海中超大跨径悬索桥主墩超长桩基施工

邹 威

(深中通道管理中心，广东 中山 528400)

0 引言

跨海建桥，工程自然条件差，施工技术难度大。特别是对于海中超长桩基施工[1-3,8]，其地质复杂；桩基成孔难度大；桩基嵌岩深度大，基岩强度高，入岩钻进施工难度大、风险高；砼灌注施工难度大。目前各地为加强地域连接，促进经济发展，正建立起更加便利的交通网络。不管是山区、跨江河以及跨海工程，超大跨径悬索桥正不断涌现，对超长桩基施工的关键技术已有较多研究成果及可供借鉴的施工经验，但在复杂海相环境下，海中超大跨径悬索桥超长桩基施工技术仍面临诸多新的技术挑战。

1 工程概况

伶仃洋大桥为跨径580m+1666m+580m的H型双塔三跨连续漂浮体系的整体钢箱梁悬索桥，大桥主缆矢跨比为1:9.65，通航净高76.5m，桥面离水面最高处为92m，是目前世界上桥面最高的海中大跨径悬索桥，也是世界最大跨度三跨连续悬索桥。伶仃洋大桥是全离岸结构，两个锚碇位于海中，国内外罕有类似工程案例供参考，因此设计施工经验不足，桥梁建设面临新的挑战。

图1 桥型布置

伶仃洋大桥西索塔基础采用56根直径3m的钻孔灌注桩，并以钢护筒作为耐久性结构，按照嵌岩桩设计，设计桩长108～136m，平均桩长123m，桩底全面嵌入花岗岩1m。索塔基础平面如图2所示。

图2 索塔基础平面

2 地质水文情况

2.1 地质条件

西索塔覆盖层为第四系全新统人工填土层(Q4me)的杂填土、第四系全新统海相沉积层(Q4m)的淤泥(淤泥质粉质黏土)、粉质黏土及砂土和第四系晚更新统晚期陆相沉积层(Q3al)淤泥质土、粉质黏土及砂土，厚度13.4～42.0m。西塔基础整体位于F4断层破碎带中，受裂影响下部角砾岩厚度较大，平均厚度达到80m，岩质较差体破碎泥化现象严重，呈不均匀状态，局部存在泥质胶结为主的软弱夹层，泡水易化、崩解，强度降低。桩位处的地质情况如图3所示。

图3 桥位处的地质情况

2.2 水文条件

本海区潮流属于不规则半日潮类型，潮流呈往复流运动形式，受上游径流影响，流速多为落潮流速大于涨潮流速，表层流速大于底层流速。桥位区域流速较大，大潮落潮时表层最大流速超过1.1m/s，同时，垂线平均流速也超过了0.5m/s。涨落潮流向基本受地形控制，落潮流向以S偏E为主，涨潮流向以N偏W为主。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变化均自南向北逐渐增大。

3 施工的特点及难点

3.1 航道问题

施工区域穿越伶仃洋航道及龙穴南航道，海事安全管理面广阔，通航水域交通安全较复杂。

3.2 桩基穿越较深角砾岩层

基岩岩性主要为角砾岩(泥化)、角砾岩(碎块状)、角砾岩、碎块状中风化花岗岩、中风化花岗岩，角砾岩层下游平均70.7m，上游平均85.2m，桩底入花岗岩不小于1倍D(≥3.0m)。角砾岩的饱和单轴极限抗压强度为11.4～11.5MPa，碎块状中风化花岗岩的饱和单轴极限抗压强度为23.7～39.6MPa，中风化花岗岩的饱和单轴极限抗压强度为25.6～69.8MPa。

3.3 混凝土灌注

单桩基混凝土灌注方量大，依靠海上拌合楼，砂石料、水等原材料质量难以保障，且泵送路径长，弯管设置数量较多，易造成堵管等风险。

3.4 泥浆配制

施工区域受半日潮、季节性影响海水咸度以及深厚角砾岩层，导致大面积泥浆与海水交换，泥浆难以稳定。

3.5 海床面下切问题

索塔南侧与龙穴南水道交界处东边存在一处吸砂区域，原有的海底地貌已完全被破坏，最深处河床标高-16.8m。

3.6 桩基成孔

本工程桩基直径3m，最大设计桩长136m，成孔深度达150m，钻孔垂直度控制难度大，特别是地质勘查资料显示该区域存在断层破碎带，钻进及清空过程中容易出现塌孔现象。

4 钻机设备及钻头型式

根据桩基桩径大、地质情况复杂等特点，西索塔桩基施工配置KTY-4000 型及中锐-4000型两种全液压回转钻机进行成孔施工，并配备四翼刮刀钻头、重型刮刀钻头、筒型重型刮刀钻头以及滚刀钻头。

5 桩基钻进过程分析

5.1 首轮钻进

第一轮钻进10根桩基，总方量约1万m3，平均桩长120m，采用4种类型钻头钻进，进行工艺比选。

5.1.1 钻进效率

首轮钻进时间：从2018年11月5日至2018年12月14日，平均成孔时间约37d，有效成孔时间约25.5d，有效钻进平均进尺4.89m/d，平均进尺3.38m/d。由于角砾岩层较厚，最厚处达到90m，施工过程中通过四种钻头分别在角砾岩钻进速度对比，以指导后轮桩基施工钻头选型。首轮钻进效率及不同类型钻头在角砾岩层的钻进效率对比见表1和表2。

表1 首轮钻进效率

桩基采用ZJD-4000全液压反循环凿岩机，压力≥6MPa、扭矩≤2 000N·m、转速≤10r/min。

根据首轮桩基钻进效率分析，轻型刮刀主要用于覆盖层，重型刮刀及筒钻钻头用于角砾岩层，滚刀钻头用于中风化岩层。

表2 不同类型钻头在角砾岩层的钻进效率对比

5.1.2 首轮异常情况

在首轮桩基施工过程中，分别出现N20桩基塌孔埋钻、N21桩基反复漏浆及N23桩基钻头掉落等情况，其余桩基情况正常。

5.1.2.1 N20桩基塌孔埋钻[5]

N20桩基设计桩长130m，经过33.5d钻进终孔。由于调浆时间的耽搁，在成孔2周后突然发现孔内水头降低，经测量孔深缩短26.5m，提钻无果，立即进行回填处理。塌孔后，采用超声波探孔仪发现在圆砾层-粗砂层出现塌孔。塌孔原因：

(1)N20桩基出现异常后，对附近的地质进行了补充勘察。补勘地质显示实际钢护筒底部位于淤泥质粉质黏土层，距下层粉砂层约5.41m，与前期勘查结果差异较大。

(2)N20桩基成孔过程中，造浆水质含盐量变化较大，泥浆稳定性差，泥浆护壁作用效果不理想。

(3)成孔后泥浆胶体率为82%，成孔2周后仍在进行泥浆调试。

5.1.2.2 N21桩基漏浆

N21桩基设计桩长136m，钻进46.5m位置时出现泥浆渗流，渗流速度1m/h，漏浆位置在护筒底端(标高-29m)，采用淤泥回填。静置2个月后重新开钻，在钻进27.2m位置出现漏浆，漏浆位置的地层为淤泥质粉质黏土(标高-35.2m)，采用灌注水泥浆后，继续钻进；在钻进115.9m位置时再次发现漏浆，漏浆位置的地层为角砾岩(标高-123.9m)，回填黄泥至-39.5m位置，并接长12m钢护筒。漏浆原因：

(1)钻机钻头摩擦护筒脚，对护筒脚产生扰动。

(2)冬季海水含盐量大，漏浆位置处地层空隙大，孔壁外侧海水中矿物离子与泥浆中的离子交换，对泥浆护壁泥皮的形成产生影响。

5.1.2.3 N23桩基掉钻

N23桩基设计桩长132m，钻进42.5m位置时出现掉钻，钻头为重型刮刀，钻杆第15节风包钻杆由于老化疲劳而发生断裂；在成孔调浆时，法兰盘螺栓被剪断，发生掉钻，钻头为滚刀钻。

5.1.3 异常情况处理

5.1.3.1 N20桩基塌孔埋钻

初步摸查塌孔情况后，及时进行回填。回填分两个步骤：首先采用中粗砂回填至基岩面以上2m，回填高度62m；再采用海泥回填至护筒底标高以上10m，回填高度24.5m。待回填物沉积密实后沿桩周均匀布置4个补勘孔，探明塌孔的具体范围。根据补勘情况进行钢护筒接长跟进16m，下沉至基岩面，实际钢护筒脚位于基岩面上3m位置的圆砾层。初步处理后，对N20及周边桩基进行注浆处理。

对N20桩基布置2层注浆孔，第一层沿护筒外0.6m，共19个；第二层沿护筒外1.2m，共24个；单孔旋喷直径0.8m，孔间距0.75m。对N20周边桩基布置1层注浆孔，沿护筒外0.3m，共25个。单孔旋喷直径0.55m，孔间距0.5m，注浆范围为基岩面以下1m位置往上10m。加固完成后，后续进行清孔取钻，最后重新成孔。

5.1.3.2 N21桩基漏浆

根据补勘地质揭示，实际钢护筒脚位于粗砂层，且在底部以下4.4m出现3.3m厚的淤泥质粉质黏土层，漏浆位置出现在护筒底部及淤泥质黏土层。出现漏浆情况后，不断进行泥浆循环，保证水头差在2m左右，进行黄泥回填及钢护筒接长处理。

5.1.3.3 N23桩基掉钻

根据N23桩基钻进过程中出现的异常情况，对风包钻杆进行了更换，同时更换了现场所有的旧螺栓，最大限度避免钻进过程中钻杆老化及螺栓剪断问题的出现，确保钻进过程顺利进行。

5.2 钻进计划及措施调整

5.2.1 钻进计划调整

由于N20桩基塌孔埋钻,影响上游侧桩基施工，考虑优先或滞后施工N20桩基，结合N20周边尚未施工的桩基，对后续钻进计划进行了动态调整。

5.2.2 钻进措施调整

(1)根据第一轮钻进效率选定钻头类型，避免因钻头异常的额外提钻时间，提高成孔效率。

(2)加强钻孔过程中泥浆指标的控制，保证泥皮质量，优化泥浆调浆施工组织工作，提前2～3d开始调浆，保证工序连续性。

(3)加强钢护筒外覆盖层钻进速度控制，确保覆盖层在护筒外采用慢速钻进工艺，保证护壁质量和成孔安全。桩基钢护筒采用ICEV360振动锤，采用贯入度及设计标高双控，贯入度10cm/min左右，穿透淤泥层不小于3m，且钢护筒底部设置韧脚加强段。

(4)在长角砾岩层的钻进采用减压吊钻工艺，严格控制孔底压力，减少钻杆断裂的风险。

5.3 成孔过程控制

5.3.1 成孔质量控制[6]

由于西索塔处于地质断裂带上，桩基穿过深厚断裂地层，首轮钻进过程中通过对钻头型式、钻压控制、扶正器设置等措施，主动对钻进成孔质量进行控制，最终采用桶型截齿形钻头+扶正器(设置在距离钻头12m左右位置)，及采用减压钻进工艺，有效控制成孔垂直度。

5.3.2 泥浆调制[4、7]

泥浆质量管理是钻孔作业中十分关键的一环。在施工区内设立现场工地试验室，专人负责，随时调整泥浆性能并记录备案，满足现场要求。泥浆试验定时检测1次/2h，根据钻进地层的不同作出相应处理。清孔时采取换浆法，泥浆控制指标见表3。

表3 泥浆控制指标

施工区域受半日潮、季节性影响海水咸度以及深厚角砾岩层导致大面积泥浆与海水交换，泥浆无法稳定。在前两轮桩基钻进过程中及成孔后，按照配比添加造浆材料，施工过程中发现泥浆指标持续不稳定，特别是成孔后减小泥浆循环时泥浆指标稳定性极差，无法满足清空条件。经过多次调配试验及造浆材料的选取，添加膨润土、纯碱、烧碱、CMC、PAC等造浆材料，特别是采用一种抗盐类药品PAC，确保了泥浆性能的稳定，满足桩基清孔条件要求。海水及淡水配制泥浆指标见表4。

表4 海水及淡水配制泥浆指标

5.3.3 成桩灌注

西索塔单根桩基最大灌注方量超过1 000m3，首根N7桩基952m3，采用两条砼拌合船3条供料线供料，由于设备故障共灌注18h。首桩灌注后采用4条供料线，并增加1条备用，加强设备产前检查，保证桩基顺利灌注，后续第一、二轮桩基平均灌注时间缩短至8.5h，未出现异常现象。

6 结语

(1)对首轮桩基在不同地层选用不同钻头，通过钻进效率分析，特别是在角砾及中风化岩层的钻进进尺，轻型刮刀主要用于覆盖层，重型刮刀及筒钻钻头用于角砾岩层，滚刀钻头用于中风化岩层，并且发现在角砾岩层筒钻钻头效率速度最快、效率最高，减少换钻耽误的时间，提高钻进效率。

(2)对首轮桩基钻进异常情况的分析及处理，有效指导了后轮桩基钻进的过程控制，特别是对漏浆的处理、掉钻的防控以及塌孔埋钻的预防，及时采取相应的措施，并对钻进计划进行调整。

(3)施工区域受半日潮、季节性影响海水咸度以及深厚角砾岩层导致大面积泥浆与海水交换，泥浆性能不稳定。通过在泥浆中添加抗盐剂药品，并在成孔前2～3d开始调浆，确保终孔时泥浆调浆完成，保证工序的连续性。

(4)由于单桩砼方量较大，采用砼拌合船配送供料富裕度较小，易出现混凝土配送跟不上现场需求甚至断供的情况，砼浇筑应做好充分准备，确保砼供应稳定。此外，砼泵管线路较长，应减少弯管数量，管线尽量顺直，减小堵管风险。