海洋环境下超长超大直径钢管复合桩施工关键技术研究
【成果名称】海洋环境下超长超大直径钢管复合桩施工关键技术研究
【完成单位】浙江交工集团股份有限公司
【鉴定/评价日期】2020-12-23
【被鉴定/评价的水平】国内领先
【成果内容简介】
一、研究内容
本研究依托工程岱山县鱼山大桥钢管复合桩桩径2.2m～5m，桩长15m～148.2m，桩径、桩长均创国内之最，单桩钢筋笼最大重量达241.3t，单桩永久钢护筒最大重量297.1t，单桩混凝土最大灌注方量1943.2m3。鉴于海上施工条件恶劣，桥址处地质条件复杂，桩基成孔困难，超长超大直径钢管复合桩的钢管和钢筋笼外形尺寸庞大、单根重量重，加工、运输、吊装、定位、沉放等环节存在诸多困难。针对本工程5m超大直径超深变截面钢管复合桩施工关键技术的研究较为罕见。
本研究依托于鱼山大桥工程，深入开展海洋环境下超长超大直径变截面钢管复合桩施工关键技术研究，采用现场试验、数值模拟和理论分析方法，对超大直径超长、超重钢管、钢筋笼在制作安装、运输起吊、对接、沉放等方面难题提出有效措施，对受海洋潮汐和风浪影响的超长大直径桩基成孔方法，超大方量海工混凝土灌注技术展开研究，同时展开超大直径变截面钢管混凝土桩在复杂受力条件下的承载力与变形特性的现场试验和数值分析，为钢管复合桩设计和施工提供试验和理论依据。
二、成果技术原理及应用领域
成果技术原理：
（1）海上超长超大直径永久钢护筒高精度定位技术
1）沉管导向架定位技术
采用沉管导向架精确定位打设海上永久钢护筒是指采用打桩船打设沉管导向架，再通过调节沉管导向架上的定位装置，精确定位永久钢护筒的平面位置。沉管导向架由钢护筒、定位平台和可调式抱桩定位器组成。
2）“T型定位法”测量定位技术
“T型定位法”是指采用打桩船打设钢护筒，在桩位的左、右侧和前方（以打桩船的前进方向为前方）三侧设置A、B、C测点进行水平定位测量，以A、C点的距离测量来确定水平两个方向的精确调整值，以B、C两点切线定好目标竖直线，通过观测钢护筒外壁与两条目标竖直线是否重合来确定钢护筒调整是否到位。
（2）超长超大直径变径桩基钻孔技术
1)变径桩回旋钻钻孔技术
针对超大直径变径桩基采用回旋钻法钻孔时，提出先采用大直径桩径钻大直径桩孔，然后再换成小直径钻头钻至孔底的施工工艺；考虑到永久钢护筒的剪力键尺寸，钻头的直径比桩径小一点，为了提高钢护筒和剪力键与混凝土的握裹力，采用在钻头周围焊接钢丝刷清理护筒内壁上的泥皮问题；在变截面处，为避免护筒底部出现漏浆塌孔事故，采取钻进至护筒底口以上两米时减压慢钻进控制措施。
2）超长超大直径桩基成孔垂直度控制技术
为了保证钻孔的垂直度，在钻头上部加设配重，使钻具在重力的作用下始终垂直向下；出护筒钻进时在刮刀钻头上增加扶正器，保证出护筒时上下孔同心圆保证钻孔的垂直度；在超大直径同一截面遇到岩层硬度不一致时和持力层岩层中钻进，采用减压减速，主要靠滚刀钻头的重量慢慢钻进，来控制孔的垂直度。
（3）超长超大直径桩基钢筋笼预制安装技术
为能满足起吊和悬挂大吨位钢筋笼，根据桩基直径大小，研制了一套专用的起吊悬挂吊具，用于直径5.0-3.8m钢筋笼的整套起吊悬挂吊具，主要由内环吊具和外环悬挂环组成。内环吊具直径与吊装的钢筋笼直径一致，它有两种功能，其一作为起吊吊具，其二作为悬挂吊具。外环悬挂环主要用于钢筋笼对接时的支撑和悬挂定位。
2）海上深水区超长超大直径钢筋笼安装技术
深水区超长超大直径钢筋笼安装，采用履带吊起吊单节进行对接，再转用浮吊整节起吊下放，为了解决施工人员攀爬到钢精笼顶部调换履带吊和浮吊吊具时的安全问题，提出了一种履带吊转换浮吊的方法，钢筋笼顶端设置4条供履带吊起吊的短钢丝绳和4条供浮吊起吊的长钢丝绳，单节钢筋笼对接完成后，解除履带吊吊具，工人在平台上将4条长钢丝绳采用卸扣与浮吊的吊具连接，起吊整节钢筋笼进行下放，此方法有效地保证了工人的安全性。
（4）超长超大直径桩基成桩质量检测技术
采用超声波法检测超大直径桩基，由于声测管的距离太远，对检测结果准确度有一定影响，针对超大直径变截面桩基成桩质量检测，提出了设置4根声测管从桩底竖直到桩顶，从变截面处至桩顶贴近钢护筒内壁处再设置4根声测管的检测方法，该方法减小了声测管之间的距离，从而提高了检测结果的准确度。
（5）超长超大直径桩基承载力检测与光纤监测技术
基于布里渊散射光频域分析的分布式光纤感测技术，在桩基的桩钢筋笼制作时绑扎光纤，以墩身和桥梁自重为外部荷载，监测墩身荷载和桥梁荷载作用下桩身的应力应变，进而分析桩基的承载能力。
应用领域：主要用于在恶劣海洋环境下，施工环境差、施工风险大、施工质量难以控制的跨海工程建设中，超长超大直径钢管复合桩的高精度定位、变径桩钻孔、超重钢筋笼安装、超大方量混凝土浇筑以及成桩质量检测等。
三、关键技术与创新点
（1）研究了最大直径达5m的超大直径钢管复合桩施工关键技术，开发了T型定位法进行海上超长超大直径钢护筒精确定位方法；
（2）提出了采用回旋钻法进行超大直径变径桩基成孔时，先采用大直径桩径钻大直径桩孔，然后再换成小直径钻头钻至孔底的施工工艺，并在钻头上部加设超大重量配重和超高的扶正器，确保了超长超大直径桩基的成孔垂直度。
（3）开发了内环吊具外环悬挂进行大吨位钢筋笼起吊悬挂系统和履带吊转浮吊法进行超长超大直径钢筋笼安装技术及其转换吊具。
（4）开发了利用墩柱和箱梁自重作为分级压载的超长超大变截面钢管复合桩受力性状光纤监测方法，并基于数值分析和现场试验得到了压弯剪扭复杂荷载作用下大直径变截面钢管复合桩的工作特性。
四、经济社会效益
项目研制了一种带有定位装置的沉管导向架和提出了一种“T型定位法”测量方法，提高了钢护筒打设精度，精简了工作流程，加快了施工进度，加快了机械设备周转速度，提高了施工效率，缩短了的施工工期，从而减少了打桩船的租赁费、燃料动力费和人工费；钢筋笼安装施工采用了先进的劲性骨架防止变形，专用吊具悬挂环，履带吊转浮吊等施工工艺，降低了海洋环境风浪和潮流的影响，提高了钢筋笼对接质量和对接速度，提高了施工效率，显著的缩短了工期；开发了采用回旋钻法进行超大直径变径桩基成孔时，先采用大直径桩径钻大直径桩孔，然后再换成小直径钻头钻至孔底的施工工艺，并在钻头上部加设超大重量配重和超高的扶正器，确保了超长超大直径桩基的成孔垂直度，提高了钻孔质量和钻孔速度，显著节约了钻孔施工工期和燃料动力投入。
通过上述技术不仅提高了工程质量而且显著节约工程投资和施工工期，具有显著的经济效益。项目关键技术攻克了海洋环境超长超大直径钢管复合桩的施工难题，通过本技术应用保障了施工安全和工程安全，提高了施工质量和施工效率，节约了施工工期和资源投入，项目成果成功应用于宁波舟山港主通道项目工程鱼山大桥桩基施工中，显著缩短了施工工期，保障了鱼山大桥早日顺利通车，得到了社会各界的广泛好评，社会效益显著。
【成果前景介绍】
目前，海洋作为蓝色的国土，已成为世界各国关注的焦点，在当前“一带一路”倡议背景下促进海洋经济绿色发展具有重要的现实意义和战略作用，大型跨海桥梁的建设也迎来了黄金时期。在沿海修建规模更大的海上桥梁势在必行，譬如正在规划的宁波舟山港主通道二期，六横大桥、深中通道等。该技术成果解决了复杂环境超长超大直径变截面钢管桩施工的系列难题：包括超大钢护筒高精度定位难题、复杂地质条件变截面钻孔难题、超大钢筋笼预制安装难题、超大方量混凝土灌注难题、超大桩基监测与检测难题，成果实用性强，保障了施工安全和工程安全，提高了施工质量和施工效率，节约了施工工期和资源投入，项目成果成功应用于宁波舟山港主通道项目工程鱼山大桥桩基施工中，取得了显著的经济效益和社会效益，总结出一套成熟的海洋环境超长超大直径钢管复合桩施工技术，可后续跨海大桥建设累积技术经验和提供技术指导。