港珠澳大桥桥梁工程钢管复合桩 施工及质量控制

杨斌财

（港珠澳大桥管理局，广东 珠海 519015）

0 引 言

随着我国建桥水平的不断提高，跨海大桥的建设越来越多，钢管复合桩作为跨海桥梁基础的承力结构将广泛出现，其施工质量影响着整个桥梁的结构寿命，因此，对其施工质量进行有效控制尤为重要。本文依托工程实际，对钢管桩施工及质量控制重点进行逐一阐述，解决了钢管桩加工制造、插打精度、海上钻孔平台合理设置、深水超长桩基成孔及海上混凝土浇筑等一系列难题，确保了钢管复合桩的施工质量，以期为同类项目提供参考。

1 工程概述

港珠澳大桥主体工程桥梁工程起于岛隧工程结合部非通航孔桥西端，经深水区非通航孔桥、青州航道桥、江海直达船航道桥、九洲航道桥、浅水区非通航孔桥，止于珠澳口岸人工岛连接桥，全长约 22.9 km［1］。1 522 根 2.0、2.2、2.5 m 直径的钢管复合桩，桩长 25～145 m。复合桩上段为钢管混凝土结构，钢管长度 20～80 m（含替打段），壁厚 22～36 mm，下段为钢筋混凝土结构，桩底嵌入中风化岩石持力层不小于 2d（d 为桩径），桩基钢筋笼贯通整个桩长。

2 钢管桩施工

2.1 钢管桩制造

钢管桩分桩身和桩尖两部分，其中桩身部分为螺旋管，桩尖为直缝管，两者采用环向焊缝对接，桩顶段设有内外剪力环，内剪力环工厂内焊接，外剪力环等墩台安装到位后现场焊接，钢管桩加工如图1 所示。钢管桩内外壁均采用防腐涂层，外壁采用双层环氧粉末涂层，内壁采用无溶剂液体环氧涂层。钢管桩卷制加工及防腐喷涂施工监理全过程旁站，所有焊缝均采用超声波 100 % 检测，涂层厚度采用涂层测厚仪进行检测，同时业主方委托第三方试验检测中心对各项参数进行不少于 25 % 的抽检，确保钢管桩的加工质量，成品如图2 所示。

图1 钢管桩加工

图2 钢管桩成品

2.2 钢管桩打设

钢管桩经验收合格后，采用运输船运送到施工现场，一般每批次运送一个墩（非通航孔桥）的 6 根钢管桩。根据前期试桩［2］及埋置承台试验钢管桩插打的成果［3］，采用移动式导向架进行打桩（见图3），移动导向架打桩系统由打桩船、移动导向架、三台 GPS、三台激光扫描仪、两台倾角传感器、数据传输系统、计算机控制系统及打桩软件系统组成。系统通过 GPS 确定绝对位置，激光扫描仪确定相对位置，通过不同高度的激光扫描仪扫描桩中心坐标及两扫描仪的高差获得桩垂直度数据，以调整钢管桩平面位置及垂直度［4］，直到满足设计要求。

图3 移动式导向架插打钢管桩

钢管桩运输船运送到桥位现场就位，由大型浮吊起吊钢管桩，将钢管桩插入移动导向架，缓慢下放钢管桩自沉稳定，用浮吊副钩起吊液压振动锤，用液压振动锤下方的液压夹具夹住钢管桩顶部，开启振动锤，上拔钢管桩离开泥面，抱紧导向架上的液压抱桩器进行定位，通过打桩软件系统进行调位，直到钢管桩垂直度及平面位置满足设计要求后进行振沉到位。

采用移动式导向架进行打桩，应满足沉桩的垂直度和平面位置要求，垂直度达到 1/400 以上，桩顶平面偏位控制在 50 mm 之内，但是施工效率相对较低。在埋置承台止水施工工艺优化稳定后，钢管桩的垂直度要求从 1/400 变更为 1/250，大大降低了钢管桩的沉桩难度［5］， 改用了打桩船进行钢管桩插打（见图4），大大加快了施工进度。打桩船插打钢管桩主要施工工艺流程为：打桩船抛锚定位→移船→起桩→移桩→立桩→安装替打段→测量定位→插桩→锤击沉桩→打设至设计标高。插打过程中打桩船定位系统将钢管桩初定位，然后通过全站仪对钢管桩的平面位置与垂直度进行观测，将数据反馈给打桩船的操作人员进行微调，使钢管桩的垂直度、平面位置达到设计要求。第三方测量控制中心对全线的钢管桩垂直度和平面位置进行抽检，抽检结果均满足设计要求。

图4 打桩船打桩

3 钻孔施工

3.1 钻孔平台

通航孔桥采用大型钻孔平台，其上布置 3～6 台回旋钻机进行钻孔施工。非通航孔桥采用装配式平台（见图5），通过大型浮吊将后场加工好的钢平台吊装到已插打好的钢管桩上，钢管桩同时作为施工平台受力体系，在钢管桩上设置抱箍支撑平台竖向力，对于钢管桩长度偏短的墩位需在外围增设辅助受力钢管，确保施工过程中平台结构安全，每个平台上设置一台回旋钻机，整墩施工完后将平台整体调转到下一个墩施工。

图5 非通航孔桥装配式平台

3.2 钻进施工控制（见图6）

钻孔施工采用气举反循环钻进施工工艺，钢管桩内选用刮刀钻头。当刮刀钻头扫圈钻进至钢管桩底口时应减慢钻进速度，避免出现钢管桩底口扩孔现象。同时根据地质资料不同选用不同的钻头进行钻进，当进入全、强风化岩层后，若钻进速度偏慢，提钻更换为焊齿破岩滚刀钻头钻进，当进入中风化或弱风化岩层时，更换为球齿滚刀钻头钻至设计桩底标高。

图6 回旋钻钻进施工

钻进施工中应重点监测泥浆的性能指标，根据不同的地质条件选用不同的参数，比如砂层施工时应适当地增大泥浆的比重、黏度，同时要及时除砂，以降低含砂率，提高护壁的稳定性，避免塌孔、缩径、漏浆等不良情况的发生。

3.3 成孔质量控制

3.3.1 垂直度控制

钻机就位开钻前，必须做到横平竖直，钻进过程中每班不少于 2 次检查，发现倾斜或偏位必须立即纠正。所有钻杆必须平直、圆滑，发现有弯曲、破损等现象应及时更换。

钻机操作手需熟悉地质情况，根据地层的变化随时调整钻进参数。特别在地层变化或软硬互层的界面要减压慢钻，待进入正常层位后，再正常钻进。

3.3.2 桩径的控制

每次下钻前严格检查钻头直径，应与设计桩径匹配。

根据设计图纸及沉桩记录，准确计算护筒底面标高。在此处减压慢钻，控制好钻进参数，尽量减少扫孔次数，从而有效控制护筒底口段孔壁的完整性和孔径。

控制孔内的泥浆指标，确保孔壁的稳定，避免出现塌孔和缩径的情况。

针对钻进过程中发现钢管底口变形的情况，需及时采取措施解决钢管底口变形的问题，确保桩径满足设计要求。

3.3.3 孔深的控制

孔深原则上以设计图纸提供的孔底标高为准，如遇地质条件和原设计地勘不符的情况，需施工、监理、设计、业主四方现场确认入岩及终孔标高，端承桩进入中风化岩层不少于 2d，以确保桩基的受力。

3.3.4 成孔质量检测

当钻孔达到孔底设计或四方确认的标高后，采用 JL-KJ 智能型超声数字成像仪对孔径、孔壁形状、垂直度、孔深及孔底沉渣进行检测，经监理工程师验收认可后，立即采用气举反循环清孔。

清孔时将钻具提离孔底约 30～50 cm，缓慢旋转钻具，补充优质泥浆，进行反循环清孔，同时保持孔内水头，防止塌孔。孔底沉渣厚度、孔内泥浆指标满足规范及设计要求后，及时停机拆除钻杆，移走钻机，进行钢筋笼下放施工。钢筋笼安放完成后，须对孔底沉渣厚度进行检测，利用导管加风管进行二次清孔，确保沉渣厚度小于设计值，桩底混凝土和基岩面接触良好。本项目通过逐桩埋设取芯管，采用桩底取芯的方式检查混凝土和基岩面的接触情况，桩底取芯结果显示混凝土和基岩接触良好，基本无沉渣。

4 钢筋笼施工

钢筋笼单节长 12 m，采用长线一次成型法进行施工，在后场胎架上匹配对接加工成型，经监理验收合格后分节装运到桥位现场，进行对接下放施工（见图7）。钢筋笼安放过程中严格控制钢筋笼主筋的对接质量，对于个别主筋丝头有损伤的情况需采取相应补强措施，同时钢筋接头必须错开布置，接头数不超过该断面钢筋总根数的 50 %。最后一节钢筋笼需接长数根钢筋延伸到平台面，并和平台或钢护筒顶面焊接，防止混凝土浇筑时浮笼和保证钢筋笼的平面位置。

图7 下放钢筋笼

5 混凝土施工

桩基混凝土采用拌和船拌制，由拌和船上的泵送设备直接泵送到料斗，通过导管浇筑。导管底口至桩孔底端的间距控制在 0.3～0.4 m，首批混凝土储料斗满足导管初次埋置深度大于 1.0 m 的要求，后续浇筑过程中导管埋深控制在 2～6 m，灌注过程中每隔 20 min 左右用测深锤探测孔内混凝土面标高，并用混凝土方量进行复核标高，以便及时调整导管埋深。首批混凝土灌注后，需连续灌注，并尽可能缩短拆除导管的间隔时间，避免出现堵管或断桩等不利情况。

混凝土灌注接近尾声时，需核对混凝土灌注数量，确定所测混凝土的灌注高度是否正确。灌注的桩顶高程应比设计高出 0.5～1 m，以保证桩顶混凝土强度。

6 桩基检测

桩基施工后 14 d 且混凝土强度达到检测要求后，采用声波透射法对所有桩基进行 100 % 完整性检测（见图8）。并由第三方检测单位按 1 % 的频率进行整桩取芯检测（见图9），进一步验证桩基混凝土质量、沉渣厚度、桩底混凝土和基岩面的接触情况以及桩端持力层基岩的岩性情况，检测结束后对声测管、钻芯孔采用压浆封实。

图8 桩基无损检测

图9 整桩取芯成果

7 结 语

港珠澳大桥主体工程桥梁工程钢管复合桩从 2012 年 9 月 25 日打设第一根钢管桩，到 2014 年 12 月 14 日浇筑最后一根桩基混凝土，历时 2 年多。期间遇到过钢管底口变形、沉船、孤石、塌孔、串孔、船舶撞击等不利情况，通过各参建单位的共同努力，均逐一解决，桩基质量可控，全部桩基通过无损检测并按比例进行整桩及桩底取芯检测，取芯结果显示桩身混凝土完整性好，桩底混凝土和基岩接触良好，无损检测统计Ⅰ类桩率近 90 %，所有桩基均为合格桩。合理布置施工平台，加强过程质量控制，全覆盖无损检测，适当提高整桩及桩底取芯比例，能较大程度上提升钢管复合桩施工质量。