海上大直径超长钻孔灌注桩基础施工技术

海上大直径超长钻孔灌注桩基础施工技术海上大直径超长钻孔灌注桩基础施工技术 第 22 卷第 2 期 2008 年 3 月 湖南工业大学 JournalofHunanUniversityofTechnology VO1.22No.2 Mar.2008 海上大直径超长钻孔灌注桩基础施工技术 叶俊能 (杭州湾大桥工程指挥部,浙江宁波 315327) 摘要:针对杭州湾跨海大桥海上大直径超长钻孔灌注桩基础施工中的若干关键技 术进行分析,包括滩涂区 浅层气富集区钻孔桩施工;钻孔桩承台围堰施工;南,北航道桥塔墩施工平台及钻 孔桩施工;海水泥浆的配制; 施工中护筒变形原因及其解决措施.为强潮海湾大直径超长钻孔灌注桩基础施工 提供工程参考. 关键词:跨海大桥;钻孔灌注桩;施工平台;海水泥浆;钢护筒 中图分类号:TU753.3 文献标识码:A 文章编号:16739833(2008)02001704 BasicConstructionTechnologyofMarineOverLengthand ExtraLargeDiameterBoredPile YeJunneng (EngineeringHeadquarterofHangzhouGulfBridge,NingboZhejiang315327,China) Abstract:FormidablenaturalconditionsandcomplicatedgeologicalconditionsofHangzho ubaybringsalotofdifficul tiestoconstructionofmarineover-lengthandextralarge diameterboredpiles.Somekeyconstructiontechnologiesincluding pileconstructioninoffshorezonewithrichshallow buriedgas,cushionbarrageconstruction,operationplatformconstruc- tionandpileconstructionofsouthandnorthchannelbridgepiers,andformulationofmarinesl urryoftheboredpilesare introduced.Thesebasicconstructiontechnologiesofmarineoverlengthandextra largediameterwillprovidereferencefor othersimilarpileconstruction. Keywords:sea crossingbridge;boredpile;constructionplatform;marineslurry;steelcasingpipe 0 引言 钻孔灌注桩由于其施工简便,承载性能良好,在基 础工程中的应用越来越广泛.随着施工机械的不断改 进,钻孑 L 灌注桩的桩径和桩长也越来越大.从发展趋 势来看,特别是随着国内特大型桥梁建设的不断兴 建,大直径超长钻孔灌注桩的应用规模将不断扩大. 目前,国内特大型桥梁主墩桩基础多数采用大直径超 长钻孔灌注桩,如:江阴长江大桥北塔桩基础用桩径 2.0m,桩长 85m 的钻孔灌注桩 n;苏通大桥主墩基础 采用桩径 2.5m,桩长 100m 的钻孔灌注桩口;东海大桥 主墩基础采用桩径 2.5m,桩长 110m 的钻孔灌注桩; 舟山大陆连岛工程金塘大桥主墩基础采用桩径 2.5m, 桩长 104m 和 115m 的钻孔灌注桩. 杭州湾跨海大桥北起嘉兴市海盐郑家埭,跨越杭 州湾海域,南至宁波市慈溪水路湾,全长 36km,是目 前世界上已建和在建的最长跨海大桥.杭州湾自然条 件恶劣,地质条件复杂,给大直径超长钻孔灌注桩桩 基础施工带来了挑战.大桥设南,北 2 个航道桥,其 余均为非通航孔桥.大桥桩基础采用钢管桩和钻孔灌 注桩两种桩型,其中水中区引桥桩径采用直径 1.5m 和 1.6m,桩长 7l89m 的钢管桩,总桩数 55l3 根;南, 北岸滩涂区引桥,北航道北侧高墩区引桥和南,北航 道桥采用桩径 1.52.8m,最大桩长 125m 的钻孔灌注桩, 总桩数 3550 根.本工程钢管桩和钻孔灌注桩的规模均 为国内所罕见.杭州湾地处世界 3 大强潮海湾之一,潮 收稿日期:2008-0307 作者简介:叶俊能(1975-),男,福建三明人,杭州湾大桥工程指挥部高级工程师,博士, 主要从事岩土工程和桥梁工程研究 18 湖南工业大学 2008 矩 差大,水流急,易受气象,冲刷,浅层气等多种恶劣 的自然条件影响,加之该桥位区地质条件复杂,软硬 土层交错分布,桩基入土深度深,且工期紧,需跨台 风,季风期连续施工,这些因素给桩基础施工带来了 巨大难度. 1 南岸滩涂区钻孔灌注桩基础施工 大桥的南岸滩涂宽阔,平缓,微微向北倾,坡降 0.50.6,宽约 9km.滩地上潮沟发育,表层为 亚砂土,一般厚度为 1116m,其下依次为淤泥质粘土, 中砂(粉砂),粘土,泥岩等.表层土易冲刷,局部冲 刷深度达 10 多米. 1.1 钻孔桩施工 由于南岸滩涂区存在潮汐,台风暴潮,可液化砂 土层等不良地质现象,致使钻孔桩沉桩过程中出现钻 孑 L 泥浆渗漏,钢护筒下沉,缩孑 L,塌孑 L,灌注混凝土 堵管,垂直度超标等故障和难题.另外,南岸滩涂区 局部软土层下有浅层沼气分布,浅层气主要分布在海 底下 4060m 深度范围内,砂质透镜体为生物气的主 要储集体,气压与埋深基本成正比,其甲烷含量高达 96%以上.浅层气急剧释放会使土层产生剧烈扰动, 带走大量土颗粒及水,引起流砂及土层的坍塌,影响 桩基安全顺利施工. 针对浅层气问题,工程采用的对策主要有:1)钻 孑 L 桩施工前,在几处浅层气富集区超前进行有控排 气,并在墩位两侧共同布置钻孑 L 进行零星放气;2)钻 孑 L 进入含气层时,采取慢速减压钻进,避免快速提钻, 加大泥浆比重和动态调整泥浆水头等措施,防止气体 逸出引起孑 L 壁坍塌.在采取上述措施后,滩涂区钻孑 L 桩施工中没有发生过浅层气引起的工程事故.另外, 个别引桥墩区段内,在淤泥质亚粘土和粘土层中存在 表层气,压力虽不大,但分布较广.由于不便于超前 放气,钻孑 L 桩施工护筒埋深又浅,钻孑 L 过程中曾发生 严重的孔壁坍塌事故.为此,将护筒加长 1214m,有 效解决了坍孑 L 问题. 1.2 钻孔桩承台施工 南岸滩涂区钻孑 L 桩承台共计 388 个,承台厚 2.5m, 直径分别为 85m 和 9.8m.承台底面高程近岸为一 1.O0m, 远岸为一 0.50m.承台施工前滩面高程+2.00一 3.O0m, 平均高潮位+2.52m,平均低潮位一 2.12m.由于近岸区 地面标高大部分在一 1.0m 以上,潮位不高,故采用钢 板桩围堰,围堰为圆形结构. 然而,钢板桩围堰施工过程中发现,由于围堰体 形很大,滩涂区表层为起动流速很低的亚砂土,稳定 性很差,故施工过程中海床面局部冲刷太大,造成钢 板桩围堰止水困难,大潮时局部钢板桩下沉,封底混 凝土底填砂被淘空,并出现封底混凝土开裂等现象, 针对工程中出现的这种情况,决定中止钢板桩围堰施 工,而改用吊箱围堰进行钻孑 L 桩承台施工. 2 南航道桥塔墩钻孔灌注桩基础施工 南航道桥为单塔双索面斜拉桥,设 3 个墩基础:主 塔墩,辅助墩,过渡墩,共有 90 根钻孔桩,桩径有 2.8m 和 2.5m2 种,其中主塔墩基础共有 38 根直径 2.8m 的 钻孑 L 桩,桩长 120m,主塔墩钻孑 L 桩平面布置见图 1. 图 1 南航道桥主塔墩钻孔桩平面布置 Fig.1Layoutchartforboredpileofsouth channelbridgepier 2.1 主塔墩施工平台 施工平台主要用于钻孑 L 桩施工以及保障施工人员 的生活后勤.平台长 125m,宽 29m,分为上游起始平 台,钻孑 L 平台和下游辅助平台等 3 部分.平台上配置 了履带吊车,塔式吊机,发电机组,钻机,空压机和 泥浆处理设备等,施工平台及船机布置见图 2. 图 2 南航道主塔墩施工平台平面布置图 Fig.2Layoutchartforking-towerpierconstruction platformofsouthchannelbridge 由于南航道桥桥位处水流速大,波浪高,每年受台 风袭击,所以施工平台要具有足够的抗风,抗潮和抗 浪能力.为此,将钢护筒作为平台的主要支撑结构.钻 孑 L 平台的支撑桩由 38 根直径 3.1m,壁厚 18mm,长度 52m 的钢护筒组成;上,下游起始平台和辅助平台由 46 根直径 1.5m,壁厚 16mm 以及 2 根直径 2.0m,壁厚 20 mm 的钢管桩组成.下游的起始平台和上游的辅助平台 的上部结构由贝雷架,工字钢和花纹钢板构成. 2.2 主塔墩承台施工 主塔墩承台(图 1)为哑铃型结构,承台顶标高为 +5.2m,底标高一 0.8m,封底混凝土底标高一 1.80m,承 台混凝土近 10000m3.由于主塔墩承台平面尺寸大,封 底混凝土位置低,所处海域浪高流急,承台施工难度 和风险都很大.为了尽可能降低施工风险,工程主要 第 2 期叶俊能海上大直径超长钻孔灌注桩基础施工技术 19 采取了以下措施: 1)把庞大的钢吊箱分为上游承台,下游承台和系 梁 3 个独立单元进行施工,每个单元的吊箱分别进行 制作,安装,封底和浇灌承台混凝土. 2)封底混凝土厚度减少 0.5m,其底面高程由一 2I3m 提高到一 1.8m,大幅度延长了低潮位的作业时间,并 避免了用水下混凝土封底. 3)利用在钢护筒上焊接的搁置牛腿及反压牛腿, 尽量缩短围堰定位和固定的时间. 3 北航道桥塔墩钻孔灌注桩基础施工 北航道桥为双塔双索面斜拉桥,跨度 70m+160+ 448m+160m+70m,主塔墩有 2 个,每墩有 26 根直径 2.8m 的钻孑 L 桩,桩长 125m,桩底进入粉砂,细砂层 深度平均为 3.01TI,主塔墩钻孑 L 桩平面布置见图 3. 图 3 北航道桥主塔墩钻孔桩平面布置一 Fig.3Layoutchartforboredpileofnorth channelbridgepier 3.1 主塔墩施工平台 与南航道比较,北航道海域水文条件相对较好, 主塔墩承台平面尺寸较小,工点离岸近,有栈桥与陆 地联结.主塔墩施工平台长 72m,宽 42.51TI,由辅助 平台和钻孑 L 平台 2 部分组成,其中辅助平台由 14 根直 径 1.2m 的钢管桩支撑,钻孔平台由 26 根直径 3.1m,壁 厚 18mm 的钢护筒支撑.平台设 120t 桅杆吊机一台, 用于完成全部钻孔桩的护筒设置,钻机安装和钢筋笼 吊装等作业,施工平台见图 4. 图 4 北航道主塔墩施工平台平面布置图 Fig.4Layoutchartforking-towerpierconstruction platformofnorthchannelbridge 平台的施工顺序为:先插打钢管桩形成周边辅助 平台,然后在辅助平台上用移动式导向架定位下沉钢 护筒,利用钢护筒搭设钻孑 L 区平台. 3.2 主塔墩承台施工 北航道主塔墩承台平面见图 4,承台厚 6.011l,顶,. 面标高为+5.2m,封底混凝土厚 1.2m,封底底板标高 为一 2.0m.承台吊箱围堰与防撞套箱结合,为双壁结 构,厚 1.5m,高 7.2II1,利用施工平台面板作为吊箱底 板.吊箱侧壁重约 440t,底板重约 350t. 北航道主塔墩承台施工利用防撞结构作为吊箱围 堰,利用平台面板作为围堰底板,利用低潮位进行吊 箱安装.这些安排不仅节约了大量的吊箱围堰结构钢 料,而且不需要大型的水上起吊设备. 4 海水泥浆的配制与使用 泥浆是保证孑 L 壁稳定,维护正常钻孑 L 的重要条 件,其质量和稳定性直接影响钻孑 L 桩施工的成败.本 桥根据不同的施工环境,在岸上和滩涂区钻孑 L 桩施工 中采用淡水泥浆,在海上钻孑 L 桩施工中则就地取材, 采用海水泥浆. 南航道桥桩基础海水泥浆配合比为:海水 375L, 粘土 56.25kg,增粘剂采用聚阴离子纤维素(PAC)750 g,分散剂采用纯碱 750g.北航道桥桩基础海水泥浆 选用浙江安吉陶土,其土壤的特点为:颜色灰白,过 0.075rain 筛颗粒含量为 95%,增粘剂采用羧甲基纤维素 (CMC),分散剂采用纯碱.通过调整陶土,CMC,纯 碱掺量,使泥浆胶体率达到 95%以上,其中陶土 5%, 纤维素(CMC)3,纯碱 2%(配比相对泥浆比例). 海水泥浆必须具有良好的稳定性,适当的比重, 良好的流变性能,泥皮形成性,酸碱度和含砂率.本 桥施工实际情况采用表 1 所示指标作为海水泥浆性能 的检验指标. 表 1 海水泥浆性能指标 Table1Featurepropertiesofmarineslurry 性能指标指标值性能指标指标值 相对密度 1.061.10 胶体率/%95 粘度/S1828 失水量/(ml?(30min)20 静切力/Pa12.5 泥皮厚/mm3 含砂率/%4 稳定性0.03 酸碱度 pH810 本工程实践表明,随着海水中 NaC1 含量的增加, 海水泥浆性质会发生明显变化.因此,在海水成份变 化较大时,要及时调整泥浆配比. 5 钢护筒变形原因及防治对策分析 护筒,泥浆和潮汐是影响海上钻孑 L 桩施工安全的 20 湖南工业大学 2008 正 3 个重要因素.护筒变形是海上钻孔桩施工过程中发 生最多,影响最大的事故.本工程护筒变形集中发生 在南,北航道桥主塔墩:北航道桥 2 个主塔墩共有钻 孔桩 52 根,发生变形的护筒 13 根;南航道桥主塔墩共 有钻孔桩 38 根,发生变形的护筒 14 根.护筒变形后卡 钻高度在护筒底口以上 111m 不等 I. 本工程采用的护筒直径为 3.1m,壁厚 18mm(少 数为 201Tlln),材质为 Q235A(少数为 Q345c),底部设 有 0.53.0m 高的加强箍,采用振动锤下沉,入土深度 2530m 左右.图 5 为南航道主塔墩钻孔桩钢护简入土 情况示意图. !:垫 细砂 N=3050 XZK448 地质棹状幽 I1.70 =l15 7-4 2.45 .35 焉 35 , :z-773.55 图 5 钢护筒入土范围示意图. Fig.5Schematicchartforin?soildepth ofsteelprotectivebarrel 由图 5 可以看出,钢护筒穿过的地层大部分为淤泥 质粘土,其主要物理力学性能指标为容重 y=18kN/m. 抗剪强度指标:c=20-40kPa,cp=4.,标贯击数 N8. 通过分析南,北航道桥主塔墩护筒变形数据,将 其变形的主要原因总结如下: 1)护筒下沉所受到的下沉力和阻力较大.根据钢 护筒沉放施工现场记录可知:钢护筒在振动锤作用 下,所受到的振动力在 35006400kN 之间,大部分都 达到了 6400kN.而钢护筒壁太薄,其壁厚(18mm) 与直径(3.1m)之比仅为 1/172; 2)护筒沉放时,环向应力过大.由于在钢护筒下 沉过程中,钢护筒底口土体一部分挤入护筒内,但大 部分挤出护筒外,护筒内土压力按照主动土压力公式 计算较小,护筒外按照被动土压力计算较大.实测在 停锤时钢护筒端部外土压力值为 110MPa,比计算的 被动土压力还大得多,故导致钢护筒端部产生的环向 应力也较大.根据实测资料,护筒端部环向应力已达 3896MPa,而按薄壁圆管非弹性屈曲环向临界应力计 算,护筒屈曲临界应力仅 5071MPa. 变形钢护筒的处理方法较多,对于直径较小,入 土较浅的护筒最好拔出重打.由于本工程的护简直径 较大,入土较浅,故主要采用水下电气法切割钢护筒 法和千斤顶水下校正变形法.水下电气法切割钢护筒 法是将变形部位钢护筒进行水下割除,让钻头顺利通 过,这是一种有效,简便处理变形钢护筒方法.在护 筒变形部分被切