嘉紹大橋直徑3.8 m鉆孔灌注樁試樁與施工的工效分析

曹宗勇，伏首圣

（1.嘉紹跨江大橋工程建設(shè)指揮部，浙江紹興312000；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京市100088）

1 工程概況

嘉興至紹興跨江公路通道嘉紹大橋（以下簡稱“嘉紹大橋）是嘉興至紹興跨江公路通道跨越天然屏障錢塘江河口段的一座特大型橋梁，位于錢塘江喇叭入口與海灣交接部位，東為杭州灣，西為錢塘江，西南側(cè)為曹娥江，是《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃（草案）》中沈陽至海口高速公路常熟至臺(tái)州并行線的組成部分和跨越錢塘江的關(guān)鍵性工程，是嘉蔭至南平國家重點(diǎn)公路的重要組成部分。

嘉紹大橋采用雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，總長10.137 km，投資63.5億元。主航道橋采用70 m+200 m+5×428 m+200 m+70 m=2680 m獨(dú)柱四索面六塔斜拉橋，鋼箱梁連續(xù)長度居世界首位。南北岸水中區(qū)引橋采用70 m跨徑等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，下部結(jié)構(gòu)采用單樁獨(dú)柱的結(jié)構(gòu)形式，樁基礎(chǔ)采用3.8 m大直徑鉆孔灌注樁，單樁最長樁長為111 m。如此超大直徑超長鉆孔樁在國內(nèi)建橋史上尚屬首例。

嘉紹大橋于2008年12月14日正式開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2012年建成通車。

1.1 建設(shè)條件特點(diǎn)

根據(jù)橋位處自然條件，結(jié)合大橋功能和建設(shè)期安排，嘉紹大橋在建設(shè)條件具有以下工程特點(diǎn)：

（1）河床寬淺、潮強(qiáng)流急、涌潮洶涌、河床變化劇烈，特別是受風(fēng)浪和涌潮影響導(dǎo)致水域有效作業(yè)時(shí)間極為有限。根據(jù)氣象條件，年均可能作業(yè)時(shí)間約280 d，但結(jié)合水域河床斷面、水文條件，橋位區(qū)可作業(yè)時(shí)間僅為120 d左右。

（2）中、下部工程地質(zhì)條件較好，有較好的持力層，但20 m以淺亞砂土易發(fā)生潛蝕和液化作用，河床底質(zhì)起動(dòng)流速低，承載力和穩(wěn)定性差，沖刷嚴(yán)重，主航道橋索塔處最大沖深可達(dá)-37 m。

（3）兩岸灘涂發(fā)育，低潮位時(shí)兩岸灘涂較寬，且河床變化幅度大，深槽擺幅達(dá)到2.3 km左右，施工作業(yè)條件受到極大的限制，水中區(qū)橋梁下部結(jié)構(gòu)需依托棧橋施工。

（4）涌潮作用力大，涌潮產(chǎn)生的水動(dòng)力對(duì)橋墩建筑物的作用主要集中在低水位以上1倍涌潮高度范圍內(nèi)，最大涌潮壓力可達(dá)7.5 t/m2。

（4）橋長達(dá)10 km以上，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，采用雙向八車道標(biāo)準(zhǔn)，水上作業(yè)受涌潮和河勢(shì)影響，施工方案和施工組織是本項(xiàng)目順利實(shí)施的關(guān)鍵。

（5）水上工程規(guī)模浩大，水域橋梁長度達(dá)9 km，受海洋性環(huán)境影響，結(jié)構(gòu)容易受到腐蝕。

1.23.8 m大直徑樁結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)和施工難點(diǎn)

根據(jù)建設(shè)條件特點(diǎn)，嘉紹大橋南、北岸水中區(qū)引橋下部結(jié)構(gòu)采用了單樁獨(dú)柱的結(jié)構(gòu)形式，樁基礎(chǔ)采用直徑3.8 m的大直徑鉆孔灌注樁，單樁最長樁長111 m，為超大直徑超長樁。結(jié)構(gòu)形式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）單樁獨(dú)柱結(jié)構(gòu)，無承臺(tái)施工工序，有效的降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，施工工期較易保證。

（2）結(jié)構(gòu)受力合理、安全可靠。

（3）墩柱結(jié)構(gòu)尺寸小，阻水面積小，對(duì)建設(shè)條件適應(yīng)性好。

（4）結(jié)構(gòu)新穎、美觀，經(jīng)濟(jì)性好。

樁基礎(chǔ)采用3.8 m大直徑鉆孔灌注樁，具有以下施工難點(diǎn)：

（1）樁徑大、施工長度長，對(duì)鉆孔設(shè)備要求較高，施工難度大。如此規(guī)模樁基礎(chǔ)，為國內(nèi)首次采用，無成熟施工經(jīng)驗(yàn)可供參考。

（2）樁基鋼護(hù)筒、鋼筋籠直徑及總重量大，其插打、安裝困難，對(duì)起吊設(shè)備要求高。

（3）單樁混凝土方量達(dá)1300 m3，對(duì)混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸及施工速度要求高。

（4）每個(gè)樁位都是不可替代的，施工過程中一旦發(fā)生鉆孔事故，對(duì)工程質(zhì)量及工期影響巨大。故對(duì)鉆孔施工工藝及施工組織提出了高要求。

2 工藝試樁

根據(jù)初步設(shè)計(jì)審查會(huì)專家組意見，針對(duì)3.8 m大直徑樁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工難點(diǎn)，2008年8月，委托大橋設(shè)計(jì)單位開展3.8 m大直徑鉆孔灌注樁工藝試樁專題研究工作。

（1）工藝試樁的目的及意義

工藝試樁的目的是通過在橋址處特定的水文和工程地質(zhì)條件，研究大直徑超長樁的關(guān)鍵施工設(shè)備、關(guān)鍵施工組織和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，以得出可行的施工工藝；通過工藝試樁確定單樁極限承載力、獲得各土層及樁端持力層有關(guān)參數(shù)、測(cè)定樁基沉降和變形、驗(yàn)證樁端后注漿效果，為確定3.8 m直徑樁基礎(chǔ)樁基相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)提供依據(jù)。

工藝試樁專題研究成果對(duì)于確定樁基施工工藝、進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)及主要施工設(shè)備選擇具有重要指導(dǎo)意義，對(duì)嘉紹大橋工程順利實(shí)施具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

（2）鉆機(jī)選型

鉆機(jī)為鉆孔樁施工中最為重要的施工設(shè)備，試樁施工開始前，專題承擔(dān)單位對(duì)國內(nèi)外鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)研。通過調(diào)研，認(rèn)為目前國內(nèi)能夠用于3.8 m大直徑鉆孔灌注樁施工的鉆機(jī)有：德國寶峨WIRTH GmbH PBA 821/3000/300型鉆機(jī)、KTY4000型液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)、嘉力臣RC-400H型動(dòng)力頭鉆機(jī)、ZDZ4500型動(dòng)力頭鉆機(jī)、ZJD4000型液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)、ZSD-4000型動(dòng)力頭鉆機(jī)、GYD6000型動(dòng)力頭鉆機(jī)等。

鑒于KTY4000型鉆機(jī)為國產(chǎn)設(shè)備，目前現(xiàn)有臺(tái)數(shù)較多，生產(chǎn)周期短，采用其作為試樁施工鉆機(jī)更符合工藝試樁的目的和意義。最終選用KTY4000型液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)進(jìn)行試樁鉆孔施工。KTY4000型鉆機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1。

（3）工藝試樁過程概述

工藝試樁現(xiàn)場(chǎng)施工工作于2008年9月1日正式開始，9月1日～9月12日完成鉆孔平臺(tái)施工，用時(shí)12 d。鉆孔施工于10月1日開始，于11月20日結(jié)束，扣除期間10月6日～10月19日對(duì)鋼護(hù)筒的二次施沉，共用時(shí)36 d。鋼筋籠加工于10月1日開始，至10月31日完成，歷時(shí)31 d。鋼筋籠下放施工于11月22日開始，至11月24日下放完畢。共用時(shí)2.5 d。混凝土灌注施工于11月26日下午開始，至11月27日凌晨結(jié)束，共用時(shí)14小時(shí)20分。試樁成樁質(zhì)量檢驗(yàn)工作于12月14日進(jìn)行。檢驗(yàn)結(jié)果表明試樁樁身完整性較好，混凝土勻質(zhì)性較好，為Ⅰ類樁。12月19日～12月21日進(jìn)行首次靜載試驗(yàn)（樁端注漿前）。12月23日下午進(jìn)行了樁端后注漿施工，用時(shí)5 h。2009年1月14日～18日，進(jìn)行了第二次靜載試驗(yàn)（樁端注漿后）。兩次靜載試驗(yàn)結(jié)果表明單樁極限承載力滿足設(shè)計(jì)要求。2009年3月20日《嘉紹大橋3.8m大直徑鉆孔灌注樁工藝試樁成果報(bào)告》通過專家評(píng)審。

表1 KTY4000液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)技術(shù)性能表

（4）工藝試樁成果

工藝試樁結(jié)果表明，本次試樁所選用關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備適用，主要工藝、工序合理可行，試樁中所取得的各種經(jīng)驗(yàn)和各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)有助于大橋參建單位確定樁基施工工藝、進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)及主要施工設(shè)備選擇，對(duì)建設(shè)單位在招投標(biāo)中關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備和相關(guān)工期要求具有重要指導(dǎo)意義。

（5）工藝試樁工效分析

嘉紹大橋建設(shè)中，全橋工期的控制點(diǎn)為北岸水中區(qū)引橋，而3.8 m大直徑鉆孔樁是水中區(qū)引橋施工的主要難點(diǎn)。水中區(qū)引橋樁基礎(chǔ)施工的控制施工資源為大功率鉆機(jī)。

考慮到3.8 m大直徑鉆孔樁施工時(shí)，施工平臺(tái)搭設(shè)、鋼護(hù)筒施沉、鋼筋籠下放及混凝土灌注等施工工序均可交替進(jìn)行，故施工鉆機(jī)的投入數(shù)量及鉆機(jī)單樁工作時(shí)間是控制水中區(qū)引橋工期的關(guān)鍵因素，亦是大橋總體工期控制的一個(gè)重要因素。

試樁施工鉆孔時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表2。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，試樁純鉆孔時(shí)間為517.4 h，約21.5 d。考慮到實(shí)際施工時(shí)鉆孔工藝將逐漸成熟，以及北岸樁基未入巖，鉆孔施工相對(duì)容易等因素，實(shí)際施工時(shí)，純鉆孔時(shí)間應(yīng)可在20 d內(nèi)。

表2 試樁鉆孔施工時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

表2中其它時(shí)間為337.3 h，約14 d，其中因反復(fù)換鉆頭而提鉆用時(shí)約9.5 d，設(shè)備故障耗時(shí)4.5 d。

按正常施工時(shí)鉆孔工藝基本穩(wěn)定，施工設(shè)備保障良好的狀態(tài)考慮，對(duì)鉆機(jī)單樁平均工作時(shí)間進(jìn)行預(yù)估，內(nèi)容詳見表3。

表3 實(shí)際施工鉆機(jī)單樁工作時(shí)間預(yù)估

表3結(jié)果表明，鉆機(jī)單樁平均工作時(shí)間為一個(gè)月。根據(jù)嘉紹大橋?qū)嶋H建設(shè)條件，按全年樁基礎(chǔ)可施工工期為8個(gè)月（依托棧橋施工）考慮，全橋150根3.8 m大直徑樁，共需投入10臺(tái)鉆機(jī)，則樁基礎(chǔ)施工可在2 a內(nèi)完成。大橋總體工期可以保證。

3 招投標(biāo)關(guān)鍵設(shè)備及工期要求

（1）招投標(biāo)概況

嘉紹大橋所有土建標(biāo)段均采用公開招投標(biāo)形式確定施工單位。150根3.8 m大直徑鉆孔樁施工分別包含在嘉紹大橋第Ⅱ和第Ⅴ土建標(biāo)中，其中，第Ⅱ合同段中有3.8 m大直徑鉆孔樁20根，第Ⅴ合同段中有3.8 m大直徑鉆孔樁130根。

嘉紹大橋第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ五個(gè)土建標(biāo)于2009年2月11日在浙江省招標(biāo)投標(biāo)交易中心同批發(fā)售招標(biāo)文件，并于3月11日開標(biāo)確定施工單位。

（2）關(guān)鍵設(shè)備要求

通過前期的工藝試樁，3.8 m大直徑鉆孔樁施工的關(guān)鍵設(shè)備——鉆機(jī)為保證工程質(zhì)量和工程如期完成的關(guān)鍵，因此，在招標(biāo)文件中對(duì)施工單位投入鉆機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)和數(shù)量做出了明確要求。第Ⅱ合同段要求投入鉆機(jī)扭矩不小于300 kN·m，數(shù)量不少于2臺(tái)；第Ⅴ合同段要求投入鉆機(jī)扭矩不小于300 kN·m，數(shù)量不少于12臺(tái)。

（3）工期要求

按照嘉紹大橋總體工期安排及通過工藝試樁的工效分析，招標(biāo)文件對(duì)嘉紹大橋第Ⅱ和第Ⅴ土建標(biāo)分別做出了30個(gè)月（含上部結(jié)構(gòu)）和21個(gè)月的總工期要求。

4 工程實(shí)踐的工效分析

（1）工程進(jìn)展概況

2009年6月8日第一根3.8 m大直徑樁開鉆。截至2010年5月，共完成3.8 m大直徑樁101根，已完成檢測(cè)樁基礎(chǔ)均為I類樁。樁基施工質(zhì)量和施工進(jìn)展情況良好。

（2）鉆機(jī)投入

根據(jù)招標(biāo)文件要求，兩家施工單位共投入KTY-4000型鉆機(jī)10臺(tái)、ZDZ-4000型鉆機(jī)1臺(tái)、KT-5000型1臺(tái)鉆機(jī)，詳細(xì)性能參數(shù)見表4。

表4 投入的鉆機(jī)性能參數(shù)一覽表

（3）施工工效分析

通過101根樁基的施工過程來看，總體實(shí)施過程比較順利，經(jīng)檢測(cè)均為Ⅰ類樁。可見施工技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)確定，關(guān)鍵施工設(shè)備選擇、混凝土配合比設(shè)計(jì)及總體施工工藝是合適、可行的。

a.成孔工效分析

施工過程中KTY-4000型鉆機(jī)成孔89根樁，單樁平均成孔時(shí)間為13.63 d；KT-5000型鉆機(jī)成孔6根樁，單樁平均成孔時(shí)間20.67 d；ZDZ-4000型鉆機(jī)成孔6根樁，單樁平均成孔時(shí)間16.67 d。101根樁總體成孔平均時(shí)間為:1437/101=14.23 d/根，按15 d/根計(jì)。

b.成樁工效分析

由于鋼筋籠較長，達(dá)110多m，接頭數(shù)量龐大，沉放歷時(shí)長，首根樁達(dá)到了28 h，后采取了一系列措施，施工效率有所提高，基本能控制在20 h以內(nèi)，目前已成101根樁鋼筋籠下放平均時(shí)間為16 h，按 1 d計(jì)。

鉆孔二次清孔時(shí)間最長為17 h，最快為2 h，平均清孔時(shí)間為3.86 h。混凝土灌注時(shí)間最長為16 h，最快為9.5 h，平均灌注時(shí)間為12 h。混凝土灌注時(shí)間包含二次清孔平均時(shí)間為15.86 h，按1 d計(jì)。

項(xiàng)目開工預(yù)估單樁的成樁時(shí)間為30 d，實(shí)際單樁平均的成樁時(shí)間為19 d，單樁施工工效提高了近40%。各工序具體平均耗時(shí)統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 Φ3.8 m直徑樁單樁平均施工時(shí)間

5 結(jié)語

（1）通過3.8 m大直徑超長鉆孔樁工藝試樁合理工效分析，為工程在特定的水文和地質(zhì)條件下合理選擇關(guān)鍵設(shè)備和工期安排提供有效的參考數(shù)據(jù)。

（2）在工程招標(biāo)中設(shè)置關(guān)鍵設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)及投入數(shù)量等強(qiáng)制性條件，為選擇具備施工條件實(shí)施單位，保證工程順利推進(jìn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)

（3）通過嘉紹大橋101根3.8 m大直徑鉆孔灌注樁實(shí)際施工的工效分析，工程實(shí)踐表明，南岸水中區(qū)引橋樁基工期提前了40 d，北岸工程進(jìn)展順利，從而保證了南、北兩岸水中區(qū)引橋的工期。

[1]張敏,諸武越,伏首圣.嘉紹跨江大橋3.8m大直徑鉆孔灌注樁工藝試樁施工[J].公路,2009(12).

[2]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司.嘉興至紹興跨江公路通道嘉紹大橋3.8m大直徑鉆孔灌注樁工藝試樁專題成果報(bào)告[R].

[3]JTJ041-2000,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4]JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]劉自明.橋梁深水基礎(chǔ)[M].北京:人民交通出版社,2003.