在沿海冲刷条件和其他一些特殊的地质条件下, 海床无覆盖层或覆盖层较薄, 插打的钢管桩无法稳定。若裸露的基岩倾斜, 则钢管桩更无法自稳。进而造成钢管桩和钢护筒无法形成稳定的施工平台, 钻孔桩设备无法驻位。因此, 需要对常规的施工工艺进行改进。本文根据富翅门大桥9号主墩的施工方法进行创新改进。

宁波舟山港主通道富翅门大桥采用主跨340m双塔结合梁斜拉桥, 9号主墩基础为262.8m的钻孔灌注桩, 单桩长62m, 桩底处于中风化含角砾凝灰岩, 持力层岩石强度达到68MPa。桩基钢护筒内径均为3.1m, 壁厚20mm, 长度28~40m。

9号主墩处为典型的沿海大斜坡裸岩环境, 局部覆盖有风化砾石, 层厚约为1m, 下伏岩石强度为44MPa。海床面倾角达29°, 群桩基础范围内的水深从22m渐变至36m, 最大流速为落潮流速2.93m/s。相比国内其他跨海大桥, 本工程桩基施工难度极大, 无法按照常规的桩基施工方案组织施工。

在充分调研国内外大型水上设备和工艺方案的基础上, 借鉴国内先进的“长旭号”水上移动施工平台施工经验, 采用搭设并锚固起始施工平台、依托平台逐根种植钢护筒形成钻孔平台的总体方案进行本工程施工^[1]。

起始平台采用打桩船插打并抱桩, 利用钻机钻孔并下放钢筋笼浇筑混凝土锚固, 形成类似“长旭号”的稳固施工平台即可作为起始平台使用。起始平台施工完成后, 利用起始平台悬臂焊接导向架, 将钢护筒吊入导向架。钻机驻位在导向架上, 在钢护筒内钻进一定深度, 在护筒内回灌混凝土锚固钢护筒, 再利用平联结构将钢护筒与起始平台连接稳定, 实现钢护筒与起始平台共同形成稳定的平台^[2,3]。依次施工下一排钢护筒直至结束, 并逐根平联形成稳定的钻孔平台。形成部分平台后, 即可隔孔开钻。

钻孔设备是钻孔桩施工的关键, 也是钻孔平台设计的主要荷载取值来源。根据本工程特点, 宜选用自重轻、钻孔效率高的设备进行护筒锚固和钻孔施工。常规大型群桩选用回旋钻机和冲击钻成孔。回旋钻宜选用CK300以上钻机, 冲击钻宜选用JK-15以上的钻机, 两者质量分别约为80, 25t。经综合比选钻机设备, 选用了JK-15, JK-16冲击钻机。钻机自重25.5t, 冲击系数取1.3^[4]。冲击钻的成孔工效如图1所示。

根据经验和试桩结果, 在钢护筒内冲击跟进工况下, 配置φ3.05m钻头, 形成3.1m的孔径, 可以实现护筒跟进。在钢护筒正常钻孔工况下, 采用φ2.75m钻头钻孔, 形成2.8m的设计孔径。

起始平台主要承担钻孔平台安装的起始锚固和材料堆放作用, 且起始平台的悬臂种植钢护筒是整个平台受力的控制工况 (见图2) 。根据建模分析, 起始平台钢管桩外侧受拉、内侧受压, 在悬臂锚固钢护筒过程中, 锚桩最不利荷载为:轴力N=945k N, 弯矩M=4 228k N·m。根据计算, 起始平台锚固钢筋选用2422的钢筋 (A_s=9 119mm²) 制作钢筋笼, 入岩长度≥3m。

由于起始平台处覆盖层仅1.5m, 且水流较急。因此, 按照栈桥的施工方法, 采用打桩船插打平台桩, 根据计算和实际量测, 插打深度约2.5m (入强风化1m) 。在打桩船抱桩器不打开的情况下, 多功能作业船靠泊附近, 焊接装配式平联, 将插打钢管桩与已经施工完成的栈桥可靠连接。连接完成后, 松开抱桩器, 并依次施工起始平台钢管桩。起始平台施工完成后, 采用隔孔跳钻的方式进行锚固施工。直至完成全部起始平台桩锚固施工。

定位导向架为钢管与型钢组合桁架结构, 导向架分3层, 第1层和第2层高2m, 第2层和第3层高2m。以便于调整垂直度。导向架内设置可以调整钢护筒平面位置和垂直度的双层螺旋千斤顶 (见图3) 。整个导向架高于高潮位, 以确保全天候施工, 提高施工效率。

根据导向架的结构尺寸, 在钢结构加工区进行导向架的加工、制作, 成型后通过平板车运至起始平台。300t起重船驻位于钻孔平台区将起步段第1排共计4根桩基钢护筒导向架吊至起始平台侧面焊接锚固, 同时导向架之间通过平联连接增强导向架整体稳定性。用300t起重船抛锚就位后, 在平潮期依次起吊4根钢护筒, 通过导向架上相应孔位将钢护筒缓缓垂直下放, 下放过程中监测钢护筒偏位和倾斜度, 直至钢护筒底端接触海底时停止下放, 检查钢护筒偏位及倾斜度, 满足要求后用型钢将钢护筒顶部临时限位固定在导向架上。

导向架固定完成后, 将钢护筒吊入导向架内。在悬臂导向架上布置JK-15冲击钻机进行护筒内的冲击作业。经比选, 采用2.95m钻头, 使钢护筒跟进嵌入岩层。冲孔深度入中风化含角砾凝灰岩岩面3m且钢护筒底部跟进嵌入后, 清孔下放导管进行水下混凝土浇筑, 混凝土强度等级为C30, 浇筑高度为超出钢护筒内岩面2m, 使钢护筒锚固在岩层中。钢护筒跟进过程中, 可能存在底部受阻现象, 采用起重船起吊YZ-300液压振动锤 (配夹桩器) 至钢护筒上方, 压锤辅助跟进。护筒种植完成后, 在已完成锚固的钢护筒之间焊接800×10钢管平联, 将已临时固结的平台钢管桩纵横向连接。1~4号钢护筒锚固后用起重船移走钻机, 拆除导向架, 并进行上层2HN588mm×300mm型钢主横梁和2HN588mm×300mm型钢搁置牛腿焊接。再依托主横梁和搁置牛腿, 进行纵梁单层双排贝雷架和分配梁、桥面板安装, 同时四周设置防护栏杆。并依次施工下一排钢护筒, 直至完成钢护筒锚固区钻孔平台搭设。

悬臂冲击“种植”钢护筒是本工程的不利工况, 经结构验算分析, 最大组合应力为178MPa, 受力满足要求, 且稳定性也满足要求。

1) 钻孔顺序研究

结构计算结果表明, 在钢护筒锚固至第3排时, 第1排钢护筒已经可以正常开钻, 并保持平台结构安全。根据工期安排, 单根钻孔桩按1个月工期考虑, 6台钻机同步施工5个轮次即5个月可以施工完成, 满足钻孔工期要求。钻孔顺序直接影响钻孔过程的平台结构安全, 按照“单根开孔、两侧固结”的思路, 避免相邻2个孔同时开钻。因此, 拟定的钻孔顺序如图4, 表1所示。

2) 成孔工艺

冲击钻的工作原理是通过将钻头自身的重力势能转化为冲击动能冲挤土层或破碎岩石逐步成孔, 破碎坚硬岩石时, 冲击荷载的接触应力瞬间达到极高值, 应力比较集中, 使岩石产生变形, 一旦变形超过岩石的硬度极限就会产生裂纹, 继而使岩石破碎^[4,5,6]。本工程成孔分为护筒内和护筒外2部分进行钻进施工。由于护筒内采用回灌细石混凝土进行锚固, 在穿透该部分混凝土后, 孔径两边各剩余15cm混凝土支承钢护筒, 必须确保该部分混凝土不受冲击破损, 因此该部分钻孔是整个钻孔控制的重点。

护筒内钻进按照“小冲程、勤提钻”的冲击原则进行, 单次提钻高度不超过50cm, 同时增大泥浆密度及黏度。进入交界区后, 调整钻头位置, 确保钻头在钻孔及提钻过程中垂直且不碰撞护筒, 以免破坏护筒底口护壁和回灌混凝土, 同时, 有效确保了护筒底口不漏浆。

钻头出护筒交界面2m以后, 即可正常钻进进尺。单个冲程提钻最大≤3m, 一般控制在2m左右。由于本工程存在斜岩面, 为避免斜孔, 每天定时进行锤头钢丝绳的校核, 一旦出现偏差, 即投入一定数量的黏土和片块石, 并且减小冲程钻进, 待通过该斜岩面表层后可正常钻进。

本工程共用时5个月完成了桩基施工。其中钢护筒施工中, 共计制作了4套导向架, 施工7个轮次约50d完成了26根钢护筒种植施工。在施工完成第2个轮次后即开始进行钻孔作业。在施工过程中, 单个成孔时间约30d, 与计划相符。为进一步加快施工进度, 冲击钻机由原计划的6台逐步增加到10台, 共用时4个月完成钻孔施工。钢护筒在整个平台搭设和钻进施工过程中的稳定性是整个方案成功的关键, 尤其是钻进过程中小冲程钻进, 确保了钢护筒锚固混凝土的稳定性, 且在钻孔过程中, 护筒出现漏浆, 桩基平面位置和垂直度均满足规范要求, 且全部为I类桩。