淺談?wù)駝?dòng)錘插打大直徑鋼護(hù)筒的施工及應(yīng)用

譚大勇

摘要： 主要介紹振動(dòng)錘插打大直徑鋼管樁在青山長江大橋工程中的施工及應(yīng)用實(shí)例。為解決吹填筑島鉆孔樁鋼護(hù)筒施工問題提供簡單的施工方案。

Abstract： This paper mainly introduces the construction and application of vibrating hammer to play large diameter steel pipe pile in Qingshan Yangtze River Bridge project， which provides a simple construction scheme to solve the problem of the construction of the blowing filled bored pile steel pile casing.

關(guān)鍵詞： 振動(dòng)錘；大直徑鋼護(hù)筒；應(yīng)用

Key words： vibration hammer；large diameter steel casing；application

中圖分類號：U443.15 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0144-02

0 引言

隨著我國橋梁向大跨度建設(shè)發(fā)展，橋梁基礎(chǔ)大多采用大直徑鉆孔樁，如何解決橋梁基礎(chǔ)大直徑鉆孔樁鋼護(hù)筒施工擺在我們面前。青山長江大橋工程主橋鉆孔樁鋼護(hù)筒施工中利用偏心力矩可調(diào)免共振電驅(qū)振動(dòng)錘插打3m直徑鋼護(hù)筒，較好地解決了此問題。

1 工程概況

青山長江大橋?yàn)槲錆h市四環(huán)線跨越長江通道，全長7.548km，其中主橋長1.638km，主橋橋式布置為（350+938+350）m鋼箱及鋼箱結(jié)合梁斜拉橋，采用雙塔雙索面全漂浮體系。主橋19#主墩基礎(chǔ)采用先利用長江枯水期吹填筑島施工鉆孔樁再插打鎖口鋼管樁圍堰施工承臺(tái)的方案，基礎(chǔ)為60根Φ2.5m鉆孔樁，摩擦樁，梅花形行列式布置，樁長90m，上部40m采用Φ3.0m鋼護(hù)筒。

2 工程地質(zhì)水文簡況

根據(jù)鉆孔資料及現(xiàn)場調(diào)查，場區(qū)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)砂土地層，基巖為白堊-第三系軟質(zhì)的泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、弱～微膠結(jié)砂巖。19#墩墩位處自上而下地層分布為粉細(xì)砂層、圓礫層、泥質(zhì)粉砂巖與微弱膠結(jié)砂巖，具體如圖1。

橋址區(qū)地表水主要為長江水，水位主要受季節(jié)性影響，橋址區(qū)地下水可分為三層：第一層地下水為上層滯水，不具有統(tǒng)一水位，水量很小，枯季一般不含水；第二層地下水為孔隙潛水，賦存在砂類土及圓礫層中，水量豐富，該層地下水的排泄、補(bǔ)給主要受長江江水控制，其水位變化與長江水位變化同步，即隨著長江水位漲落而變化。第三層地下水為賦存在下伏基巖中的裂隙水，受裂隙節(jié)理、裂隙發(fā)育程度控制，水量小。

3 振動(dòng)錘技術(shù)要求與施工

3.1 振動(dòng)錘施工原理及參數(shù)說明

3.1.1 振動(dòng)錘施工原理

振動(dòng)錘插打鋼護(hù)筒就是利用振動(dòng)沉管的原理，當(dāng)振動(dòng)錘接通電源時(shí)，其設(shè)備體內(nèi)偏心重輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生高頻振動(dòng)和激振力，高頻振動(dòng)力通過液壓鉗傳遞到鋼管上，再通過鋼管作用到接觸地層，地層在擠壓、振動(dòng)力的作用下液化，產(chǎn)生接觸面，振動(dòng)錘通過液壓鉗夾持著鋼管沿著接觸面沉入地層，直至將鋼管沉入至設(shè)計(jì)承載深度。

3.1.2 振動(dòng)錘參數(shù)說明

振動(dòng)錘主要參數(shù)有偏心力矩、激振力F、激振頻率。

①偏心力矩M的確定。振動(dòng)錘偏心力矩越大克服硬質(zhì)土層的能力越強(qiáng)，當(dāng)已知振幅和參振總重量Q（樁體重量和振動(dòng)錘重量）時(shí)，可以計(jì)算偏心力矩：M=Q*A（kW）

②激振力F的確定。激振力F是反映振動(dòng)錘綜合能力的參數(shù)，激振力F必須大于樁與土壤之間的靜摩擦力f，在沉樁過程匯總會(huì)在激振力作用下急劇下降。有振動(dòng)作用時(shí)樁與土壤之間的摩擦力用f′表示：F≥f′=μf，式中μ為振動(dòng)作用時(shí)摩擦力的降低系數(shù)，主要受振動(dòng)加速度大小的支配。試驗(yàn)表明，振動(dòng)加速度超過10倍的重力加速度時(shí)，μ的變化非常微小，及f′趨于定值。

③激振力F的確定。激振頻率ω的確定。振動(dòng)錘的激振頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率密切相關(guān)，當(dāng)激振頻率接近振動(dòng)系數(shù)的固有頻率時(shí)振動(dòng)沉樁大道最大效果。而振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率不僅和振動(dòng)錘參數(shù)有關(guān)，還與土壤的參數(shù)有關(guān)，不同地層土壤的自振頻率有著很大的差別。不同地層類型最佳頻率如下：

地層類型 最佳頻率ω/s

含飽和水的砂土 100～200

塑性粘土及含砂粘土 90～100

堅(jiān)實(shí)粘土 70～75

含礫石粘土 60～70

含砂的礫石土 50～60

試驗(yàn)表明，其他參數(shù)一定的情況下，增大振動(dòng)頻率可以使得飽和砂土的液化加速，土壤阻力相應(yīng)快速減少ω比起提高振幅更能有效提高樁的運(yùn)動(dòng)加速度，從而沉樁效率得以顯著提高。

3.2 振動(dòng)錘技術(shù)要求計(jì)算

主橋19#主墩基礎(chǔ)為60根90m長Φ2.5m鉆孔樁，摩擦樁，梅花形行列式布置，上部采用Φ3.0m鋼護(hù)筒，護(hù)筒壁厚20mm，樁長40m，樁重60t，通過試驗(yàn)知道樁尖的地質(zhì)最高貫入擊數(shù)N值為50，則振動(dòng)錘技術(shù)指標(biāo)至少滿足以下：

①振幅A0

A0=■+0.3=0.7cm

②偏心力矩K

■=■=223.95

則K=50151≈50200（kg.cm）=502（kg*m）

③打樁錘重量QH

QH≥52■=11645kg=11.7t

④激振力P0

根據(jù)振動(dòng)下沉鋼管樁經(jīng)驗(yàn)估算P0≥πD*L*t

式中：D——鋼管樁外直徑（m）；L——鋼管樁長度（m）；t——根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鋼管樁外表面積與土接觸部分動(dòng)摩擦力每平米為10kN，即t取10kN/m2。

則P0≥3768kN=376.8t

3.3 振動(dòng)錘插打管樁施工

3.3.1 設(shè)備選型配套

根據(jù)以上施工方案對振動(dòng)錘的技術(shù)要求，該工程采用了EP800偏心力矩可調(diào)免共振電驅(qū)振動(dòng)錘，該振動(dòng)錘主要技術(shù)參數(shù)為：①電機(jī)功率P0=600kW；②靜偏心力矩K=0-560kg*m>502（kg*m），滿足要求；③振動(dòng)頻率n=780r/min；④激振力F0=0-380t>376.8t；⑤空載振幅：A0=0-15.9mm>7mm，滿足要求；⑥參振質(zhì)量m=45t>11.7t，滿足要求。

其他選型配套設(shè)備有：①500t履帶起重機(jī)；②500kW柴油發(fā)電機(jī)；③電液控制箱；④運(yùn)輸船；⑤Φ3.0m鋼護(hù)筒，壁厚20mm；⑥測量儀器。

3.3.2 偏心力矩可調(diào)免共振電驅(qū)EP800振動(dòng)錘特點(diǎn)

①實(shí)現(xiàn)在無偏心力矩條件下啟動(dòng)，解決了目前大量使用的振動(dòng)錘帶偏心力矩啟動(dòng)而需要大容量電源的問題；②實(shí)現(xiàn)“零”啟動(dòng)、“零”停機(jī)，克服了帶偏心力矩啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的共振，防止了由共振產(chǎn)生的噪音和對其它設(shè)備零部件產(chǎn)生破壞現(xiàn)象的發(fā)生；③可以在機(jī)器運(yùn)行過程中方便自如地調(diào)節(jié)偏心力矩，以適應(yīng)不同的土層的沉拔樁要求，從而達(dá)到理想的沉拔樁速度和效率；④大型振動(dòng)樁錘激振器采用臥式結(jié)構(gòu)，整機(jī)重心低，穩(wěn)定性好，配以橫梁式減振系統(tǒng)，使整機(jī)高度大為減小。

3.3.3 施工過程

①定樁位。用定位架準(zhǔn)確確定樁位。

②吊樁、喂樁、夾樁。1）吊機(jī)吊起振動(dòng)錘移動(dòng)至水平放置在地面上的鋼管樁的一端處，用兩條鋼絲繩兩端分別用卸扣連接夾具兩端吊環(huán)和鋼管樁一端處的吊環(huán)；2）使鋼管樁一端至地，另一端隨振動(dòng)錘上升而上升，直至垂直立起；3）稍下放振動(dòng)錘，使鋼管喂進(jìn)夾具夾口里；4）調(diào)整垂直度，夾緊夾具；5）吊機(jī)吊起振動(dòng)錘，振動(dòng)錘夾住鋼管移動(dòng)在樁位上方。稍下放，使鋼管下端放在定位架里，再稍下移，利用重力使鋼管樁自沉在地里。稍松開夾具再重新夾緊，再次調(diào)整垂直度。

③振動(dòng)下樁。1）開啟振動(dòng)錘（偏心力矩調(diào)為零），待振動(dòng)錘正常振動(dòng)后逐漸增大偏心力矩；2）先使振動(dòng)錘以20%-30%的偏心力矩振動(dòng)；3）保持吊機(jī)上為60T-80T，緩慢釋放吊機(jī)主鉤，鋼管開始振動(dòng)下沉，下沉約5m，檢查、調(diào)整垂直度；4）增大偏心力矩，使振動(dòng)錘以50%的最大偏心力矩振動(dòng)，同時(shí)再保持吊機(jī)上的吊力40T-50T的情況下逐漸釋放主鉤，使鋼管繼續(xù)下沉5m，檢查、調(diào)整垂直度；5）增大偏心力矩，使振動(dòng)錘以80%的最大力矩振動(dòng)，同時(shí)再保持吊機(jī)上的吊力20T-30T的情況下逐漸釋放主鉤，使鋼管繼續(xù)下沉；6）在鋼管上端口離地約1m時(shí)，停止振動(dòng)錘振動(dòng)（偏心力矩回為零），直至振動(dòng)錘停止轉(zhuǎn)動(dòng)；7）松開連接振動(dòng)錘與鋼管的鋼絲繩卸扣，拿掉鋼絲繩，松開夾具，上提振動(dòng)錘，移開鋼管位置。

④對接焊接鋼管。1）吊機(jī)吊著振動(dòng)錘重復(fù)流程2的過程；2）移動(dòng)振動(dòng)錘，將夾具夾住第二節(jié)鋼管移至沉在地里第一節(jié)鋼管的正上方，對齊第一節(jié)鋼管上端口與第二節(jié)鋼管下端口，并使對接后的兩節(jié)鋼管在同意垂直線上；3）焊接對接口；4）焊接完畢，冷卻一小時(shí)以上。

⑤振動(dòng)下樁。1）開啟振動(dòng)錘（偏心力矩自動(dòng)為零）待振動(dòng)錘正常轉(zhuǎn)動(dòng)后逐漸增大偏心力矩；2）使振動(dòng)錘以80%的最大力矩振動(dòng)，同時(shí)在保持吊機(jī)上吊力為20～30t逐漸釋放主卷揚(yáng)，使鋼管繼續(xù)下沉5m檢查調(diào)整垂直度；3）增大偏心力矩，使振動(dòng)錘以最大偏心力矩振動(dòng)下沉鋼管直至鋼管全部下沉入地里，這過程可使吊機(jī)吊力為0～20t；4）松開連接振動(dòng)錘、鋼管的鋼絲繩卸機(jī)拿掉鋼絲繩松開夾具夾爪，上提振動(dòng)錘移開鋼管，完成鋼管下沉。

4 工藝應(yīng)用效果

經(jīng)過該工程施工采用偏心力矩可調(diào)免共振振動(dòng)錘插打大直徑鉆孔樁鋼護(hù)筒，施工速度快、質(zhì)量好、安全可靠，利用可調(diào)矩振動(dòng)錘振沉，插打過程簡單而又準(zhǔn)確，打入的鋼護(hù)筒標(biāo)準(zhǔn)而整齊，垂直達(dá)到千分之四以內(nèi)，達(dá)到鉆孔灌注樁一類樁標(biāo)準(zhǔn)。通過偏心力矩可調(diào)免共振振動(dòng)錘的施工，完成了所有鉆孔樁鋼護(hù)筒插打，19號主墩僅用了84天時(shí)間完成了60根超深、大直徑鉆孔樁施工任務(wù)，為后續(xù)承臺(tái)結(jié)構(gòu)施工贏得了寶貴時(shí)間。

5 結(jié)束語

采用振動(dòng)錘插打鋼管樁施工技術(shù)在國內(nèi)大跨度橋梁施工中凸顯了廣闊應(yīng)用前景，許多工程中利用振動(dòng)錘插打鎖口鋼管樁圍堰、鉆孔平臺(tái)、風(fēng)電施工等，該工藝不僅廣泛應(yīng)用在水中基礎(chǔ)施工，在陸地基礎(chǔ)施工中同樣有廣泛用途。

參考文獻(xiàn)：

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