随着全球经济发展, 港口码头逐步向大型化和深水化发展, 大型跨海、跨江桥梁也越来越多。由于港口工程、桥梁工程不断向外海深水海域发展, 嵌岩灌注桩因其承载力高、抗震性好、沉降量小及群桩效应弱等优点, 成为港口码头和公路桥梁建设应用最为广泛的基础形式^[1]。但外海恶劣的自然条件和复杂地质条件给工程结构设计和施工带来了各种难题, 尤其是在外海基岩覆盖层较浅甚至裸露的海床上, 嵌岩灌注桩基在施工期间, 受外海强动力水文条件影响, 桩基钢护筒的稳定性无法得到保证, 也易出现漏浆现象影响成桩质量。

外海裸岩或浅覆盖层条件下, 为保证钢护筒达到设计入岩深度标准, 若采用浮式平台直接振动打桩法进行嵌岩桩基钢护筒施工, 存在以下问题^[2]:

1) 外海深水、大潮差、大风浪条件下, 浮式平台的钢护筒沉放质量无法保证。

2) 钢护筒在振动锤的作用下, 能否嵌入弱风化基岩层设计深度, 钢护筒在振动作用下可能发生卷边, 影响桩基质量。

3) 裸岩条件下, 桩基施工过程中容易发生漏浆现象, 影响施工进度。

目前, 针对外海海域、裸岩条件, 已成功应用于实际工程的嵌岩灌注桩基的施工方法主要有混凝土封底稳桩方案和人工基床稳桩方案。

混凝土封底稳桩方案是通过预设水下钢围堰, 浇筑封底混凝土对钢护筒进行定位和稳桩, 形成以钢护筒为支撑、贝雷梁和型钢为上部承重结构的钻孔施工平台。该方案的主要流程包括:钢围堰的加工与拼装, 钢围堰下放、着床及基脚处理, 钢护筒定位及沉放, 封底混凝土浇筑, 搭设钻孔施工, 钻孔桩施工。国内应用混凝土封底稳桩方案进行嵌岩桩基施工的案例较多, 如京福铁路古田溪特大桥7号墩^[3], 红水河双线特大桥31号墩^[4], 临洪河大桥37号墩^[5]等。

混凝土封底稳桩方案的优点在于钢护筒埋设效果好, 结构稳定, 且在钻孔施工过程中一般不会出现漏浆或松动现象。但钢围堰的施工流程复杂, 难度大, 工期较长, 工程造价较高, 且每个桥梁墩台都需要先进行钢围堰施工, 施工工期必然受到影响。因此, 混凝土封底稳桩方法一般适用于水域水深较浅、流速较慢、工程量不大的工程, 在跨海、跨江桥梁工程桩基中应用较多。

基于混凝土封底稳桩方案, 淳安千岛湖大桥^[6]提出了钢管桩“栽桩”施工工艺, 经进一步改进, 已成功应用于小金山大桥^[7]、武汉新港阳逻码头^[8]等工程。

人工基床稳桩方案是根据海床地质条件, 在裸岩或者浅覆盖层天然泥面上抛填袋装黏土、中粗砂、碎石等材料, 创造人工基床以满足桩基施工期钢护筒的稳定性。人工基床方案的施工流程是基床厚度设计, 抛填人工基床, 然后沉桩并进行桩基钢护筒施工。国内采用人工基床稳桩方案施工的大多为码头工程, 如舟山中奥储运项目码头工程^[9], 洋山深水港区一期码头工程^[10]等都较好地完成裸岩地质条件下的嵌岩桩基施工。

与混凝土封底稳桩方案相比, 人工基床的钢护筒施工流程相对简单, 成本较低, 施工工期较短, 具有较好的经济性。但水上抛填工程量较大, 因此在施工前需详细测量海床数据, 为基床厚度精确计算提供依据, 在施工完成后需挖除码头前沿抛填碎石以保证设计水深。在施工条件较为恶劣 (水深较大、流速较快) 、裸岩或浅覆盖层海床区域工程量较大时, 一般采用人工基床为桩基钢护筒的施工创造施工条件。

上述两种方案都有各自的特点和适用性, 针对不同工程条件、施工环境选择合适的稳桩方法, 对提高工程施工效率、缩短工程、节约工程成本具有重要的指导意义。

因此, 针对外海开阔海域、裸岩或浅覆盖层条件下, 根据具体工程的施工环境条件, 选择不同的施工工艺, 优化桩基施工方案, 对加快工程基础建设速度、节约建设投资具有重要意义和价值。

湄洲湾港某石化码头工程位于福建省湄洲湾黄干岛东北侧海域, 工程主体是高桩墩式码头结构, 平面布置采用蝶形布置。码头前沿的工作平台及靠船墩桩基为1 800mm×25mm钢管混凝土嵌岩桩, 系缆墩桩基为1 500mm×25mm钢管混凝土嵌岩桩。码头桩基总计126根桩, 其中直桩13根, 斜率6∶1的桩9根, 斜率5∶1的桩104根, 需嵌岩的有117根, 包括1 800mm钢管桩66根、1 500mm钢管桩51根。

码头工程所处湄洲湾海域属强潮海区, 根据湾口斗尾站潮位资料分析, 拟建工程海域的潮汐性质属于正规半日潮。由分析斗尾短期测波站资料统计结果和湄州湾地形条件表明, ESE~SSE向外海传来的大浪对拟建码头工程威胁最大, 为设计控制浪向。根据地质勘察资料, 拟建场地内有软弱土层分布, 且局部岩土接触面坡度较大, 存在可能产生滑移的不利结构面。局部地段如工作平台区, 4号靠船墩, 6号系缆墩区覆盖层较浅, 局部地区甚至无覆盖层, 加大了桩基施工的难度。

由此决定了桩基施工需要综合考虑水文地质条件和施工工艺, 工程桩基施工的重点和难点主要有以下几点:

1) 工程区域地质分布情况复杂多变, 部分地段覆盖层较浅, 局部地区为裸露岩面, 且部分岩面坡度较大, 钢护筒稳桩难度极大。

2) 工程所处区域为外海条件, 毫无掩护, 直接受到来自ESE~SSE向传来的大浪冲击, 钢护筒所受水平荷载较大。

3) 工程桩基大多为斜桩, 斜度为5∶1, 加大了护筒定位和稳定难度。

4) 工程所处区域常年受到台风威胁, 施工条件恶劣, 桩基施工风险较高, 进度较难控制。

针对覆盖层比较薄的现状, 通过对比混凝土封底和人工基床两种不同的稳桩方案, 从技术可行性、结构安全性、经济节约和施工安全便捷等方面进行研究论证后, 工程最终确定采用人工基床抛填袋装碎石进行稳桩。具体的施工工艺流程如图1所示。

拟建工程处于外海开阔海域, 人工基床设计施工前, 对施工水域进行水下测量以掌握施工水域水下地形情况, 水下测量工程以GPS与测深仪相结合完成测量, GPS提供平面位置坐标、高程, 测深仪提供该位置水深。通过计算机数据处理, 显示成果并绘制成图。

根据水下测量结果, 对人工基床稳桩方案进行分析, 计算桩外荷载 (水流力、波浪力等) 和稳定性, 确定人工基床稳定厚度。

单根钢护筒沉放后, 主要受水流、波浪荷载及桩倾斜的自重效应。工程水域的设计水文条件为:施工期设计高水位为+7.060m, 最大流速为1.8m/s, 设计波浪H=2.0m, T=7.47s, 设计风速v=13.8m/s。分析工程海域的地质条件, 4号靠船墩附近海床覆盖层很薄, 局部海床基岩裸露, 以4号靠船墩斜桩D6为例通过试算得出最小入土深度从而确定人工基床的厚度。4号靠船墩斜桩D6的计算简图如图2所示。

根据JTS145—2—2013《海港水文规范》和JTS144—1—2010《港口工程荷载规范》, 在设计水文条件下, 单根钢护筒在沉放过程中受到的波浪力、海流力以及风压力的结果如表1所示。

1) 基础性质判断

式中:b₁为基础的计算宽度, b₁=0.9 (d+1) , 圆形截面d为直径;m为地基土的比例系数;EI为基础的计算刚度。取基床厚度h=7m, 满足αh<2.5, 钢护筒可按刚性基础计算。

2) 根据JTG D63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》和JTJ 285—2000《港口工程嵌岩桩设计与施工规程》规定, 计算得出桩侧土应力, 表2为桩侧土应力的计算结果。

根据《港口工程嵌岩桩设计与施工规程》要求, 验算单桩的倾覆稳定性条件, 表3为单桩倾覆验算结果。

通过计算确定, 在设计条件下, 单根钢护筒在h=7m的人工基床上满足稳定条件。由于外海施工环境的复杂性, 人工基床须具备较好的抗振动和抗潮流波浪冲刷的能力, 确保在嵌岩桩基的施工过程中保持一定的稳定性, 不会发生失稳和滑移。同时, 人工基床应当考虑潮流冲刷、沉降、误差及施工流失等方面的影响, 适当增加基床厚度富余量。另外, 由于基岩面无法与斜桩钢护筒的桩尖完全接触, 为防止护筒底部漏浆, 在裸岩地质条件的桩孔位置可先抛填一定厚度的袋装黏土。综合考虑以上因素, 设计人工基床为2层共7m的断面结构, 基床横断面如图3所示:在桩基处原浅淤泥质覆盖层上, 首先抛填袋装砂厚度5m, 然后顶层采用护面袋装碎石厚度2m, 袋装碎石的最小稳定质量60kg, 同时进行基床边坡处理, 边坡坡度为1∶2。

拟建工程处于外海开阔海域, 人工基床施工受潮流、波浪条件影响。工程采用方驳加反铲进行人工基床的抛填施工, 机械重锤进行夯实, 水准仪配合测深导尺进行基床整平施工。

以水下测量数据图为基础, 根据基床抛填厚度、宽度, 制定抛填相应控制网格, 在抛填范围内将整个平面划分为2m×2m的网格小块, 计算网格小块中的抛填高程, 作为控制高程。通过GPS定位、调整抛石定位船, 运石船紧靠定位船进行抛填施工。根据人工基床的断面结构, 首先进行5m厚度的袋装砂抛投, 然后抛投2m厚度的护面袋装碎石。

基床抛填过程分层进行, 每次抛投厚度控制在2m左右, 共分4层。每层抛填工序结束后, 使用机械重锤进行夯实, 夯锤采用圆台形重锤, 由船上履带式起重机进行夯实施工。通过GPS确定夯实船的里程, 并根据基床宽度和船舶自身宽度, 确定施工纵向分条。夯实施工采用均邻接压半夯的施工工艺, 初、复夯各1遍。同时在施工过程中按工序要求进行测量, 以控制各层施工质量。

为保证钢护筒的沉桩正位率, 对人工基床的护面袋装碎石进行整平施工。整平施工采用方驳作业, 船上配备送料小车, 整平刮道采用2根槽钢对扣而成, 并在刮道中间利用小浮鼓吊浮, 以减小刮道挠度, 同时起到标识作用。根据潜水员水下要求, 按轨道顶面标高, 用刮道进行粗平。刮道粗平完毕后, 进行整平导轨的复测工作, 然后再进行一遍刮平、细平工作。

整平工序完成后, 利用水深测量系统对人工基床进行测量, 并与预制的基床抛填断面进行对比, 没有达到基床厚度要求的区域须进行补抛, 符合要求后才能进行钢护筒的沉放施工。

人工基床完成后, 进行斜桩钢护筒的下放工作。通过打桩船上的GPS系统进行初步定位, 采用直角交会定位法对斜桩钢护筒的倾斜度进行精确定位。在定位完成后, 通过打桩船振动打桩使钢护筒下沉至基岩层。同时为确保桩尖不卷边, 对钢管桩进行局部加强, 钢管桩壁厚25mm, 在桩尖内侧和桩顶500mm范围用20mm厚的钢板进行加强, 以使桩尖能尽量进入强风化花岗岩层, 提高桩基稳定性。

沉桩结束后, 为方便后续施工和避免单根桩在风浪较大时受水流及外力冲撞时发生倾斜以至破坏, 对钢管桩进行夹桩处理, 将单根桩用型钢连成桩群。同时利用钢管桩群作为支撑, 在钢管桩上焊接钢牛腿, 底层主梁采用贝雷梁, 上层次梁采用型钢, 铺设面板形成钻机平台。

根据工程斜桩嵌岩桩桩径、孔深及斜率的要求, 选用ZSD-250及ZSD-300反循环凿岩钻机, 配用滚刀牙轮钻头和320mm法兰式钻杆, 在钻杆中间加上扶正器, 每根桩总共加3个扶正器, 防止钻孔倾斜面下垂而影响钻进效率, 保证钻孔斜度与钢管桩外孔径斜度一致。当钻机就位后调节钻机底座和钻架液压杆, 使钻杆和机架的斜度与钢管桩斜度相同, 对中后即可开钻。

钻进时采用清水气举反循环钻进, 一次彻底清孔即可满足规范要求;在覆盖层较厚时采用泥浆护壁工艺, 采用二次清孔, 清孔后孔底沉渣严禁>5cm。成孔达到设计深度后, 先进行检测, 满足要求后方进行清孔。

钢筋笼在岸边制作, 设置上下导向坡, 下口内收, 上口外放。同时将加强箍外置防止下导管时卡到钢筋笼。由于桩基钢筋笼长度不大, 加工时拼装成完整的钢筋笼, 通过运输船运至现场, 由浮吊或履带式起重机安装钢筋笼。

斜桩嵌岩桩混凝土浇筑时, 需对导管进行位置导正, 每隔一段距离设置一节纺锤形导正器, 确保导管口在浇筑时基本位于孔底中心位置并防止导管挂拉钢筋笼。嵌岩桩混凝土采用搅拌船拌制和泵送, 施工时应保证首灌混凝土埋管深度和初灌量, 在导管提升前, 必须测量混凝土的浇筑标高, 防止将导管提出混凝土面的事故发生。在确保浇筑质量情况下, 适当加快浇筑速度, 浇筑一次完成, 防止发生意外。

嵌岩桩基桩身混凝土强度达到设计强度后, 对嵌岩桩基进行允许偏差和低应变动力检测, 经检验合格后, 方可进行上部结构的施工。

通过研究对比裸岩或浅覆盖层条件下, 嵌岩桩基钢护筒的混凝土封底稳桩方案和人工基床稳桩方案特点, 结合湄洲湾港石化码头工程的具体施工概况, 综合考虑技术可行性、结构安全性、经济节约和施工安全等方面, 确定采用人工基床抛填袋装碎石进行稳桩方案。详细介绍了人工基床稳桩方案的嵌岩桩基施工流程, 包括人工基床的设计、基床施工及嵌岩桩基施工等流程, 为同类型地质条件的桩基施工提供了参考依据。