鄒 威

(深中通道管理中心，廣東 中山 528400)

0 引言

跨海建橋，工程自然條件差，施工技術難度大。特別是對于海中超長樁基施工[1-3,8]，其地質復雜；樁基成孔難度大；樁基嵌巖深度大，基巖強度高，入巖鉆進施工難度大、風險高；砼灌注施工難度大。目前各地為加強地域連接，促進經(jīng)濟發(fā)展，正建立起更加便利的交通網(wǎng)絡。不管是山區(qū)、跨江河以及跨海工程，超大跨徑懸索橋正不斷涌現(xiàn)，對超長樁基施工的關鍵技術已有較多研究成果及可供借鑒的施工經(jīng)驗，但在復雜海相環(huán)境下，海中超大跨徑懸索橋超長樁基施工技術仍面臨諸多新的技術挑戰(zhàn)。

1 工程概況

伶仃洋大橋為跨徑580m+1666m+580m的H型雙塔三跨連續(xù)漂浮體系的整體鋼箱梁懸索橋，大橋主纜矢跨比為1:9.65，通航凈高76.5m，橋面離水面最高處為92m，是目前世界上橋面最高的海中大跨徑懸索橋，也是世界最大跨度三跨連續(xù)懸索橋。伶仃洋大橋是全離岸結構，兩個錨碇位于海中，國內(nèi)外罕有類似工程案例供參考，因此設計施工經(jīng)驗不足，橋梁建設面臨新的挑戰(zhàn)。

圖1 橋型布置

伶仃洋大橋西索塔基礎采用56根直徑3m的鉆孔灌注樁，并以鋼護筒作為耐久性結構，按照嵌巖樁設計，設計樁長108～136m，平均樁長123m，樁底全面嵌入花崗巖1m。索塔基礎平面如圖2所示。

圖2 索塔基礎平面

2 地質水文情況

2.1 地質條件

西索塔覆蓋層為第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4me)的雜填土、第四系全新統(tǒng)海相沉積層(Q4m)的淤泥(淤泥質粉質黏土)、粉質黏土及砂土和第四系晚更新統(tǒng)晚期陸相沉積層(Q3al)淤泥質土、粉質黏土及砂土，厚度13.4～42.0m。西塔基礎整體位于F4斷層破碎帶中，受裂影響下部角礫巖厚度較大，平均厚度達到80m，巖質較差體破碎泥化現(xiàn)象嚴重，呈不均勻狀態(tài)，局部存在泥質膠結為主的軟弱夾層，泡水易化、崩解，強度降低。樁位處的地質情況如圖3所示。

圖3 橋位處的地質情況

2.2 水文條件

本海區(qū)潮流屬于不規(guī)則半日潮類型，潮流呈往復流運動形式，受上游徑流影響，流速多為落潮流速大于漲潮流速，表層流速大于底層流速。橋位區(qū)域流速較大，大潮落潮時表層最大流速超過1.1m/s，同時，垂線平均流速也超過了0.5m/s。漲落潮流向基本受地形控制，落潮流向以S偏E為主，漲潮流向以N偏W為主。平均潮差0.85～1.70m，最大潮差2.30～3.22m，最小潮差0.04～0.13m，平均潮差、最大潮差和最小潮差的變化均自南向北逐漸增大。

3 施工的特點及難點

3.1 航道問題

施工區(qū)域穿越伶仃洋航道及龍穴南航道，海事安全管理面廣闊，通航水域交通安全較復雜。

3.2 樁基穿越較深角礫巖層

基巖巖性主要為角礫巖(泥化)、角礫巖(碎塊狀)、角礫巖、碎塊狀中風化花崗巖、中風化花崗巖，角礫巖層下游平均70.7m，上游平均85.2m，樁底入花崗巖不小于1倍D(≥3.0m)。角礫巖的飽和單軸極限抗壓強度為11.4～11.5MPa，碎塊狀中風化花崗巖的飽和單軸極限抗壓強度為23.7～39.6MPa，中風化花崗巖的飽和單軸極限抗壓強度為25.6～69.8MPa。

3.3 混凝土灌注

單樁基混凝土灌注方量大，依靠海上拌合樓，砂石料、水等原材料質量難以保障，且泵送路徑長，彎管設置數(shù)量較多，易造成堵管等風險。

3.4 泥漿配制

施工區(qū)域受半日潮、季節(jié)性影響海水咸度以及深厚角礫巖層，導致大面積泥漿與海水交換，泥漿難以穩(wěn)定。

3.5 海床面下切問題

索塔南側與龍穴南水道交界處東邊存在一處吸砂區(qū)域，原有的海底地貌已完全被破壞，最深處河床標高-16.8m。

3.6 樁基成孔

本工程樁基直徑3m，最大設計樁長136m，成孔深度達150m，鉆孔垂直度控制難度大，特別是地質勘查資料顯示該區(qū)域存在斷層破碎帶，鉆進及清空過程中容易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。

4 鉆機設備及鉆頭型式

根據(jù)樁基樁徑大、地質情況復雜等特點，西索塔樁基施工配置KTY-4000 型及中銳-4000型兩種全液壓回轉鉆機進行成孔施工，并配備四翼刮刀鉆頭、重型刮刀鉆頭、筒型重型刮刀鉆頭以及滾刀鉆頭。

5 樁基鉆進過程分析

5.1 首輪鉆進

第一輪鉆進10根樁基，總方量約1萬m3，平均樁長120m，采用4種類型鉆頭鉆進，進行工藝比選。

5.1.1 鉆進效率

首輪鉆進時間：從2018年11月5日至2018年12月14日，平均成孔時間約37d，有效成孔時間約25.5d，有效鉆進平均進尺4.89m/d，平均進尺3.38m/d。由于角礫巖層較厚，最厚處達到90m，施工過程中通過四種鉆頭分別在角礫巖鉆進速度對比，以指導后輪樁基施工鉆頭選型。首輪鉆進效率及不同類型鉆頭在角礫巖層的鉆進效率對比見表1和表2。

表1 首輪鉆進效率

樁基采用ZJD-4000全液壓反循環(huán)鑿巖機，壓力≥6MPa、扭矩≤2 000N·m、轉速≤10r/min。

根據(jù)首輪樁基鉆進效率分析，輕型刮刀主要用于覆蓋層，重型刮刀及筒鉆鉆頭用于角礫巖層，滾刀鉆頭用于中風化巖層。

表2 不同類型鉆頭在角礫巖層的鉆進效率對比

5.1.2 首輪異常情況

在首輪樁基施工過程中，分別出現(xiàn)N20樁基塌孔埋鉆、N21樁基反復漏漿及N23樁基鉆頭掉落等情況，其余樁基情況正常。

5.1.2.1 N20樁基塌孔埋鉆[5]

N20樁基設計樁長130m，經(jīng)過33.5d鉆進終孔。由于調漿時間的耽擱，在成孔2周后突然發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)水頭降低，經(jīng)測量孔深縮短26.5m，提鉆無果，立即進行回填處理。塌孔后，采用超聲波探孔儀發(fā)現(xiàn)在圓礫層-粗砂層出現(xiàn)塌孔。塌孔原因：

(1)N20樁基出現(xiàn)異常后，對附近的地質進行了補充勘察。補勘地質顯示實際鋼護筒底部位于淤泥質粉質黏土層，距下層粉砂層約5.41m，與前期勘查結果差異較大。

(2)N20樁基成孔過程中，造漿水質含鹽量變化較大，泥漿穩(wěn)定性差，泥漿護壁作用效果不理想。

(3)成孔后泥漿膠體率為82%，成孔2周后仍在進行泥漿調試。

5.1.2.2 N21樁基漏漿

N21樁基設計樁長136m，鉆進46.5m位置時出現(xiàn)泥漿滲流，滲流速度1m/h，漏漿位置在護筒底端(標高-29m)，采用淤泥回填。靜置2個月后重新開鉆，在鉆進27.2m位置出現(xiàn)漏漿，漏漿位置的地層為淤泥質粉質黏土(標高-35.2m)，采用灌注水泥漿后，繼續(xù)鉆進；在鉆進115.9m位置時再次發(fā)現(xiàn)漏漿，漏漿位置的地層為角礫巖(標高-123.9m)，回填黃泥至-39.5m位置，并接長12m鋼護筒。漏漿原因：

(1)鉆機鉆頭摩擦護筒腳，對護筒腳產(chǎn)生擾動。

(2)冬季海水含鹽量大，漏漿位置處地層空隙大，孔壁外側海水中礦物離子與泥漿中的離子交換，對泥漿護壁泥皮的形成產(chǎn)生影響。

5.1.2.3 N23樁基掉鉆

N23樁基設計樁長132m，鉆進42.5m位置時出現(xiàn)掉鉆，鉆頭為重型刮刀，鉆桿第15節(jié)風包鉆桿由于老化疲勞而發(fā)生斷裂；在成孔調漿時，法蘭盤螺栓被剪斷，發(fā)生掉鉆，鉆頭為滾刀鉆。

5.1.3 異常情況處理

5.1.3.1 N20樁基塌孔埋鉆

初步摸查塌孔情況后，及時進行回填?；靥罘謨蓚€步驟：首先采用中粗砂回填至基巖面以上2m，回填高度62m；再采用海泥回填至護筒底標高以上10m，回填高度24.5m。待回填物沉積密實后沿樁周均勻布置4個補勘孔，探明塌孔的具體范圍。根據(jù)補勘情況進行鋼護筒接長跟進16m，下沉至基巖面，實際鋼護筒腳位于基巖面上3m位置的圓礫層。初步處理后，對N20及周邊樁基進行注漿處理。

對N20樁基布置2層注漿孔，第一層沿護筒外0.6m，共19個；第二層沿護筒外1.2m，共24個；單孔旋噴直徑0.8m，孔間距0.75m。對N20周邊樁基布置1層注漿孔，沿護筒外0.3m，共25個。單孔旋噴直徑0.55m，孔間距0.5m，注漿范圍為基巖面以下1m位置往上10m。加固完成后，后續(xù)進行清孔取鉆，最后重新成孔。

5.1.3.2 N21樁基漏漿

根據(jù)補勘地質揭示，實際鋼護筒腳位于粗砂層，且在底部以下4.4m出現(xiàn)3.3m厚的淤泥質粉質黏土層，漏漿位置出現(xiàn)在護筒底部及淤泥質黏土層。出現(xiàn)漏漿情況后，不斷進行泥漿循環(huán)，保證水頭差在2m左右，進行黃泥回填及鋼護筒接長處理。

5.1.3.3 N23樁基掉鉆

根據(jù)N23樁基鉆進過程中出現(xiàn)的異常情況，對風包鉆桿進行了更換，同時更換了現(xiàn)場所有的舊螺栓，最大限度避免鉆進過程中鉆桿老化及螺栓剪斷問題的出現(xiàn)，確保鉆進過程順利進行。

5.2 鉆進計劃及措施調整

5.2.1 鉆進計劃調整

由于N20樁基塌孔埋鉆,影響上游側樁基施工，考慮優(yōu)先或滯后施工N20樁基，結合N20周邊尚未施工的樁基，對后續(xù)鉆進計劃進行了動態(tài)調整。

5.2.2 鉆進措施調整

(1)根據(jù)第一輪鉆進效率選定鉆頭類型，避免因鉆頭異常的額外提鉆時間，提高成孔效率。

(2)加強鉆孔過程中泥漿指標的控制，保證泥皮質量，優(yōu)化泥漿調漿施工組織工作，提前2～3d開始調漿，保證工序連續(xù)性。

(3)加強鋼護筒外覆蓋層鉆進速度控制，確保覆蓋層在護筒外采用慢速鉆進工藝，保證護壁質量和成孔安全。樁基鋼護筒采用ICEV360振動錘，采用貫入度及設計標高雙控，貫入度10cm/min左右，穿透淤泥層不小于3m，且鋼護筒底部設置韌腳加強段。

(4)在長角礫巖層的鉆進采用減壓吊鉆工藝，嚴格控制孔底壓力，減少鉆桿斷裂的風險。

5.3 成孔過程控制

5.3.1 成孔質量控制[6]

由于西索塔處于地質斷裂帶上，樁基穿過深厚斷裂地層，首輪鉆進過程中通過對鉆頭型式、鉆壓控制、扶正器設置等措施，主動對鉆進成孔質量進行控制，最終采用桶型截齒形鉆頭+扶正器(設置在距離鉆頭12m左右位置)，及采用減壓鉆進工藝，有效控制成孔垂直度。

5.3.2 泥漿調制[4、7]

泥漿質量管理是鉆孔作業(yè)中十分關鍵的一環(huán)。在施工區(qū)內(nèi)設立現(xiàn)場工地試驗室，專人負責，隨時調整泥漿性能并記錄備案，滿足現(xiàn)場要求。泥漿試驗定時檢測1次/2h，根據(jù)鉆進地層的不同作出相應處理。清孔時采取換漿法，泥漿控制指標見表3。

表3 泥漿控制指標

施工區(qū)域受半日潮、季節(jié)性影響海水咸度以及深厚角礫巖層導致大面積泥漿與海水交換，泥漿無法穩(wěn)定。在前兩輪樁基鉆進過程中及成孔后，按照配比添加造漿材料，施工過程中發(fā)現(xiàn)泥漿指標持續(xù)不穩(wěn)定，特別是成孔后減小泥漿循環(huán)時泥漿指標穩(wěn)定性極差，無法滿足清空條件。經(jīng)過多次調配試驗及造漿材料的選取，添加膨潤土、純堿、燒堿、CMC、PAC等造漿材料，特別是采用一種抗鹽類藥品PAC，確保了泥漿性能的穩(wěn)定，滿足樁基清孔條件要求。海水及淡水配制泥漿指標見表4。

表4 海水及淡水配制泥漿指標

5.3.3 成樁灌注

西索塔單根樁基最大灌注方量超過1 000m3，首根N7樁基952m3，采用兩條砼拌合船3條供料線供料，由于設備故障共灌注18h。首樁灌注后采用4條供料線，并增加1條備用，加強設備產(chǎn)前檢查，保證樁基順利灌注，后續(xù)第一、二輪樁基平均灌注時間縮短至8.5h，未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

6 結語

(1)對首輪樁基在不同地層選用不同鉆頭，通過鉆進效率分析，特別是在角礫及中風化巖層的鉆進進尺，輕型刮刀主要用于覆蓋層，重型刮刀及筒鉆鉆頭用于角礫巖層，滾刀鉆頭用于中風化巖層，并且發(fā)現(xiàn)在角礫巖層筒鉆鉆頭效率速度最快、效率最高，減少換鉆耽誤的時間，提高鉆進效率。

(2)對首輪樁基鉆進異常情況的分析及處理，有效指導了后輪樁基鉆進的過程控制，特別是對漏漿的處理、掉鉆的防控以及塌孔埋鉆的預防，及時采取相應的措施，并對鉆進計劃進行調整。

(3)施工區(qū)域受半日潮、季節(jié)性影響海水咸度以及深厚角礫巖層導致大面積泥漿與海水交換，泥漿性能不穩(wěn)定。通過在泥漿中添加抗鹽劑藥品，并在成孔前2～3d開始調漿，確保終孔時泥漿調漿完成，保證工序的連續(xù)性。

(4)由于單樁砼方量較大，采用砼拌合船配送供料富裕度較小，易出現(xiàn)混凝土配送跟不上現(xiàn)場需求甚至斷供的情況，砼澆筑應做好充分準備，確保砼供應穩(wěn)定。此外，砼泵管線路較長，應減少彎管數(shù)量，管線盡量順直，減小堵管風險。