深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術探究

陶庭震

（建德市交通發展投資有限公司，浙江 建德 311600）

一、引言

隨著橋梁基礎入水深度的增加、跨度的增大、交通需求的增加，以及海灣大橋和跨江河湖泊庫區大橋的不斷建設，橋梁基礎結構形式由沉井基礎、沉箱基礎逐漸發展為樁基礎、管樁基礎，再發展為特殊基礎和組合基礎。經調查發現，沉井基礎和沉箱基礎應用較為突出，但大多數國家使用樁基礎的頻數較大。防沖刷、防浪和防水是深水裸巖地質鉆孔灌注樁修建的難點，因此對深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術的研究具有重要意義。

橋梁鉆孔灌注樁基礎具有適用性強、承載力大、工藝簡單等特點，被廣泛地應用在我國橋梁基礎建設中。我國交通基礎設施投資建設隨著國民經濟持續發展快速增長，近年來保持穩定增長趨勢，大型橋梁建設在上述背景下進入發展的關鍵時期，尤其是深水湖泊庫區、海灣、跨大江大河等大型橋梁的數量不斷增加。在深水裸巖地質區域建設橋梁，需要滿足大型化和深水化的鉆孔灌注樁技術，同時在施工過程中需要先進的技術和設備，因此需要研究深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術。

二、鋼護筒鉆孔平臺建模分析

（一）計算模型與假定

單根鋼護筒完成埋設但沒有形成平聯是鋼護筒最不利的工況，此時鋼管受力較差、鋼護筒為懸臂自由狀態。應在所有鋼護筒完成埋設后，利用型鋼連接所有埋設好的鋼護筒，提高整體穩定性。

在深水湖庫區中，過往船只產生的涌浪會對處于懸臂自由狀態的單個鋼護筒產生影響，因此需要研究波浪對鋼護筒穩定性產生的影響。通過小振幅波理論分析樁基受波浪的影響，通過積分處理獲得鋼護筒在水中受到的總波浪力：

式（1）中，表示海水密度，表示沖刷時間。

（二）邊界約束條件

為了研究波浪力拍打作用下鋼護筒的穩定性，用鋼護筒頂節點荷載描述波浪力，用一般梁單元描述深水裸巖地基上部分存在的護筒，劃分深水裸巖地基內存在的護筒，獲得若干個彈性地基梁單元。即深水裸巖將彈簧約束施加到巖層內部的鋼護筒中，彈性系數：

（三）受力驗算

分析相關研究成果可知，對鋼護筒樁孔平臺體系的安全產生影響的因素包括：水上施工平臺受到的自然環境影響，包括水流、浪和風等；當深水裸巖施工平臺為長細比較大的鋼護筒時，整個平臺容易失去穩定性發生破壞，長細比較大的薄壁桿件是目前施工中最應被關心的問題；鉆機等施工設備的工作平臺通常是施工平臺，在規范允許范圍內應控制平臺的震動幅度，保證施工精度。

通過上述分析可知，在施工過程中需要首要解決的問題是鋼護筒平臺體系壓曲失穩。

在鉆孔施工平臺中，搭建的鋼護筒沖擊鉆孔時，鉆孔平臺需要承受的主要重量是鉆機自重。在鉆孔平臺中實現多臺鉆孔機的同步工作可以減少施工周期。因此，在不同工況下，應該根據鉆機平臺的總數和布置位置驗算荷載組合。

影響鉆工平臺施工與設計的因素通常包括：設計水位、風壓、設計流速、河床沖刷情況、設計流向、河床覆蓋層地質分布、樁基范圍河床高程等。

根據上述過程計算得到的風荷載標準值結合規范取分項系數計算風載荷設計值。

三、深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術

深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工流程，如圖1所示。

圖1 深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工流程

（一）利用鋼管樁懸臂推進法施工鉆孔樁平臺

鋼管樁難以打入深水裸巖區域和淺覆蓋層中，導致施工穩定性較差。為了解決上述問題，從棧橋側通過履帶吊依次將厚覆蓋層鋼管樁搭設在平臺上部，利用導向架將厚覆蓋層作為施工平臺下放鋼管樁，焊接平聯管，完成上述操作后拆除導向架。

為了增強鋼管樁在深水裸巖地質區域中的穩定性，可增大平聯管尺寸和鋼管樁樁徑，將鋼管樁底部加工為鋸齒形狀。

（二）鋼護筒施工關鍵技術

海上成孔由于受到水下地形地質、水深、海流、風力、波浪、潮差等因素的影響，施工難度高于陸地，鉆孔樁的施工質量和進度直接受到埋設質量的影響。

根據鋼管樁在平臺施工過程中的插打情況，記錄所有鋼管樁樁位在施工過程中的覆蓋層深度，并根據記錄信息繪制樁位覆蓋層深度對應的連線圖，估計和計算鉆孔樁護筒對應的覆蓋層厚度，根據估算結果確定初始護筒長度，有效控制護筒腳下放時的變形。

針對前覆蓋層巖面鉆孔樁鋼護筒施工，國內目前常用的方法是“栽樁”，但深水裸巖巖面的傾斜角度通常較大，用大錘沖擊深水裸巖巖面時難以達到預期效果，發生傾斜的概率較大，為了避免上述現象的發生，需用以下方法加固改進護筒：

1.將抗水流沖擊力強、剛度大的下承式導向架應用在深水裸巖區域中，護筒垂直度可以通過下承式導向架的上下口調節控制護筒下放垂直度。

2.選用整體強度大的鋼護筒，避免護筒在施工過程中變形。加固處理護筒腳底部，避免護筒腳在后續跟進下沉過程中發生變形。

在施工中，應分以下兩種情況處理護筒腳處深水裸巖巖面的傾斜情況。當深水裸巖巖面的傾斜角度較小時，將大強度的塊石添加到護筒內，通過沖錘對護筒沖孔，并及時從周邊厚覆蓋層區采集海泥，在施工過程中造漿清渣，分析護筒的下沉情況，根據分析結果控制下沉深度，重新將平臺與下沉后的護筒固定，固定后進行沖樁施工，具體處理過程，如圖2所示。

圖2 護筒腳巖面處理

當深水裸巖巖面傾斜角較大時，由于深水裸巖巖面與護筒腳之間的夾角過大，不能通過回填塊石處理，應該減小深水裸巖巖面在護筒腳周長范圍內的高差，上述過程可以通過小沖錘沖擊高處深水裸巖巖面得以實現，減小深水裸巖巖面高差后，再利用第一種情況中的方法處理護筒腳巖面。

（三）泥漿配置技術

深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工對泥漿的要求：

1.海水中存在無機鹽種類和含量都較多，因此要求泥漿能夠抗較高鹽類污染、對鹽的敏感性較低，保證泥漿性能穩定。

2.深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工項目中運送淡水的費用較高，且存儲泥漿的容器容量較小，應該尋找價格低廉的材料配置泥漿。

3.要求配置的泥漿無害、無毒，防止毒泥漿污染大海。深水裸巖地質鉆孔灌注樁與島岸線之間的距離較遠，運輸成本高，淡水供應困難。為了解決上述問題，在施工過程中應采用海水泥漿護壁工藝。通過各項性能指標的測試和多種配比不同泥漿的反復適配確定泥漿最終配合比，確保泥漿的成本低、使用效果好、性能穩定。

提高泥漿的性能可在強潮汐、超強季風或臺風等極端惡劣海洋氣候環境下確保深水裸巖地質鉆孔灌注樁的穩定。

（四）鉆孔樁海工混凝土技術

結合深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工項目的實際情況，從施工保護措施、材料配合比優化設計和原材料的選擇三個方面分析，為了提高鉆孔樁在惡劣環境下的耐久性能，可在混凝土中加入粉煤灰。粉煤灰可以降低氯離子擴散系數，增強混凝土后期的強度，提高抗氯離子的滲透能力。

圖4 抗壓試件的破壞形態

四、實驗結果與分析

為了驗證深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術研究方法的整體有效性，需要對深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術研究方法進行測試，測試在ANSYS軟件和MIDAS/Civil軟件中進行。灌注樁計算長度參考《港口工程樁基規范》提供的彈性長樁嵌固點的計算方法確定，樁徑為3m，樁基嵌固點設置為固結。建立的施工平臺有限元模型，如圖3所示，該模型共有115629個節點，97503個單元。

圖3 施工平臺有限元模型

采用設置剛性區來模擬不同結構單元之間的連接。加載初期階段，試件均未出現裂縫，隨著荷載不斷增加，試件表面局部開始出現微小裂縫，當荷載達到峰值荷載時，裂縫繼續擴展，部分貫穿試件。

混凝土立方體抗壓強度按公式（6）計算：

在養護前期，混凝土強度增長較快，隨著齡期的增加，增長速度越來越慢，最后趨于平緩。該變化表明，早齡期混凝土內部水化反映相對后期較為活躍，性能變化顯著，是混凝土抗壓強度增長的重要時期。說明采用對數函數模型能夠較好地反映水下混凝土的早齡期抗壓強度。水下混凝土的養護齡期與抗壓強度呈非線性增長趨勢。

在研究深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術過程中，建模是重要方法，建模精度影響著研究結果，將建模精度作為測試指標在不同施工工況下，對深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術研究方法進行測試，測試結果如圖6所示。

圖5 抗壓強度與齡期的關系

圖6 建模精度測試結果

分析圖6中的數據可知，在不同工況下深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術研究方法構建的模型精度均在90%以上，因為深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術研究方法在有限元理論的基礎上構建了單根鋼護筒數學模型，并分析了邊界約束條件和荷載，提高了建模精度，為深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工提供了參考依據。

建模效率也是人們在深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工過程中關注的重點，通過建模時間驗證深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術研究方法的建模效率，測試結果如圖7所示。

圖7 建模時間測試結果

由圖7中的數據可知，在不同施工工況下深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術研究方法建立數學模型所用的時間均在0.5h以內。因為深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術研究方法參考《公路橋涵地基與基礎設計規范》和《公路橋涵設計通用規范》對相關標準值進行計算，縮短了計算所需時間，進而縮短了建模所需時間，提高了深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術研究方法的建模效率。

在混凝土中摻入粉煤灰，研究鉆孔樁海工混凝土的性能，深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術研究方法參考國內外相關資料，在密實結構與均勻分布相結合原則的基礎上反復適配多種配合比，最終確定33.0%大摻量粉煤灰海工混凝土。33.0%大摻量粉煤灰海工混凝土的理論配合比和實測結果分別如表1、表2所示。

表1 理論配合比

表2 實測結果

分析表2中的數據可知，將粉煤灰摻入混凝土中，在后期有潛力提高混凝土的強度，并緩慢減小氯離子在混凝土中的滲透能力。上述三種配合比的測試結果均可滿足深水裸巖的施工要求和設計要求，可以應用在深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工過程中。

五、結語

本文在有限元理論的基礎上分析邊界約束條件和荷載條件，構建鋼護筒數學模型，分析深水裸巖地質鉆孔灌注樁施工關鍵技術的基本流程，并研究了采用鋼管樁懸臂推進法施工鉆孔樁平臺技術、鋼護筒施工關鍵技術、泥漿配置技術及鉆孔樁海工混凝土技術。對構建模型的精度和效率進行了測試，水下混凝土的養護齡期與抗壓強度呈非線性增長趨勢，建立數學模型所用的時間均在0.5h以內，33.0%大摻量粉煤灰海工混凝土的經濟效益顯著、效果良好、施工方便。