拉各斯輕軌跨海橋深水樁基礎施工技術

王炳軍

(中國土木工程集團有限公司 北京 100038)

1 工程概況

輕軌藍線是拉各斯軌道交通(LRMT)的一部分，全長28 km，含8 km高架橋(540 m跨海橋)、20 km路基、12座車站，設計速度100 km/h。拉各斯藍線輕軌采用中國標準，為交鑰匙工程，由中國土木工程集團有限公司總包，中鐵第四勘察設計院集團有限公司設計分包。

拉各斯輕軌跨海橋位于輕軌藍線的起點附近，跨越大西洋入海口，水中部分約492 m，主跨為40 m＋5×60 m＋40 m連續梁，基礎為摩擦型群樁，樁徑為φ1.25 m和φ1.5 m。主墩基礎樁徑1.5 m，樁長80 m，采用梅花形布置，樁間距3.9 m。橋位處水深3～20 m，受潮汐影響，水位4 h變化一次，最大潮差1.5 m，最大流速1～2 m/s，最大浪高約1 m。湖底表層為淤泥，深0.5～11 m，其下為中密砂層。

由于樁基較長，達80 m，為中土在尼施工的最長樁基，且施工時受漲落潮影響，鉆孔垂直度控制困難，施工中必須合理選擇施工平臺及鉆孔機械，把握施工時機，控制鉆孔精度，嚴格泥漿護壁配合比和水下混凝土坍落度[1]。

2 鉆孔樁施工平臺

2.1 鋼棧橋和平臺

施工平臺有駁船法和棧橋法，經過方案比選，最終選定棧橋法作為施工方案。

鋼棧橋大里程側起點位于115＃墩左側，基本跨度為12 m，橋面寬度為8 m，共46孔，全長571 m。其中，第一跨采用15 m鋼梁跨越既有鋼橋，第二跨采用14 m貝雷梁跨越水中既有墩，通航孔為15 m跨。

鋼棧橋采用貝雷梁加型鋼的組合結構形式，棧橋基礎采用φ800×10 mm的鋼管樁，非制動墩采用3根鋼管樁，制動墩處設置雙排6根鋼管樁，鋼管橫向中心間距3 m，縱向中心間距1.8 m，每排橋墩的鋼管樁均采用φ273×8 mm鋼管連接成整體，其橫斷面見圖1。棧橋施工主要由基礎鋼管振沉、貝雷梁架設和橋面鋪裝三部分組成。

圖1 鋼棧橋橫斷面

承臺尺寸(13×15.5)m，平臺尺寸(31×26.8)m。平臺采用三面圍護的”U”型平臺，方便吊車和混凝土泵車站位。

2.2 荷載檢算

荷載滿足100 t履帶吊站位于墩頂進行吊裝施工，起吊最大荷載為20 t。不允許履帶吊站在棧橋跨中進行起重作業，且履帶吊履帶邊緣距離棧橋邊緣不得小于0.5 m[2]。棧橋計算工況見表1。

表1 棧橋各狀態下的計算工況

對表1各工況下貝雷片的受力進行分析計算后可知，100 t履帶吊機荷載組合為主梁控制荷載。100 t履帶吊在墩頂側吊20 t即工況Ⅲ時，貝雷片豎桿受力最大，最大值為161.2 kN，見圖2；100 t履帶吊走行至跨中即工況1時弦桿受力最大，最大值為347 kN(見圖3)，此時斜桿也為最大受力狀態，受力125.4 kN；其余工況桿件受力均小于此兩種工況。貝雷梁各桿件容許受力情況見表2。綜上，貝雷梁桿件受力均滿足要求。

表2 貝雷梁各桿件容許承載力

圖2 工況Ⅲ豎桿受力

圖3 工況Ⅰ弦桿受力

3 鉆孔施工及工藝控制

3.1 工藝流程

旋挖鉆孔灌注樁施工工藝流程見圖4。

圖4 鉆孔樁施工工藝流程

3.2 配合比選定

由于是海中施工，設計要求混凝土具有較強的抗腐蝕性，因此標號較高，設計為C50水下混凝土。

當地水泥種類較少，選用質量較穩定的DANGOTA42.5普通硅酸鹽水泥，大象42.5水泥作為備份，防止DANGOTA水泥斷供時無法施工。

外加劑選用FOSROC RP 500C，摻合料選用印度進口的一級粉煤灰。施工時采用在混凝土中摻加礦物質細粉和高效減水劑的雙摻技術，減少拌和混凝土的用水量，降低水灰比，提高混凝土的密實度，改善其抗滲性能，從而提高抗侵蝕能力[3]。經試驗選定配合比為 1∶0.4∶1.79∶2.69∶0.25(水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰)，實測坍落度19 cm，和易性和強度均滿足要求。

3.3 鋼護筒制作及安裝

(1)鋼護筒加工與制造

鋼護筒由后臺加工場及當地專業廠家制作，定尺長度12 m，根據現場測量情況，在現場進行下料或接長。護筒間豎向采用焊接連接，每一接頭外貼焊6塊(20×15×10)mm加強鋼板。

(2)鋼護筒的運輸

鋼護筒加工制造完成后，采用平板車運至臨時碼頭，通過汽車吊吊至運樁駁后運至施工場地。水上運輸采用3 000 t駁船裝載運輸，駁船凈空尺寸48 m(長)×20.65 m(寬)，滿足鋼護筒載重及堆放要求。鋼護筒運輸前，編制現場沉樁順序，以先打入的后裝船，后打入的先裝船為原則。

鋼護筒樁分層布置，錯位層層疊放。底層采用200×200枕木(排距6 m)墊底，左右(枕木)側采用三角木楔楔緊。

(3)鋼護筒下沉

沉樁施工是確保樁基質量的基礎，采用打樁船沉樁。在施工過程中，要嚴格管理，將樁頂標高和偏位控制在規范要求的允許偏差以內。

沉樁開始時，發動打樁船主機，在計算機的指引下，進行船體定位，調整樁架的狀態[4]。經校正無誤后下樁，在樁尖入土2～3 m后，暫停下樁，對樁體進行進一步校正后繼續沉樁，直至在樁體自重作用下，樁不再下沉為止。在此基礎上壓錘，樁繼續下沉，當樁停止下沉后，保持船體平衡，要求樁錘、替打和樁保持同一軸線上，檢查無誤后，啟動樁錘，開錘施打。開始錘擊時油門控制得小一些，以后逐步加大，直至設計標高。整個打樁過程要求做好詳細記錄。

3.4 施工鉆機選擇

根據我司在尼日利亞設備情況、鉆孔深度和地質情況，選用山河智能280型旋挖鉆機，鉆頭選用雙開門撈砂斗。鉆頭在使用前改良，設置減壓孔，以降低提鉆負壓對孔壁穩定性的影響。山河智能280型旋挖鉆機主要性能:最大鉆孔直徑2 300 mm；最大鉆孔深度85 m；轉盤扭矩300 kN·m；提升能力88 t；最大加壓力280 kN；額定功率250 kW；鉆機總質量85 t。

3.5 泥漿制備

泥漿指標是保證成孔的關鍵，泥漿密度及粘度偏低則容易塌孔，偏高則不利于鉆進且會造成孔壁泥漿過厚而降低樁的摩擦力[5]。結合當地實際情況鉆孔用漿采用復合鉆井液:膨潤土基漿＋復合鉆井助劑溶液制成復合鉆井液，成漿指標見表3[6]。

表3 泥漿指標

3.6 旋挖鉆孔施工

(1)準備工作

開鉆前再次檢查各種機具設備狀態是否良好、泥漿制備是否充足、水電管路是否暢通，以確保正常工作[7]。

(2)啟動泥漿泵

正式鉆進前先啟動泥漿泵，使之空轉一段時間，待泥漿輸入孔口一定數量后，正式鉆進。

(3)鉆進注意事項

鉆進時，在護筒底處應低壓慢速鉆進，鉆至護筒底下1.0 m左右后開始正常鉆進。

在鉆進過程中鉆機不能產生位移或沉陷，否則應及時處理。在鉆孔排渣、提鉆頭或因故停鉆時，應保持孔內具有規定的水位和要求的泥漿相對密度和粘度[8]。

司鉆人員必須先熟悉地質狀況，鉆進過程中應定時測試泥漿指標，從而確定所處地層以調整鉆進參數。鉆孔作業應分班連續進行，填寫的鉆孔施工記錄，交接班時應交待鉆進情況及下一班應注意事項。

(4)防止超鉆

當鉆孔距設計標高較近時注意控制鉆進速度，防止超鉆，并通知地質人員核實地質資料[9]。

3.7 清孔

當鉆進至與設計標高差1 m時，改用稠泥漿；當鉆孔深度達到設計要求后，立即進行清孔，以免時間過長沉渣沉淀，造成清孔困難。

清孔分兩次進行:第一次是在鉆孔達到設計標高后，將鉆頭提起離孔底約30 cm，鉆機繼續旋轉，同時供給稠泥漿，直至將孔內含渣泥漿換完；第二次是在安裝鋼筋籠后，灌注水下混凝土前利用導管清孔[10]。

3.8 鋼筋籠制作安裝

鋼筋籠骨架在營地鋼筋加工場地分段制作，用加長拖車運輸，經棧橋運輸到墩位處，履帶吊吊裝入孔，并在進口處進行焊接。由于鋼筋籠較長，合理分節既有利于運輸和吊裝，又能減少孔口對接時間。經分析，按一根鋼筋的長度12 m進行分解，減少浪費，由50 t履帶吊吊裝。

3.9 水下混凝土灌注

鉆孔樁水下混凝土在攪拌站集中拌制，混凝土運輸車運輸，導管法灌注，導管直徑為30 cm。

在清孔過程中，及時和攪拌站聯系，清孔即將完成時，通知攪拌站運送混凝土。導管使用前，進行試拼和試壓試驗，試壓壓力宜為孔底靜水壓力的1.5倍。

(1)安裝導管并放入鉆孔內，導管下口離孔底20～40 cm，上口與儲料斗相連，儲料斗的容積不小于3 m3。確保首批混凝土灌注后導管埋入深度大于1 m。

(2)導管安裝后，再次探測孔底沉渣厚度，如超過設計要求，則需進行二次清孔至合格為止[11]。

(3)混凝土運至現場時，要檢查混凝土的和易性、坍落度。如坍落度過低，則加入減水劑二次拌和，二次拌和后仍不符合要求的，混凝土退回拌和站。

(4)水下混凝土灌注過程中，用測繩隨時探測孔內混凝土面的標高，及時調整埋管深度。導管埋深控制在2～6 m內，采用履帶吊提拔導管，砼灌注速度應適中并注意防止鋼筋籠上浮。

(5)水下混凝土灌注應連續進行，中途不得中斷，并防止灌注過程中發生塌孔、縮孔。

(6)水下混凝土澆筑面應高出樁頂設計高程最少1 m，防止樁身混凝土缺陷。

(7)灌注將結束時，核對灌入的混凝土數量，以確定所測混凝土頂面高度是否正確。

4 體會

根據設計要求，樁身全部檢測，經超聲檢查，跨海橋鉆孔樁質量均為合格，完全達到設計要求。通過拉各斯跨海橋深水超長樁的鉆孔灌注施工實踐，對異國海中深水超長樁基礎施工體會如下:

(1)尼日利亞是一個工業不發達的國家，其租賃市場不發達，基本無法租到大型的施工設備或價格特別昂貴，也無法買到商品混凝土。因此在尼日利亞進行重要結構施工，施工前的準備工作非常重要，重要設備的備份必不可少。一般情況下，混凝土攪拌設備均是兩個，發電機也必須備份。

(2)駁船法在國內常有應用，但駁船施工需要有混凝土攪拌船、交通船和浮吊等大型設備。這些大型設備目前在尼日利亞的市場應用不多，若僅是此項目使用，則成本壓力很大，且根據尼日利亞法律不能調出尼日利亞。經過慎重考慮，反復衡量比較和根據在尼的設備情況，最終選擇鋼棧橋方案。

(3)鉆進過程中，鋼護筒的強度非常重要。提鉆時，護筒底部有針管效應，相當于抽真空，為防止鋼護筒被壓癟，采取了以下措施:一是使用12 mm鋼板加工護筒，接頭部分都進行加強，韌腳采用16 mm鋼板加強；二是護筒直徑1.65 m，大于鉆頭直徑1.5 m，有利于泥漿通過；三是鉆頭經過現場加工，增設了減壓孔，大大減小了底部壓力；四是控制提鉆速度，保證了鋼護筒的穩定。

(4)鉆孔設備及其配套的機具選型相當重要。選用的山河智能280型旋挖鉆，參數上鉆孔深度85 m，實際鉆桿長度達到了86 m且鉆進極為順利。

(5)鉆進過程中必須控制進尺速度，調制合適密度的泥漿，確保孔壁泥皮結實堅固，防止塌孔[12]。