港珠澳大桥钢管复合桩的施工问题及改进措施

卓家超 ，钱所军

（1.广州南华工程管理有限公司，广东 广州 510230；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；3.长沙理工大学，湖南 长沙 410114）

1 工程概况

港珠澳大桥主体工程桥梁工程全长22.9 km，其中深水区桥梁约15.824 km，包括青州航道桥、崖13-1气田管线桥、江海直达船航道桥和深水区非通航孔桥，均采用钢管复合桩，包含136个墩台，1 006根桩基，见表1。

非通航孔桥等宽段低墩区桩径φ175/200，嵌入中风化岩石持力层不小于4 m；等宽段高墩区及变宽段φ195/220，嵌入中风化岩石持力层不小于5 m。通航孔桥φ215/250，桩底标高嵌入中风化岩深度不小于1.5倍桩径[1]（2.15×1.5=3.225 m）。桩顶标高约-8～-10 m，钢管长度约40～60 m，平均桩长约103 m，最大桩长129.7 m，最大混凝土设计方量558.1 m3。

桩基是桥梁施工的关键环节，必须按照设计文件与施工规范的要求，选用合理的施工方案、工艺流程，坚持以预防为主，风险预控相结合的原则，采取有效的措施进行施工控制。

表1 深水区桥梁桩基数量Table1 Thebridgepilefoundation number in deepwater area

2 钢管沉桩设计要求

钢管桩竖向荷载主要承载施工期荷载，绝大部分桩端进入砂层，部分墩进入强风化岩。对于砂层，可以满足打到设计高程的要求；对于含砾较多或碎块状强风化岩，依据锤重、钢管长度及地质资料，经设计验算后，以最后贯入度作为终孔标准；在沉桩过程中，应严格控制各桩的相对平面位置，避免与承台连接困难，桩顶平面位置允许偏差小于100 mm，倾斜度小于1/250，以保证钻孔桩和墩台垂直度。避免贯入度连续小于4 mm，防止桩底卷边影响钻孔桩施工。

CB03标非通航孔桥采用导桩架+振动锤沉桩工艺[2]，见图1。CB04标采用打桩船+液压锤沉桩工艺[3]，见图2。

图1 导桩架、振动锤沉桩工艺Fig.1 Pile-sinking technology of guide pile frameand vibratory hammer

图2 桩船、液压锤沉桩工艺Fig.2 Pile-sinking technology of pile driving boat and hydraulic hammer

3 地质概况

全桥经过8处断裂带，其中青州航道桥穿过断裂带。

每个墩位至少有2个钻孔，揭示地层如下：

①层：淤泥、淤泥质土，厚度29.8～35.4 m；②层：粉细砂、中粗砂，厚度0～8.3 m；③层：粉质黏土，中间夹砂，夹软弱土，厚度0～18.0 m；④层：密实砂类土，中下部夹透镜体状软土，厚度27.4～47.0 m；⑦层：混合片岩，厚度10.2～52.4 m；⑧层：混合花岗岩，厚度0～27 m；⑨层：构造破碎带和角砾夹泥等。

中风化花岗岩，饱和抗压强度18.9～71.9 MPa，平均43.27 MPa；中风化混合片岩，饱和抗压强度17.1～69.0 MPa，平均39.93 MPa；中风化混合花岗岩，饱和抗压强度17.6～67.6 MPa，平均43.46 MPa。

全桥基本为支撑桩，仅个别墩台为摩擦桩。基岩面、中风化层顶面有一定的起伏，少量钻孔揭露花岗岩球状风化现象，应注意持力层坡度较大处的基础稳定性。部分墩中风化岩面坡度大于50%～100%，甚至大于200%～300%，在施工时应予以充分重视，采取必要措施。必要时应进行施工勘察。

4 钢管复合桩施工进展情况

1） CB03标非通航孔桥，2012年11月3日至2013年9月20日，累计完成47个墩的282根钢管打设；2012年12月31日至2013年9月20日，完成钻孔灌注桩施工137根。

2） CB03标青州航道桥，2012年11月2日至2013年4月23日，全部完成6个墩的156根钢管打设施工；2013年2月21日至2013年9月20日，完成钻孔灌注桩施工91根。

3） CB04标的非通航孔桥，2013年1月23日至2013年8月20日止，累计完成27个墩的162根钢管打设；2013年2月17日至2013年9月20日，完成钻孔灌注桩施工75根。

4） CB04标江海直达船通航孔桥，2012年12月21日至2013年8月9日，全部完成7个墩的112根钢管打设施工；2013年2月3日至2013年9月20日，完成钻孔灌注桩施工46根。

5 前期暴露的问题

1） 钢管桩护筒底部变形、卷边。如146-5桩，145-1、2、6 桩，143-2、3、6 桩，138-3桩。

2）钢管桩护筒下沉、倾斜。如119-3桩。该桩在钻孔至-105 m时，钢管桩护筒下沉1.2 m，钢护筒顶面有所变化，钻头提至护筒底后难以提出来。由于地质原因所致，处理起来较麻烦，最后下钻头导向装置才把钻头取出。

3）塌孔。从现状分析，为泥浆浓度和比重不足所致，也反映出技术经验不足，钢管桩端部不能形成很好的泥浆护壁，几乎同时施工的两根钻孔桩之间存在相互影响。

4）孔内弃物。在孔内丢弃钻头、钻具时有发生，虽对质量影响不大，但对工期影响很大。反映出工前对钻具丝扣检查不足，操作程序不当。

5）沉渣过大。客观原因是砂层厚度大且非均质，孔深达100 m，钢筋笼安装时间长，重点是提高二清质量。

6）混凝土坍落度过小、堵管[4]。坍落度宜按220～230 mm控制，确保混凝土和易性和流动性。

7）浇筑管爆裂。钢筋笼安放和混凝土浇筑两者工序紧凑，应合理安排。由于非通航孔桥桩每根混凝土方量为200～300 m3，浇筑7～13 h，通航孔桥桩方量为500 m3，混凝土浇筑时间过长，应确保浇筑过程的连续性。

8）钻杆折断、掉钻头。加强设备的维修和检查，控制好岩层的钻进速度，出现问题情况见表2。

表2 出现问题的情况汇总Table 2 Problemssummary

6 风险分析

6.1 安全环保风险分析

跨崖13-1管线桥若出现事故是灾难性的。遭遇台风、浓雾、突风、雷暴、强降雨、烈日、大浪等恶劣气候；每天通过该海域船舶达5 000艘，易发生海上碰撞事故；涉及临边、临水、高空作业，易发生意外坠落事故；施工平台狭小，孤悬于海中，防止碰撞、局部失稳或垮塌；人员落水、用电隐患；存在海底管线、地下障碍物；避免施工船舶撞击白海豚，避免施工噪音对白海豚繁殖的影响；禁止泥浆、油污、生活垃圾排放海域；防止沉船、原材料或构件坠落海中对海洋的污染。

6.2 质量风险分析

影响施工质量的因素为4M1E，即施工人员、施工船舶及设备、施工材料、施工方法和施工环境。用层次分析法进行风险因素排序，在此基础上运用模糊综合法进行整体风险评价，钻孔桩施工风险因素排序前15位分别是：1） 钢筋笼安装时间过长；2）人员技术素质不足；3） 施工管理和协调不足；4） 不利的海洋气候条件；5） 混凝土生产灌注能力不足；6） 清孔不彻底与孔底沉淀厚度大；7）泥浆控制不当；8）断桩、夹泥等桩身质量问题；9）钻进出现塌孔、扩孔、缩孔现象；10） 钻杆折断、卡钻、埋钻、掉钻头现象；11） 设备故障、不稳定的供电；12） 地质勘察不足；13）护筒埋设位置、高度、深度不合理；14）钻架安装不平稳；15）钢管桩施工缺陷。

6.3 施工质量风险评估

本项目钻孔桩长度大，最深129 m。主要特点是所有桥墩均采用钻孔桩，数量大，因此，虽然技术风险影响水平低，但风险发生概率还是很大。

II类桩不宜超过10%，一旦出现III类桩，由于桩位是唯一的，危害大。

主要技术风险来自混凝土灌注、清孔、钻孔工艺。因此要对员工加强技术培训与指导，各工种应选择专业化水平高、操作熟练的工人。

对一些典型风险因素，可以通过适当增加投入和加强管理来降低风险。

6.4 钢管复合桩的施工风险管理

施工方法全部细节应符合设计要求，报监理审批，包括材料和全部设备、钻孔平台的说明。任一钻孔工作开始前都应得到监理的书面批准。

每根桩基的全部施工记录，作为工程资料应妥善保存。自行拟定记录格式时，应经监理批准。

跨越崖13-1气田管线桥施工时，应在基础工程施工期取得管线与桥位相交的准确位置及坐标，并在桥梁施工开始前实地确定管线确切位置，完成要求的防护措施或防护工程，在施工过程中确保施工安全距离，制定相关应急预案。施工工作计划应同时报监理及天然气管线公司审批。

地质补勘问题：对同一墩位岩面倾斜较大的桩基，应尽量保证逐孔都有地质钻孔资料。

终孔的判断问题：原则上在地质资料的基础上，以进尺速度及渣样强度作为判断入岩及终孔的标准，从程序上特别强调监理对入岩的判断。

桩基加深及提前终孔的程序管理问题：原则上不允许桩基提前终孔，尽量减少加深：对于桩基提前终孔的情况，因涉及结构受力，此问题应由施工单位、现场监理及设计代表、甲方代表四方共同确定。

变更管理的问题：对于可能出现的桩基加深及提前终孔，均需办理相关变更手续。管理局终孔管理办法明确：在设计标高0～50 cm范围内，由监理确认。超过范围需会同设计和管理局。

需要增加桩长的，变更长度由设计确定，施工完成后须经监理验收签认，按照原桩基单价计量。桩基应在无损检测验收合格后才能进行承台安装施工或浇筑施工。

钻孔过程中的泥浆及钻渣的处理应符合环境保护规定，并取得监理的认可。泥浆及钻渣不得污染当地水系。

钻孔施工和灌注混凝土期间，所产生的废弃泥浆不得直接注入海中，应经净化达到排放要求后，至指定区域排放，以免造成环境污染。

7 常见问题分析及防治措施探讨

7.1 钢管桩底部卷边

原因：地质因素和沉桩锤击能量过大。因多出现于φ2.2 m的桩，也可能是桩底壁厚不够（φ2.0 m、φ2.2 m的桩底壁厚均为32 mm，φ2.5 m的桩底壁厚为36 mm）。

防范措施：对于出现含砾多的砂层、碎块状强风化层、球状风化、海底残留物或障碍物时出现钢管底部卷边机率大，在沉桩过程中控制好沉桩锤击能量和贯入度。如出现钢管桩底部卷边，在水深允许的情况下可进行潜水员水下切割，但安全风险比较大；主要是利用片石和冲锤扩孔，并采用冲击锤成孔的措施（138-3号、143-6号桩已使用冲锤）。

7.2 桩底沉渣量过多

造成原因：因船运供应淡水不足，清孔泥浆中混有海水，泥浆性能指标差或由于海水造浆而加速沉渣沉淀；提起钻头前清孔不干净，提起钻头时间过长；钢筋笼开始安装时须安装多根检测管和取芯管，工人操作不熟练，安装时间较长；导管的安装也因受到施工平台和施工设备的限制而需花费不少时间。待安好导管具备二次清孔时，孔底的沉渣已沉积很多并且比较密实，使得二次清孔比较困难。

防治措施：加强淡水供应，杜绝海水造浆，泥浆性能必须满足规定要求；成孔后，一清要到位，加快提钻和安装钢筋笼速度，缩短一清到二清之间的停顿时间，减少沉渣沉积。利用导管进行二次清孔时，采用导管管口多点触底清孔，直到孔底沉渣厚度满足规定要求。灌注混凝土时，再利用剪球的混凝土巨大冲击力溅除孔底少量沉渣，以达到清除孔底沉渣的目的[5]。

7.3 塌孔

造成原因：泥浆稠度小，护壁效果差，出现漏水；泥浆水头高度不够，对孔壁压力减少；泥浆相对密度过小，使水头对孔壁的压力较小；在松软砂层中钻孔时进尺过快，泥浆护壁形成较慢，并孔壁渗水；钻进时未连续作业，中途停钻时间较长而未进行泥浆循环；操作不当，提升钻头或吊放钢筋笼时碰撞孔壁；钻孔附近有大型船机设备作业时产生振动；清孔后未及时浇筑混凝土，放置时间过长。

预防措施：钻孔附近禁止大型船机设备作业；钢护筒打设时，根据地质资料，将护筒穿过淤泥及透水层，护筒之间接头要密封好，防止漏水；根据地质情况，选用适宜的泥浆比重、泥浆黏度、不同的钻进速度。如在砂层中钻孔时，应加大泥浆稠度，选用较好的造浆材料，提高泥浆的黏度以加强护壁，并适当降低进尺速度；当汛期或水位变化较大时，应采取升高护筒，增加水头或用虹吸管等措施保证水头压力相对稳定；钻孔时要连续作业，无特殊情况中途不得停钻；提升钻头、下放钢筋笼时应保持垂直，尽量不要碰撞孔壁；若浇筑准备工作不充分，暂时不要进行清孔并保持泥浆循环，清孔合格后及时浇筑混凝土。

7.4 断桩

造成原因：混凝土浇筑过程中断，不能一次浇筑完成；搅拌船设备、供电设备出现故障使浇筑不连续；导管漏水；导管提漏而进行二次下球；浇筑时出现串孔而不得不中断混凝土浇筑；混凝土生产能力不足，浇筑时间过长，孔内的混凝土面层已接近初凝，形成硬壳，造成混凝土继续浇筑极为困难，以致堵管或导管难以提拔上来，引发断桩事故。

防治措施：在混凝土浇筑前认真做好搅拌船等设备维修保养工作，认真检查安装浇筑导管的水密性，确保混凝土浇筑的连贯性；在混凝土浇筑时，尽量提高混凝土的浇筑速度，并经常测量浇筑导管的埋深，提升导管要准确，保证导管埋深在4～10 m之间。在混凝土灌注过程中，如果出现堵管或其他原因而不得不中断浇筑，可以利用导管及时清除已浇筑的混凝土，清孔干净后再重新开盘浇筑，以避免断桩的发生；如果中断混凝土灌注的位置在钢护筒内，过后能保证把钢护筒内的泥浆水抽干，可以对发生的断桩进行干接桩施工处理。

7.5 钻孔倾斜

造成原因：海上施工平台重心高、刚性小、稳定性差，施工平台常常受到风浪、船舶靠泊、船舶碰撞的影响，安装就位在平台上的钻机稳定性较差，钻机作业时不稳所致；钻孔地质中夹有大的孤石或遗留钻杆或其它硬物或岩面倾斜等情形。

防治措施：加强施工平台的整体刚性，提高稳定性，在施工平台外侧打设独立的靠船桩，避免施工船舶直接靠碰平台；安装钻机时转盘中心与钻架上起吊滑轮在同一轴线，钻杆位置偏差不大于15 cm。采用自重大、钻杆刚度大的钻机，并安装导正装置。地质中夹有大的孤石或遗留钻杆或其它硬物或岩面倾斜等情形钻进时，采用慢档钻速。出现钻孔倾斜时，可提起钻头到倾斜处修孔，如修孔效果不大且孔斜位置在岩层处，应在孔中浇筑水泥砂浆至斜孔以上，待水泥砂浆达到一定强度后再重新钻进；或者回填块石后采用冲击锤冲孔。

7.6 钻杆折断、掉钻头

造成原因：钻杆老旧，维修保养不到位；岩层坚硬，难以钻进；钻孔偏斜，出现卡钻。

防治措施：加强钻机等设备的维修和检查，保证在钻进时设备状态良好；控制好岩层的钻进速度；出现钻孔偏斜时，及时进行纠偏，并放慢钻进速度，避免卡钻情况出现。

8 桩基质量的检测情况

从港珠澳大桥桥梁工程桩基声波透射法的6次检测结果统计来看，桩径φ250 cm的通航孔桥桩Ⅰ类桩比例较低，一般在80%以下，非通航孔桥的桩长越短、桩径越小的Ⅰ类桩比例较高。因此从施工情况看，港珠澳大桥钢管复合桩的超长桩（桩长≥90 m）的Ⅰ类桩比例难以达到90%以上。今后必须认真对待Ⅱ类桩，分析原因，总结经验，提高钻孔灌注桩的Ⅰ类桩比例，以使Ⅰ类桩的总体比例达到90%以上的创优目标。

2013年5月10日开始，检测单位对部分桩基进行了基桩钻孔取芯法检测，从检测报告结果看到：桩身混凝土芯样连续、完整，芯样表面光滑，粗、细骨料分布均匀、胶结良好。桩底无沉渣或沉渣厚度均满足质量验收标准要求，混凝土芯样抗压强度满足设计要求。

9 结语

通过10多个月施工探索、总结经验，港珠澳大桥钢管复合桩的施工已走上正轨，特别是钢管桩的打设施工，施工工艺成熟可靠，施工质量满足设计和验收的高标准要求；钻孔灌注桩的Ⅰ类桩比例有所提升。但是，还需深刻认识到钻孔灌注桩的施工复杂性，干扰因素多，超长桩的施工难度大。在后续的大量施工中，需根据施工现场出现的问题，认真分析、研究、解决问题，并不断的对作业指导书进行补充、完善、优化，重视过程预控，保质保量地完成港珠澳大桥钢管复合桩的施工任务。

[1]中交公路规划设计院有限公司.港珠澳大桥主体工程桥梁DB01标段施工图设计[R].2012.CCCCHighway Consultants Co.，Ltd.Construction drawing design of DB01 section of main bridge project in the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2012.

[2]中交一航局二公局联合体.港珠澳大桥主体工程桥梁工程CB03标段施工组织设计[R].2012.CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.and A Consortium of CCCCSecond Highway Engineering Co.，Ltd.Construction organization design of CB03 section of main bridge project in the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2012.

[3]广东省长大公路工程有限公司.港珠澳大桥主体工程桥梁工程CB04标段施工组织设计[R].2012.Guangdong Changda Highway Engineering Co.，Ltd.Construction organization design of CB04 section of main bridge project in the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2012.

[4]马亚岑，户相洛.钻孔灌注桩基础施工的常见问题及处理方法[J].技术与市场，2010（8）：34-35.MA Ya-cen，HU Xiang-luo.Common problems treatment in the construction of cast-in-place pile foundation[J].Technology＆Market，2010（8）：34-35.

[5] 王海晔，户相洛.钻孔灌注桩施工过程常见问题及防治措施[J].陕西建筑，2013（4）：45-47.WANG Hai-ye，HU Xiang-luo.Common problems and control measures in the construction of cast-in-place pile foundation[J].Shaanxi Architecture，2013（4）：45-47.