拉各斯轻轨跨海桥深水桩基础施工技术

王炳军

(中国土木工程集团有限公司 北京 100038)

1 工程概况

轻轨蓝线是拉各斯轨道交通(LRMT)的一部分，全长28 km，含8 km高架桥(540 m跨海桥)、20 km路基、12座车站，设计速度100 km/h。拉各斯蓝线轻轨采用中国标准，为交钥匙工程，由中国土木工程集团有限公司总包，中铁第四勘察设计院集团有限公司设计分包。

拉各斯轻轨跨海桥位于轻轨蓝线的起点附近，跨越大西洋入海口，水中部分约492 m，主跨为40 m＋5×60 m＋40 m连续梁，基础为摩擦型群桩，桩径为φ1.25 m和φ1.5 m。主墩基础桩径1.5 m，桩长80 m，采用梅花形布置，桩间距3.9 m。桥位处水深3～20 m，受潮汐影响，水位4 h变化一次，最大潮差1.5 m，最大流速1～2 m/s，最大浪高约1 m。湖底表层为淤泥，深0.5～11 m，其下为中密砂层。

由于桩基较长，达80 m，为中土在尼施工的最长桩基，且施工时受涨落潮影响，钻孔垂直度控制困难，施工中必须合理选择施工平台及钻孔机械，把握施工时机，控制钻孔精度，严格泥浆护壁配合比和水下混凝土坍落度[1]。

2 钻孔桩施工平台

2.1 钢栈桥和平台

施工平台有驳船法和栈桥法，经过方案比选，最终选定栈桥法作为施工方案。

钢栈桥大里程侧起点位于115＃墩左侧，基本跨度为12 m，桥面宽度为8 m，共46孔，全长571 m。其中，第一跨采用15 m钢梁跨越既有钢桥，第二跨采用14 m贝雷梁跨越水中既有墩，通航孔为15 m跨。

钢栈桥采用贝雷梁加型钢的组合结构形式，栈桥基础采用φ800×10 mm的钢管桩，非制动墩采用3根钢管桩，制动墩处设置双排6根钢管桩，钢管横向中心间距3 m，纵向中心间距1.8 m，每排桥墩的钢管桩均采用φ273×8 mm钢管连接成整体，其横断面见图1。栈桥施工主要由基础钢管振沉、贝雷梁架设和桥面铺装三部分组成。

图1 钢栈桥横断面

承台尺寸(13×15.5)m，平台尺寸(31×26.8)m。平台采用三面围护的”U”型平台，方便吊车和混凝土泵车站位。

2.2 荷载检算

荷载满足100 t履带吊站位于墩顶进行吊装施工，起吊最大荷载为20 t。不允许履带吊站在栈桥跨中进行起重作业，且履带吊履带边缘距离栈桥边缘不得小于0.5 m[2]。栈桥计算工况见表1。

表1 栈桥各状态下的计算工况

对表1各工况下贝雷片的受力进行分析计算后可知，100 t履带吊机荷载组合为主梁控制荷载。100 t履带吊在墩顶侧吊20 t即工况Ⅲ时，贝雷片竖杆受力最大，最大值为161.2 kN，见图2；100 t履带吊走行至跨中即工况1时弦杆受力最大，最大值为347 kN(见图3)，此时斜杆也为最大受力状态，受力125.4 kN；其余工况杆件受力均小于此两种工况。贝雷梁各杆件容许受力情况见表2。综上，贝雷梁杆件受力均满足要求。

表2 贝雷梁各杆件容许承载力

图2 工况Ⅲ竖杆受力

图3 工况Ⅰ弦杆受力

3 钻孔施工及工艺控制

3.1 工艺流程

旋挖钻孔灌注桩施工工艺流程见图4。

图4 钻孔桩施工工艺流程

3.2 配合比选定

由于是海中施工，设计要求混凝土具有较强的抗腐蚀性，因此标号较高，设计为C50水下混凝土。

当地水泥种类较少，选用质量较稳定的DANGOTA42.5普通硅酸盐水泥，大象42.5水泥作为备份，防止DANGOTA水泥断供时无法施工。

外加剂选用FOSROC RP 500C，掺合料选用印度进口的一级粉煤灰。施工时采用在混凝土中掺加矿物质细粉和高效减水剂的双掺技术，减少拌和混凝土的用水量，降低水灰比，提高混凝土的密实度，改善其抗渗性能，从而提高抗侵蚀能力[3]。经试验选定配合比为 1∶0.4∶1.79∶2.69∶0.25(水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰)，实测坍落度19 cm，和易性和强度均满足要求。

3.3 钢护筒制作及安装

(1)钢护筒加工与制造

钢护筒由后台加工场及当地专业厂家制作，定尺长度12 m，根据现场测量情况，在现场进行下料或接长。护筒间竖向采用焊接连接，每一接头外贴焊6块(20×15×10)mm加强钢板。

(2)钢护筒的运输

钢护筒加工制造完成后，采用平板车运至临时码头，通过汽车吊吊至运桩驳后运至施工场地。水上运输采用3 000 t驳船装载运输，驳船净空尺寸48 m(长)×20.65 m(宽)，满足钢护筒载重及堆放要求。钢护筒运输前，编制现场沉桩顺序，以先打入的后装船，后打入的先装船为原则。

钢护筒桩分层布置，错位层层叠放。底层采用200×200枕木(排距6 m)垫底，左右(枕木)侧采用三角木楔楔紧。

(3)钢护筒下沉

沉桩施工是确保桩基质量的基础，采用打桩船沉桩。在施工过程中，要严格管理，将桩顶标高和偏位控制在规范要求的允许偏差以内。

沉桩开始时，发动打桩船主机，在计算机的指引下，进行船体定位，调整桩架的状态[4]。经校正无误后下桩，在桩尖入土2～3 m后，暂停下桩，对桩体进行进一步校正后继续沉桩，直至在桩体自重作用下，桩不再下沉为止。在此基础上压锤，桩继续下沉，当桩停止下沉后，保持船体平衡，要求桩锤、替打和桩保持同一轴线上，检查无误后，启动桩锤，开锤施打。开始锤击时油门控制得小一些，以后逐步加大，直至设计标高。整个打桩过程要求做好详细记录。

3.4 施工钻机选择

根据我司在尼日利亚设备情况、钻孔深度和地质情况，选用山河智能280型旋挖钻机，钻头选用双开门捞砂斗。钻头在使用前改良，设置减压孔，以降低提钻负压对孔壁稳定性的影响。山河智能280型旋挖钻机主要性能:最大钻孔直径2 300 mm；最大钻孔深度85 m；转盘扭矩300 kN·m；提升能力88 t；最大加压力280 kN；额定功率250 kW；钻机总质量85 t。

3.5 泥浆制备

泥浆指标是保证成孔的关键，泥浆密度及粘度偏低则容易塌孔，偏高则不利于钻进且会造成孔壁泥浆过厚而降低桩的摩擦力[5]。结合当地实际情况钻孔用浆采用复合钻井液:膨润土基浆＋复合钻井助剂溶液制成复合钻井液，成浆指标见表3[6]。

表3 泥浆指标

3.6 旋挖钻孔施工

(1)准备工作

开钻前再次检查各种机具设备状态是否良好、泥浆制备是否充足、水电管路是否畅通，以确保正常工作[7]。

(2)启动泥浆泵

正式钻进前先启动泥浆泵，使之空转一段时间，待泥浆输入孔口一定数量后，正式钻进。

(3)钻进注意事项

钻进时，在护筒底处应低压慢速钻进，钻至护筒底下1.0 m左右后开始正常钻进。

在钻进过程中钻机不能产生位移或沉陷，否则应及时处理。在钻孔排渣、提钻头或因故停钻时，应保持孔内具有规定的水位和要求的泥浆相对密度和粘度[8]。

司钻人员必须先熟悉地质状况，钻进过程中应定时测试泥浆指标，从而确定所处地层以调整钻进参数。钻孔作业应分班连续进行，填写的钻孔施工记录，交接班时应交待钻进情况及下一班应注意事项。

(4)防止超钻

当钻孔距设计标高较近时注意控制钻进速度，防止超钻，并通知地质人员核实地质资料[9]。

3.7 清孔

当钻进至与设计标高差1 m时，改用稠泥浆；当钻孔深度达到设计要求后，立即进行清孔，以免时间过长沉渣沉淀，造成清孔困难。

清孔分两次进行:第一次是在钻孔达到设计标高后，将钻头提起离孔底约30 cm，钻机继续旋转，同时供给稠泥浆，直至将孔内含渣泥浆换完；第二次是在安装钢筋笼后，灌注水下混凝土前利用导管清孔[10]。

3.8 钢筋笼制作安装

钢筋笼骨架在营地钢筋加工场地分段制作，用加长拖车运输，经栈桥运输到墩位处，履带吊吊装入孔，并在进口处进行焊接。由于钢筋笼较长，合理分节既有利于运输和吊装，又能减少孔口对接时间。经分析，按一根钢筋的长度12 m进行分解，减少浪费，由50 t履带吊吊装。

3.9 水下混凝土灌注

钻孔桩水下混凝土在搅拌站集中拌制，混凝土运输车运输，导管法灌注，导管直径为30 cm。

在清孔过程中，及时和搅拌站联系，清孔即将完成时，通知搅拌站运送混凝土。导管使用前，进行试拼和试压试验，试压压力宜为孔底静水压力的1.5倍。

(1)安装导管并放入钻孔内，导管下口离孔底20～40 cm，上口与储料斗相连，储料斗的容积不小于3 m3。确保首批混凝土灌注后导管埋入深度大于1 m。

(2)导管安装后，再次探测孔底沉渣厚度，如超过设计要求，则需进行二次清孔至合格为止[11]。

(3)混凝土运至现场时，要检查混凝土的和易性、坍落度。如坍落度过低，则加入减水剂二次拌和，二次拌和后仍不符合要求的，混凝土退回拌和站。

(4)水下混凝土灌注过程中，用测绳随时探测孔内混凝土面的标高，及时调整埋管深度。导管埋深控制在2～6 m内，采用履带吊提拔导管，砼灌注速度应适中并注意防止钢筋笼上浮。

(5)水下混凝土灌注应连续进行，中途不得中断，并防止灌注过程中发生塌孔、缩孔。

(6)水下混凝土浇筑面应高出桩顶设计高程最少1 m，防止桩身混凝土缺陷。

(7)灌注将结束时，核对灌入的混凝土数量，以确定所测混凝土顶面高度是否正确。

4 体会

根据设计要求，桩身全部检测，经超声检查，跨海桥钻孔桩质量均为合格，完全达到设计要求。通过拉各斯跨海桥深水超长桩的钻孔灌注施工实践，对异国海中深水超长桩基础施工体会如下:

(1)尼日利亚是一个工业不发达的国家，其租赁市场不发达，基本无法租到大型的施工设备或价格特别昂贵，也无法买到商品混凝土。因此在尼日利亚进行重要结构施工，施工前的准备工作非常重要，重要设备的备份必不可少。一般情况下，混凝土搅拌设备均是两个，发电机也必须备份。

(2)驳船法在国内常有应用，但驳船施工需要有混凝土搅拌船、交通船和浮吊等大型设备。这些大型设备目前在尼日利亚的市场应用不多，若仅是此项目使用，则成本压力很大，且根据尼日利亚法律不能调出尼日利亚。经过慎重考虑，反复衡量比较和根据在尼的设备情况，最终选择钢栈桥方案。

(3)钻进过程中，钢护筒的强度非常重要。提钻时，护筒底部有针管效应，相当于抽真空，为防止钢护筒被压瘪，采取了以下措施:一是使用12 mm钢板加工护筒，接头部分都进行加强，韧脚采用16 mm钢板加强；二是护筒直径1.65 m，大于钻头直径1.5 m，有利于泥浆通过；三是钻头经过现场加工，增设了减压孔，大大减小了底部压力；四是控制提钻速度，保证了钢护筒的稳定。

(4)钻孔设备及其配套的机具选型相当重要。选用的山河智能280型旋挖钻，参数上钻孔深度85 m，实际钻杆长度达到了86 m且钻进极为顺利。

(5)钻进过程中必须控制进尺速度，调制合适密度的泥浆，确保孔壁泥皮结实坚固，防止塌孔[12]。