，待填充混凝土达到设计强度的75%以后，采用冲击钻继续钻进至桩基设计孔底标高，并完成后续钢筋笼下放及混凝土浇筑。

图1 回旋钻成孔流程示意 *载下**原图

4 复杂海域大直径变截面钢管复合桩成孔与成桩技术

4.1大直径变截面钢管复合桩(海上预制段)成孔技术

4.1.1D2.5 m段钻进

为加大成孔速率，根据回旋钻和冲击钻在不同土层中的进尺速度(见表2), D 2.5 m段先采用回旋钻钻进淤泥层和饱和砂土层，再采用冲击钻钻进岩层。

表2 不同地层钻进参数 导出到EXCEL

先以低档位缓慢钻进并复核钻机位置和孔位，确保无误。当钻头或导向部位全部进入土层后，再以正常档位钻进。

回旋钻采取的排渣方式是气举反循环，采用气管将空压机提供的压缩空气输送到钻杆内适当深度，在其下方形成负压，导致钻杆内泥浆迅速向上流动，同时将钻渣带出。冲击钻采用正循环排渣，泥浆管一端固定在冲锤上端，一边冲击孔，一边用泥浆泵从泥浆池中抽入干净泥浆至孔底，泥浆将顺着钻机的导流槽流进沉淀池。在钻进过程中，要及时排出沉淀池中过多的泥浆。泥浆稠度及黏度不足时，加入造浆原料由冲锤进行造浆。

4.1.2D2.15 m段钻进

为了方便钢筋笼的下放，在施工时变截面位置处的标高需要比设计位置处低20～50 cm, 为确保钢筋笼不受损伤，需增加钢筋保护层厚度。

在确认变截面处位置标高后，钻进到其位置时需要将 D 2.5 m冲锤替换成 D 2.15 m冲锤再继续钻进。将外径为2.5 m、长度约为40 cm的钢环固定在 D 2.15 m冲锤上端，如图2所示。同时，再次检查钢丝绳与桩轴线是否重合，目的是为了保持上、下不同直径的桩的圆心处于重叠状态。

先采用小量程钻孔，从海床面往下钻进46 cm后，拆除冲锤上的钢环。继续用小量程钻孔，当小量程无法满足钻进要求，并且大、小直径的桩径中心重合后，才采用正常量程钻孔，直至终孔。

图2 冲锤和钢环 *载下**原图

4.2大直径变截面钢管复合桩成桩技术

4.2.1钢筋笼下放

(1)首节钢筋笼下放。

钢筋笼前场吊装采用大、小钩三点起吊，按先顶部吊点、后根部吊点的顺序进行。当根部吊离地面时，顶部吊点迅速起吊至90°后，立即卸掉根部吊点，同时垂直起吊钢筋笼，缓缓放入孔内。

(2)钢筋笼和声测管接长。

钢筋笼由于长度一定，因此根据桩的长度分为多节。拼接操作如下：进行上一节钢筋笼的起吊并调整位置，使得上、下节钢筋笼中心重叠；缓慢转动上节钢筋笼准确对位，并让两节钢筋笼主筋紧贴；全部完成后，采用套筒连接并拧紧。

声测管采用套管套接的方式接长。

(3)钢筋笼固定。

由于下放钢筋笼不可避免地会导致护筒的轻微偏移，因此需要在下放最后一节钢筋笼时，根据现场情况，在钢筋笼顶部主筋外侧加焊6根相互绑扎相接钢筋，目的是保证钢筋笼偏移符合施工标准。

4.2.2导管施工

(1)导管选用。

根据变截面钢管混凝土复合桩施工的特点，需要选用两种直径的导管进行施工。根据现场情况，决定选用ϕ200 mm×10 mm和ϕ240 mm×10 mm的无缝钢管。采用的导管标准节长2 m, 第一节导管(最底端导管)长4 m, 备用的导管长度分为0.5 m、0.3 m和0.2 m。导管吊具如图3所示。

(2)导管下放。

导管下放前，需要进行接头抗拉试验和水密试验，如图4所示。检查好每根导管的清洁度、畅通性和封闭性，再使用汽车吊下放导管。

图3 导管吊具示意 *载下**原图

图4 导管水密试验 *载下**原图

4.2.3混凝土灌注

(1)混凝土灌注方式。

海中区无栈桥，采用搅拌船拌制混凝土，泵送灌注。

(2)首封混凝土灌注。

通过拔塞法进行首封混凝土灌注。在灌注过程中，每浇筑一车即测量孔内混凝土面的高度，及时调整导管埋深。导管拆除要迅速。

(3)混凝土正常灌注。

第一批混凝土灌注完毕后，需要连续进行后续混凝土的灌注，中途不能停太长时间；遇见突发情况需要暂停施工时，需要留下施工缝。混凝土在灌注前需要检测其坍落度，满足要求才可使用；不符合要求的混凝土需要重新搅拌，符合施工要求后才能浇灌入桩孔内。

钻孔桩混凝土灌注的施工流程如图5所示。

(4)桩头超灌。

灌注混凝土时，为使桩顶混凝土强度满足要求，其顶面要超灌0.5 m。

灌注完成后，安排工人抽排桩顶泥浆。在混凝土初凝前，人工舀除桩顶的泥夹混凝土至露出新鲜混凝土；舀除标高按高出桩顶设计标高10～15 cm控制，以减少后期桩头凿除工作量。

图5 钻孔桩混凝土灌注施工流程 *载下**原图

5 结语

依托翔安大桥实体工程，结合实勘资料和具体施工过程，对复杂海域大直径变截面钢管复合桩钢管精准施沉和快速成桩技术进行了系统研究，结论如下。

(1)海中区钢管桩采用起重船配合振动锤和冲击锤施沉。

(2)浅(无)覆盖层区域通过浮吊搭设钻孔平台及下放措施钢护筒，采用冲击钻或回旋钻钻进进行钢护筒精准施沉，采用水磨钻机处理高强斜岩面。

(3）针对大直径变截面钢管复合桩的成孔，海上预制段采用回旋钻和冲击钻组合。

参考文献

[1] 冯忠居，陈慧芸，袁枫斌，等.海洋环境钢护筒的应用现状分析[J].筑路机械与施工机械化，2017,34(5):27-32.

[2] 冯忠居，刘闯，戴良军，等.中国海洋环境桥梁大直径深长桩基的应用研究[J].筑路机械与施工机械化，2017,34(11):46-50.

[3] 冯忠居，尹洪桦，李孝雄，等.海洋环境强震区超大直径桩基钢护筒下沉问题与处理技术[J].中国港湾建设，2016,36(11):39-41+60.

[4] 冯忠居，上官兴，谢永利.大直径钻埋预应力混凝土空心桩施工工艺[J].筑路机械与施工机械化，2005,(8):42-43+64.

[5] 郗永磊，刘勇，王振.深水长周期涌浪海域钢护筒施沉施工技术[J].施工技术，2017,46(7):128-131+135.

[6] 李送根，胡义新，唐卫，等.起重受限下圆砾层大直径钢护筒施沉技术[J].施工技术，2017,46(S2):930-932.

[7] 张多铎，潘龙，祁丛林，等.青龙湾大桥海上大直径超长钢护筒震埋施工工艺[J].施工技术，2016,45(24):49-51.

[8] 李嘉明.强潮急流河段大直径桩基钢护筒沉放关键技术[J].公路，2013,(9):109-113.

[9] 王铁法，王奎.深水大直径钻孔桩钢护筒浮运与安装施工技术[J].公路，2010,(8):34-36.

[10] 江和明，荣劲松.海上超长大直径嵌岩钻孔灌注桩施工技术[J].水运工程，2015,(2):156-162.

[11] 韩廷洪.水磨钻在岩石地质下的成孔工艺[J].公路，2012,(7):110-114.

[12] 胡德功，陈旭，周祥涛.富春江流域深水灌注桩成孔施工[J].公路，2009,(9):245-250.

[13] 刘谭升.凫洲大桥深水大直径桩基成孔施工技术[J].铁道标准设计，2008,(11):58-62.

[14] 经柏林，谢华鸾，何雨微.荆州长江公路大桥关键技术及科学研究[J].公路，2003,(11):1-6.

声明： 我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除，另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。