海上钻孔灌注桩的施工技术.pdf

公路2 0 0 6年 3月 第 3 期 HI GHWAY Ma i 2 0 0 6 N o 3 文章编号：0 4 5 1-0 7 1 2(2 0 0 6)0 3-0 0 1 2-0 7 中图分类号：U4 4 5 5 5 1 文献标识码：B 海上钻孔灌注桩的施工技术 应 虹，周先念，曾 越(1 路桥华南工程有限公司 中 山市5 2 8 4 0 3；2 路桥华东工程有限公司上海市2 0 0 1 3 5)摘要：海上 桥梁地处开 阔海域，受海洋气 候、潮 汐、波 流影响十分 明显，桥梁基 础施工同 内陆或 内河 相比，无 论是 施工方案、施工工艺还 是施工组织 方面都有诸 多不 同之 处，本文通过 对东海大 桥和杭 州湾大桥 的海上 钻孔灌 注桩施工 技术 的研 究和总结，为今后海上钻孔灌注桩施工 积累经验。关键词：海域；钻孔灌注桩；施工 海上桥梁地处开阔海域，海上施工受水文气象 的影响很大，自然条件恶劣。经统计，全年有效施工 工作天数仅 1 8 0 d左右，而桥梁基础施工受海 洋环 境影响最为突出。因此，对于海上桥梁施工，解决水 下基础的施工是关键。下面以东海大桥辅通航孔桥 施工 为例，结合杭州湾大桥介绍海上桥梁钻孔灌注 桩的施工技术。I 东海大桥概况 I I 工程简介 东海大桥三座 辅通航孔桥均 为预应力混凝土 变截 面连 续箱梁，跨 径组 合 为：K6桥，7 0 m+2 1 2 0 m+7 0 m；KI 2桥，8 0 m+21 4 0 I n+8 0 I n；K2 4桥，9 0 m+2 1 6 0 m+9 0 m。三座辅通航孔桥 主桥基础均为直径2 5 m，桩长超过1 0 0 I I 1 的钻孔灌 注 桩基 础。1 2 自然条件 桥位 区海域，海床较为平缓，水深 7 l 1 I I 1，海 床标高平均为一1 0 I I 1；桥位 区基底 为前古生代变质 岩系，上覆燕山早期花岗岩系，钻孔灌注桩选第 9层(灰色含砾粉细砂层)为持力层。桥位区所处海域的潮汐主要受东海前进潮波控 制，潮汐类型属非正规半 日浅海潮型，每个潮汐 日有 两次涨潮和两次落潮的过程，本 区海流以潮流 占主 导地位，推算最大潮流速近 3 0 m s。本海域 以NE 向作为控制浪 向。1 3 基桩设计特点 收稿 日期：2 0 0 6 0 1 1 8 基桩设计主要考虑了海洋环境对桩基质量的影 响，主要有以下两个特点：(1)桩基混凝土采用强度等级为 C 3 0的海工高 性能混凝土；(2)加大 了钢筋笼保护层厚度，净保护层厚度达 7 5 mm。1 4 施工要求上的特点(1)为了防止海水对桩基钢筋笼及桩 身混凝土 的影响，要求采用淡水泥浆成孔，淡水拌制混凝土；(2)考虑到海上恶劣施工环境的影响，群桩平面 偏位2 0 0 mm，排桩平面偏位 1 0 0 mm。2 海上钻孔灌注桩施工工艺特点 2 1 钻孔工作平台的设计与施工 水上钻孔灌注桩施工一般都设有钻孔平 台，固 定式平台是常见的一种结构型式，而海上钻孔平 台 有所不同。(1)要受波流作用，当考虑 风暴 潮影响时，这种 作用十分强大，经计算表明，波浪力是海上平台结构 稳定性设计的控制荷载。(2)因为要考虑平 台作业 面避免受波浪影响和 护筒 内保持足够的水头，海上平 台顶面标高比一般 平台要高 出许 多。该海域 1 0 0年一遇 的高潮位 为+3 7 3 I I 1，施工中平 台设计顶标高为+9 0 I I 1。(3)因为远离陆地，海上平 台既是生产基地 又是 生活基地，因此平台面积 比一般平 台大许多，本工程 平台的平面布置如图 1 所示。维普资讯 http:/ 2 0 0 6 年第 3期 应虹等：海上钻孔 灌注桩的施工技术 图 1 平台平面 布置(4)从设计的角度看，调查研究水文水力环境，确 定合适 的设计洪水频 率，是一 个关系到技术、安 全、成本的重要问题。在综 合考虑 的基础上，本工程 平 台取了 5 O年一遇的设计洪水频率。(5)因为受风浪潮的影响，平台搭设十分困难，是采用常规的插打钢管桩搭设平 台，还是采用导管 架平台，是技术与成本方面值得 比较的一个问题。根 据海上水文、气象、地质条件等特点，本工程采用了 插打钢管桩搭设平台方案，并采用简捷、高效的施工 工艺搭设钢管桩固定式施工平 台，加快 了施工进度，保证 了施工安全，与同在海上的导管架平台或整体 浮运式平 台相 比，本方案节约成本 约 1 5 0 0元 m ，取得 了 良好 的经济效 益。固定式施 工平 台见图 2 所 示。l tttttTttttt Tl T Tt tft T Tt f1t 1 T T T T ff T T tt tt t，t TT f T ff ttt t ttt tttftt T T)I )l j)l ()I )j )I l )I )I jc m n I l_ l l l J 几 r l I l l J l l l m 1 ll l l 5=8mm钢板，l 1：!I：l)、l I 2 8 a工字钢 4 、两排单层 贝雷、一 I 3 6 a扁担梁 J L l、6 0 c m联接钢管 户 r -、_ O 1 2 0c m 钢管桩，-_。I _ 、b 团 田 I v-330 团 v-370(-400)2 2 钻 孔施 工 2 2 1 护筒施工 根据桥位处地质条件，护筒需穿过淤泥层，支承 在密实度较好的淤泥质粘土层上。护筒的顶面标高 也由上述原则 确定，这样，护筒长度在 3 6 4 2 I T I 左 右，护筒重约 1 t m。根 据施工技术规范要求，直径为 2 5 IT I 的桩基 用直径为 2 9 I T I 的钢护筒。钢护筒采用振动打桩锤 插打，而限于平 台上 的起 吊能力，又只能分节施打。施 工 规范 规定护 筒 的倾 斜度 不大 于 1，但长 为 4 0 m、直径 2 9 m 的护筒，即使达到 1 的倾斜度也 不能保证钻机按设计位置顺利钻进。也就是说现有 规范这一条规定 已不能满足海上施工需要。如果护 筒直径不变，护筒倾斜度必须不大于0 5 才能保证 钻机正常钻进。用振动打桩锤分节插打护筒，要保证 这样高的倾斜度要求是有一定难度的。因此采取了 维普资讯 http:/ 公 路 2 0 0 6 年第 3 期 以下措施。(1)用刚度好、安装精 度高的双 层导 向架精 确 定位。(2)护筒长度分节原则是：按平台上起重设备(5 0 t 履带 吊)的起吊能力 将护筒分成 3 节；为了减小波浪对护筒垂直度的影响及保证上 下两节护筒的焊接质量，第一节护筒尽量不要入水 或少入水，因此第一节护筒长度按 9 IT I 设计；两节护筒的长度确定原则，第二节护筒接长 后，两节护筒的长度保证有一定的入土深度，使护筒 在波流荷载作用下能保持稳定，因此，第二节护筒长 度按 1 6 1 8 m考虑；(3)护筒在平台上接长后，低平潮时入水(振动)下 沉。2 2 2 护筒内水头 按规范要求，当处于 潮水地区时，护筒应高于最 高施工水位 1 5 2 0 m，并应采用稳 定护筒内水头 的措施。其含义是要求采取措施，使护筒 内水头始终 高出潮水位1 5 2 0 I T I。但在海上要采取连通管或 倒吸虹管的方法，保持护筒 内水头是十分困难的，即 使在泥浆船上采取这些措施，也 因泥浆船 无法锚泊 而不可能实现。其实，护筒内到底应有多高水头，应根据地质、成孔方法、护筒入土深度、泥浆质量等具体情况酌情 而定，而不应是 一个定值。道理很简单，如果用全护 筒钻进可以不用水头。东海大桥按上述原则设置钢护筒后，采用优质 泥浆，反循环成孔，在整根桩的钻进过程中都能保持 护筒 内水头 比高潮水位高 1 O 1 5 m。即采用静态 水头成孔，简化了成孔工艺，加快了施工速度。2 2 3 钻孔泥浆(1)泥浆配制。海上钻孔桩成孔施工的泥浆必须满足优质、防 腐蚀要求。制作这种泥浆有两种方法。方法一：在成桩施工全过程采用淡水泥浆。泥浆 配合比为：淡水 1 0 0 k g；膨润土 8 k g C MC 0 0 0 3 k g；聚丙 烯酸铵 0 0 0 3 k g；纯碱 0 0 3 k g。按 上面配合比制作的泥浆测试的性能指标为：比重 1 1 2 g ml；含砂率1；失水量1 7 ml 3 0 mi n；粘度 1 8 2 2 S；净切 力 3 2 g c m。；胶体率 9 8 5 ；泥皮厚度 1 5-2 0 mm；p H值 9。对于淡水泥浆 中淡水来源也有几种方案：方案 一是岸上的 自来水 用船运至旌工平 台；方案二是海 水淡化；方案三是在施工点就地打井钻取淡水。通过 对三种方案进行分析比较，方案一较为经济。方法二：直接利用海水造浆。由于海水中含盐较 多，不能采用淡水泥浆配方制作海水泥浆，必须在海 水 中加入一定的外加剂(主要是增粘剂)，以免泥浆 出现絮凝物质，确保泥浆的各项性能指标满足施工 规范要求，同时还能消除海水中氯离子的影响。海水 泥浆配合比为：海 水 1 0 0 k g；膨 润 土 1 O k g；C MC 0 0 0 3 k g；P AC 0 0 5 k g；纯 碱 0 0 5 k g。按配合比制作的泥浆测试的性能指标为：比重 1 1 3 g ml；含砂率1 5；失水量9 8 p I-I 值 8 1 0。实践表明：若一清泥浆指标达到要求，二清最少 可缩短4 6 h。(2)一根 1 0 0余m 长、重达4 0余t 的基桩钢筋笼 分 7 节安装。本项 目采用“靠模法”节段拼装制作钢 筋笼，结合等强直螺纹连接新工艺，单根桩钢筋笼安 装时间 比采用常规 工艺节 省8 h，拼装 过程 见图 4 所示。(3)采用两艘性 能稳定的 1 0 0 m。h全 自动混凝 土拌和船同时浇注水下混凝土，以加快浇注速度和 避免因混凝土供应而产生断桩事故。2 4 桩底压浆 试桩结果表明，通过桩底压浆可提高 基桩的承 载力，因此，东海大桥的钻孔灌注桩均进行了桩底压 浆。在实际施工中，我们利用声测管进行桩底压浆，一物二用，方便而有效。3 桩基施工中出现的质量问题及处理方案 3 1 护筒 问题 桩基钢护筒设计 内径为 2 8 6 m，护筒外壁设竖 向、环向加劲槽钢，钢护筒上下 口采用 2 0 mm厚 的 钢板，钢护筒允许平面偏差为 5 0 mm。所谓钢护筒问题，是指 因钢护筒 的倾斜、变形以 及测量对位操作所 引起的钻头刮护筒、卡钻、钻头出 不了护筒等 问题。实践表明，影响施工进度和工程质 量的主要 问题是钢护筒 问题。3 1 1 护筒 问题产生原因分析(1)钢护筒倾斜度。造成钢护筒倾斜度较大的主要原因是：风、浪、潮环境对钢护筒导向的影响；钢护筒加工质量影响。施工 中发现，少数钢护 筒的上下 口所在截面与护筒中轴线不垂直，对接时 两节护筒轴线很难处在一条直线上，若要调在一条 直线上，则护筒对接 口处缝隙会很大，难以保证焊接 质量；施工过程控制不当。在护筒振沉现场；若导向 架安装不垂直，上下两节护筒连接不垂直 以及护筒 下放时间选择不当等，均可能影响护筒的倾斜度。(2)钻头刮护筒。造成钻头刮护筒的主要原 因是：钻机开孔对位时，仍按理论桩中心线对位，未 考虑钢护筒的实际倾斜度；维普资讯 http:/ 公 路 2 0 0 6年第 3 期 第 一步：l钢 筋笼主筋一端滚扎长丝 口 2根据配料要求绑扎第 一 底节钢 筋笼 3将直螺纹套筒旋人长丝口端 第 二步：l以底节钢筋笼为模具，定位倒 数第二节钢筋 笼主筋 2逆时针旋转底 节钢 筋笼套 简，使之旋人第二 节钢筋 笼 第三步：l绑扎倒数第二 节钢 筋笼 2在两节钢筋笼对应钢 筋上作 标记 底 钢筋笼 底节钢筋笼 倒数第二 钢筋笼主筋，、L_ _ _ l l 长螺纹 垫 Jr，r J r rf r_ I t|l tl I tt t|f l|直螺纹套筒 加劲圈 _-_一、t r，_-、I J V V U I I ll v 第四步：l顺时针旋转套 筒，直至套简全部旋回底节钢筋笼 2移开底节钢筋 笼 3 从第一步开始以倒数第二节钢筋 笼 作模具绑扎倒数第三节钢筋笼 这样以此类推 完成钢 筋笼的制作 底节钢筋笼 倒数第二节钢筋笼 底节钢 筋笼 倒 数第二 节钢 筋笼 图4“靠模法”节段拼装制作钢筋笼 开孔前未能准确测量 出钢护筒 的实际倾斜度 和倾斜方 向；当钻头刮护筒 时不能准确判断 刮护筒的方 位，即使判断了方位，也不能提钻重新扫孔钻进，而 是在原位置平面移动。(3)护筒底 口变形。造成钢护筒底 口变形的主要原 因是：钢护筒振沉过程中底 口遇异物；钢护筒起 吊操作不当引起变形；钢护筒加工粗糙。3 1 2 对于钢护筒 问题所采取的措施(1)加强钢护筒加工质量和加工精度的检查；(2)优化施工组织，确保第一、第二节钢护筒在 口 平潮时振沉；(3)钢护筒振沉前对桩位处用电磁铁打捞可能 在平台施工时掉入水 中的金属物；(4)钢护筒在从运输船转至平 台以及从平台起 吊护筒时，必须采用两点或多点起吊，并加强护筒上 下 口的加强保护措施。3 2 断 桩 问题 在成桩 过程 中，由于 以下原 因 曾发生 过两 次 断 桩：(1)混凝土拌和船故障；(2)成孔后停置时间过长，在承压水作用下，孔 壁失稳塌孔(波及数根桩)后被迫停止混凝土浇注。对这些桩的处理方法，曾进行过多次讨论，也颇 维普资讯 http:/ 2 0 0 6年第 3 期 应虹 等：海上钻孔 灌注 桩的施工技术 有争议。最后的处理方法是利用旋喷桩施工原理，钻 孔至断桩部位用高压水反复旋转切割，再用微 型气 举反循环清孔器清孔，最后高压压浆，如图5所示。图 5 高压旋 转射 流切割断桩层示意 实践证明，这个办法基本上是可行的，处理后桩 基检测结果均可达到 B类桩。而该方案的难点是钻 孔，在混凝土上钻近百米的孔，垂直度较难控制。对于波及数根桩范围的塌孔处理方法同样有争 议。最后采用的先填砂，再在桩周单管旋喷水泥浆加 固，处理结果非常成功。对上述处理方法争议的原 因之一，是因为 目前 国内普遍采用的“旋喷法”处理地基的深度不超过4 O m，而上述事故桩的处理深度均超过 了这个限度。也 就是说，直接利用国内的旋喷机械和 旋喷作业队伍 至少在 目前是不可能解决这个问题的。而我们根据 旋 喷桩施工原理，直接利用施工现场 机械设备(钻 机、高压水泵、高压压浆机)解决了这个问题。在设计、施工时，直接采用“四新”获得成功是技 术进步，解决工程实施过 程中产生的难题也是一种 进步，而在某种意义上讲，是更有意义的技术进步，因为任何一项工程的实施 不可能不产生问题，而解 决这些 问题往往是没有现成经验可借鉴的。4 海上钻孔灌注桩施工组织管理，4 1 计 划管 理 海上施工 目前还没有合适的、成熟的施工定额。由于气候原因，真正的作业时间，一年中只有半年多 一点。因每个月的气候不同，很难做到均衡施工，这 就为劳动力计划和机械计划安排带来一定困难。劳 动力不足或剩余都可能会发 生，机械设备不足或停 机待命时间过长的现象也同样有可能发 生。这种情 况反过来 又会影响进度计划的执行，对成本控制也 会产生负面影响。为了克服因海上不利因素给计划管理带来的难 度，我 们根据指挥部节点计划，制定了季度、月、周、日计划，达到以 日保周，以周保月，以月保季度，以季 度保节点计划的管理 目标。4 2 船舶、机械设备管理 海上工程施工，船舶及大型机械设备投入很多，其成本占工程造价的 5 O 左右，这是与内河施工所 不同的。因此，海上船机设备的管理是成本管理的重 要组成部分。海上钻孔灌注桩施工投入的主要设备 除钻机外，还有拌和船、水上浮吊、履带 吊、泥浆船、运水船、砂石料运输船、交通船、发电机组 以及 小型 机具设备。为了加强海上船机设备 的管理，我们专 门设立 了两个部门，由船舶部负责管理 自有大型船舶，由船 机部负责管理外租船机设备。两个部 门根据实际施 工需要编制大型设备的需求计划、进退场计划、船机 保养、保修计划以及使用调度方案等。4 3 安全管理及其他管理 在宽阔的海面上，一座钻孔平台就是一座孤岛。要在孤岛上生产生 活，需要解决的 问题 很多，如交 通、生活给 养及 生产资料的运输、通讯、船舶机械使 用调度、海上交通安全、防风防台措施等等，无论对 人、船舶 机械还是工程本 身，困难 和风险是不言而 喻的。为了克眼海上管理工作的难度，我 们成立了专 门的安全管理领导小组，建立了安全管理网络组织 机构，针对钻孔桩施工的全过程，编制 了各项安全预 案和应急预案，并做 了实地演习，取得 了良好效果。同时，为了适应海上工程建设的需要，培养一支训练 有素的施工作业队伍，成立严密、精干、高效、专业的 组织指挥机构是必不可少的组织保证。5 有待进一步研究的问题 在海 上钻孔灌注桩施 工中尽管做 了不 少的工 作，但还不完善，需要进一步改进和提高。针对不足 之处，我们提出以下几点建议。(1)加强对海上大规模钻孔平台的动 力特性分 析，如地震、风荷载反应分析，提高钻孔平台在海上 恶劣 自然环境 中的稳定性，以确保海上施工 的顺利 进行。维普资讯 http:/ 公 路 2 0 0 6 年第 3 期(2)平台要 受波流作 用，当考虑风暴潮影响时，这种作用十分强大。如何计算和考虑对海上平台的 影响，需要进一步研究。(3)应加强对混凝土的配合 比试验、试桩试验、泥浆指标试验的分析，并与现场旋工情况进行 比较，提高试验结果的可靠性与实用性。6 结语 海上钻孔灌注桩施工同内河工程相 比在技术上 具有一定难度，但只要掌握其特点，这些困难都是可 以克服的。我们在海上钻孔灌注桩的施工中，无论是 钻孔平台设计施工，还是成孔、成桩工艺上都取得了 许 多宝贵经验，钻孔 桩检测结果 A类桩达到 9 2 。通过精心组织和科学管理，提前 半个月完成了 桩基旋工的节点计划。从钻孔 工作平台搭设到钻孔灌注桩施工完成，由于安全管理措施得力，三座辅通航孔桥未 出一起 人员伤亡事故及船机设备安全事故，并总结 了一整 套海上施工的安全管理办法，为以后的海上施工提 供了宝贵经验。Co ns t r u c t i o n Te c h no l o g y o f M a r i t i m e Bo r e d Ca s t -i n-pl a c e Pi l e s YI NG H o ng ZHOU Xi an n i an ZENG Yu e (1 R o a d&B r i d g e S o u t h e r n C h i n a E n g i n e e r i n g C o ，L t d ，Z h o n g s h a n 5 2 8 4 0 3，C h i n a；2 R o a d&B r i d g e Ea s t C h i n a En g i n e e r i n g C o，Lt d ，S h a n g h a i 2 0 0 1 3 5，C h i n a)Ab s t r a c t：Co ns t r uc t i o n s c h e me s a n d t e c hno l o gi e s f or ma r i t i me b r i dg e s d i f f e r a l o t f r om t ho s e f o r b r i dg e s on i nl a nd or a c r os s i n l a nd r i ve r s du e t o e f f e c t o f ma r i ne c l i ma t e，t i de a n d wa v e s Thi s pa p e r a i ms t o e n r i c h bui l d i ng e xp e r i e n c e f or o f f s ho r e bo r e d p i l e s t hr o ugh s t u dy i ng a n d s umma r i z i n g t h e c o ns t r u c t i o n t e c h n o l o g i e s o f ma r i t i me b o r e d c a s t i n p l a c e p i l e s o f Do n g h a i S e a C r o s s i n g P r o j e c t a n d Ha n g z h o u Gu l f Cr o s s i n g P r o j e c t Ke y wo r ds：s e a a r e a；b or e d c a s t i n pl a ne p i l e s；c o ns t r u c t i on 四 渡 河 特 大 桥 设 立 无 线 数 字 监 控 系 统 日前，一套无线数字监控 系统在路桥集团国际建设股份有限公司湖北沪蓉西第十六合同段施工现场正 式投入使用，该系统的建成将大桥施工现场纳入全面监控，有力地促进了工程安全和质量的有效管理。湖北沪蓉西第十六合同段 四渡河特大桥是一座主跨 9 0 0 m 的悬索桥，位于湖北 巴东野三关 四渡河峡谷 区，周边地形地貌极为复杂，悬崖峭壁，极为陡峭，尚有人迹罕至之处，且多处均为溶岩和溶洞，具有突出典型 的高 山峡谷悬索桥施工特 点。大桥跨越深达 5 0 0多 m 的四渡河大峡谷，恩施岸项 目部和宜 昌岸工区相距 4 O多 k m，交通极为不便，给管理带来了一定的难度。同时四渡河特大桥施工难度大，科技含量高，混凝土浇 筑方量大，工艺复杂，长期处于高风险状态作业，特别是悬索桥 的上部结构施工，这就对安全、质量提出了极 为严格的要求。无线数字监控系统 由安装在施工现场的全天候智能摄像机和监控 中心组成。摄像机能够对施工现场进 行多角度的拍摄、录像，并将现场采集到的信号通过天线传输至监控中心，这样管理人员不用到现场就能够 清晰地观测到 四渡河大桥的整个施工场景。除 日常的检测护理外，该监控 系统通过彩色图像观察、声音交流、遥控指挥现场施工等综 合形式，能合理 有效地控制施工安全、质量和进度，避免和减少因突发性灾难导致的人员伤亡、财产损失。维普资讯 http:/