軟基深水不良地質(zhì)群樁基礎(chǔ)護(hù)筒施工質(zhì)量控制

廖一天，陳佳文，秦乙洪，鄧源，呂林鵬

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

軟基深水不良地質(zhì)群樁基礎(chǔ)護(hù)筒施工質(zhì)量控制

廖一天，陳佳文，秦乙洪，鄧源，呂林鵬

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

國(guó)內(nèi)對(duì)不同條件下的深水軟基鋼護(hù)筒設(shè)置方案已經(jīng)有了深入的研究，但護(hù)筒材質(zhì)、護(hù)筒壁厚、埋深等差異較大，不同項(xiàng)目施工所取得的成功經(jīng)驗(yàn)并不能完全或有效應(yīng)用于其他工程實(shí)施。本文結(jié)合實(shí)際工程，通過安徽省蚌埠市長(zhǎng)淮衛(wèi)淮河大橋工程，從護(hù)筒埋深、二次周轉(zhuǎn)、護(hù)筒減薄、降低護(hù)筒高度等方面進(jìn)行了護(hù)筒投入施工的方案選擇與優(yōu)化。采用當(dāng)前行業(yè)內(nèi)沿用的經(jīng)典公式計(jì)算出鋼護(hù)筒的埋深，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整；同時(shí)計(jì)算出了鋼護(hù)筒的壁厚與內(nèi)徑，并對(duì)壁厚和內(nèi)徑進(jìn)行了優(yōu)化,使得護(hù)筒投入減少，節(jié)省了施工投入。該研究成果對(duì)深水軟基鋼護(hù)筒施工具有一定的指導(dǎo)作用。

深水軟基；鋼護(hù)筒；護(hù)筒埋深；護(hù)筒壁厚

1 研究背景及工程概況

1.1 研究背景

橋梁深水基礎(chǔ)發(fā)源于美國(guó)，至今有著100多年的積累，1874年建造的美國(guó)圣路易市Eads橋以及紐約Blooklyn橋是最早的深水基礎(chǔ)施工橋梁，采用的是氣壓沉箱基礎(chǔ)[1]。基礎(chǔ)型式日新月異，管柱基礎(chǔ)、各種樁基礎(chǔ)，以及各種配合基礎(chǔ)、設(shè)置基礎(chǔ)、地下連續(xù)墻基礎(chǔ)等[2]。其中，深水樁基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)為承載力強(qiáng)、沉降小、作業(yè)方便。相對(duì)其他基礎(chǔ)，深水中樁基礎(chǔ)最適用。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外使用護(hù)筒隔水鉆孔成樁做法十分普遍，但護(hù)筒占樁基施工成本高達(dá)1/3以上，甚至更高。對(duì)于這種典型的軟土、淤泥或砂土不良深水河床，鋼護(hù)筒有效埋置深度較難確定[3]。通常，國(guó)內(nèi)需按諸多文獻(xiàn)推薦的理論公式進(jìn)行計(jì)算，在國(guó)外也尚無(wú)確切定論。國(guó)內(nèi)很多大型施工單位在深水樁基施工時(shí)，常規(guī)上護(hù)筒不縮短、不周轉(zhuǎn)、不降低頂部高度。根據(jù)多方調(diào)查，長(zhǎng)淮衛(wèi)淮河大橋(以下簡(jiǎn)稱本橋)附近已建多座淮河大橋，地層類似，均全部穿透覆蓋層，直接采用全埋嵌巖護(hù)筒，且護(hù)筒不切割、不周轉(zhuǎn)，動(dòng)輒投入上千噸護(hù)筒。

為此，本文從護(hù)筒埋深、二次周轉(zhuǎn)、 護(hù)筒減薄、降低護(hù)筒高度等五方面進(jìn)行護(hù)筒投入的減少分析，以期達(dá)到大幅度降低護(hù)筒投入的目的。

1.2 工程概況

長(zhǎng)淮衛(wèi)淮河大橋位于淮河中游的蚌埠市城區(qū)東北部，為在建中環(huán)線東段的控制性節(jié)點(diǎn)工程，公路等級(jí)為城市快速公路，設(shè)計(jì)車速為60 km/h，雙向八車道。其中16#、 17#橋墩為跨河主墩，低樁承臺(tái)，采用水上平臺(tái)加鋼護(hù)筒成樁，雙壁鋼圍堰施工承臺(tái)墩柱；18#墩為北岸過渡墩，選擇21 m長(zhǎng)深水型鋼板樁圍堰作業(yè)。

16#、 17#主墩為矩形實(shí)體墩+矩形承臺(tái)+鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)，按左、右幅分離式設(shè)置，每處主墩上、下游側(cè)承臺(tái)相距19 m。每個(gè)承臺(tái)9根樁，直徑2.5 m，樁中心距5 m，最大樁長(zhǎng)34 m，總計(jì)36根，底部持力層為中風(fēng)化片麻巖。采用低樁承臺(tái)，平面尺寸為 14 m×14 m×4 m，底部位于河床以下 3～5 m。施工期間，最大設(shè)計(jì)施工水深為樁基 15.2 m，圍堰 13.7 m，遠(yuǎn)大于橋梁施工意義上的深水界限(≥5 m)，屬特大橋梁深水基礎(chǔ)。

2 計(jì)算理論及控制方程

2.1 護(hù)筒埋置深度

通常，護(hù)筒埋置深度參照樁位的水文、地質(zhì)情形通過計(jì)算判定。在河流深水環(huán)境下的灌注樁作業(yè)時(shí)，護(hù)筒埋置深度的確定顯得十分復(fù)雜[4]，目前橋梁界暫無(wú)明文規(guī)定，需要重點(diǎn)關(guān)注。本橋河床為軟土(軟塑-流塑狀粉土、淤泥質(zhì)粉土，局部夾粉砂薄層)、淤泥、松散-稍密狀粉細(xì)砂，其中細(xì)砂層內(nèi)夾粉砂以及粉砂薄層透鏡體[5]，工程性質(zhì)較差。護(hù)筒底部無(wú)黏性土層、無(wú)硬持力層，嵌入條件較差。

對(duì)于這種地層，護(hù)筒底部的埋置深度需能阻止護(hù)管中水頭下降(橋區(qū)河道水位上升、或反穿孔情形)發(fā)生的涌砂情況[6]，從而使護(hù)筒傾陷。根據(jù)《公路施工手冊(cè)：橋涵》的計(jì)算公式初步計(jì)算如下[7]。

初步埋深：

L=[(h+H)γw-Hγ0]/(γd-γw)

(1)

式中：L為護(hù)筒埋置深度，m；H為施工水位至河床表面深度，m；h為護(hù)筒內(nèi)水頭高度，即護(hù)筒內(nèi)水位與作業(yè)時(shí)河水水位之差，m；γw為護(hù)筒內(nèi)泥漿容重，kN/m3；γ0為水的容重，kN/m3；γd為護(hù)筒外河床土的飽和容重，kN/m3，γd=(Δ+e)/(1+e)γ0。

實(shí)際埋深：

Ls=(1.5～2)L

(2)

2.2 鋼護(hù)筒的二次周轉(zhuǎn)以及壁厚與內(nèi)徑

通常，采用雙壁鋼圍堰的水中墩，一次性沉放所有樁基護(hù)筒；不切割、不周轉(zhuǎn)，保證泥漿對(duì)倒循環(huán)；后期利用護(hù)筒改造成圍堰下放的懸吊和導(dǎo)向裝置、封底灌注平臺(tái)；同時(shí)，可避免護(hù)筒周轉(zhuǎn)工序，稍稍提前工期。這些是行業(yè)內(nèi)護(hù)筒不周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵原因之一，但一次性投入巨大。

鋼護(hù)筒內(nèi)徑大小計(jì)算需依據(jù)護(hù)筒的平面、垂直度誤差規(guī)定和長(zhǎng)度等參數(shù)取值，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，護(hù)筒中心豎直線必須和樁中心線重疊，平面許可誤差為50 mm[8]。

鋼護(hù)筒壁厚的確定，根據(jù)現(xiàn)行《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/TF 50-2011)[9]，對(duì)于大直徑樁，鋼護(hù)筒壁厚宜按剛度要求經(jīng)計(jì)算確定。當(dāng)護(hù)筒長(zhǎng)度大于10 m，須要錘擊或是振動(dòng)下降時(shí)，其徑厚比應(yīng)該小于1/120[10]。

3 鋼護(hù)筒的埋深計(jì)算

深水大直徑樁基每根樁造價(jià)數(shù)十萬(wàn)，鋼護(hù)筒的投入通?？烧紭痘杀镜?/3，甚至更高。設(shè)置是否合理也將直接影響樁基鉆進(jìn)，甚至難以成孔。計(jì)算、優(yōu)化極為必要。

3.1 按經(jīng)典公式初步計(jì)算

因各墩最小水深大于3 m，且河床面以下覆蓋層較深厚松軟，含有軟土、松散細(xì)砂等不利地層，按護(hù)筒埋置深度經(jīng)典公式進(jìn)行計(jì)算，水中墩樁基側(cè)摩擦參數(shù)如圖1所示。

圖1 16#、17#水中墩樁基側(cè)摩阻力

采用護(hù)筒對(duì)倒并設(shè)置連通器，使泥漿液面與水位保持1.5～2 m穩(wěn)定水頭，孔內(nèi)鉆進(jìn)過程中泥漿容重按1.4 kN/m3選取；南岸16墩樁基最高施工水位17.5 m時(shí)埋置深度20 m；北岸17#墩樁基最高施工水位16.5 m。

計(jì)算結(jié)果為所需埋置深度約20.06～27.96 m。計(jì)算所需護(hù)筒總長(zhǎng)1331.73 m，具體計(jì)算結(jié)果見表1。

按國(guó)內(nèi)常規(guī)做法，若護(hù)筒頂部尚需進(jìn)一步升高，至高程21.5 m平臺(tái)頂面，并超出30 cm，至21.8 m高程，則需再增加的長(zhǎng)度經(jīng)計(jì)算為100.8 m，所以護(hù)筒所需總長(zhǎng)度為1432.53 m。

3.2 對(duì)經(jīng)典公式計(jì)算結(jié)果的調(diào)整值

在本橋中，16#、17#墩河床以下全為細(xì)砂層，基巖全風(fēng)化層埋深遠(yuǎn)遠(yuǎn)淺于上述計(jì)算值。因此本橋有條件將16#、17#縮短，底部提高至巖面。其中，17#墩-左縮短，嵌入全風(fēng)化砂礫層內(nèi)1.5 m(承載力350 kPa)；17#墩-右縮短，嵌入碎塊短柱狀強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)0.5 m(承載力800 kPa)；16#基本接巖；各墩最高施工水位16.5～17.5 m，埋置深14.6～20.57 m。但鋼管樁沉入難度較大，需重型振動(dòng)錘。其計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 未考慮下伏基巖，純理論計(jì)算埋深(護(hù)筒頂部18.5～19.5 m)

表2 考慮下伏基巖深度時(shí)(16#、17#墩護(hù)筒底部縮短至巖面)計(jì)算埋深

表中已計(jì)入護(hù)筒頂部高出鋼平臺(tái)30 cm。此時(shí)護(hù)筒總長(zhǎng)1239.33 m。

3.3 再次優(yōu)化調(diào)整值

根據(jù)對(duì)最不利工況的分析，加上護(hù)筒底口為潔凈細(xì)砂、沉放設(shè)備有局限，并考慮泥漿容重的優(yōu)化，認(rèn)為護(hù)筒長(zhǎng)度可進(jìn)一步縮短。

根據(jù)《公路施工手冊(cè)：橋涵》中相關(guān)公式，泥漿容重對(duì)護(hù)筒埋深長(zhǎng)度影響巨大。表1、表2計(jì)算時(shí)泥漿容重按1.4 kN/m3選取的。若泥漿按1.2 kN/m3調(diào)制，考慮鉆渣容重，鉆進(jìn)過程中，可取孔內(nèi)泥漿容重按1.4 kN/m3，似乎最大，最不利。但此時(shí)泥漿較濃，砂-孔間孔壁泥皮厚，滲透能力低，反而不易形成最危險(xiǎn)的反穿孔。尤其是，橋梁上下游有大量采砂船，都是揭開河床表層后，直接開采覆蓋層中下部砂層，所取出的河砂向大量的普通商混站供料，除細(xì)度模數(shù)偏小外，含泥量很低，與一般砂基河床比，相當(dāng)潔凈，本橋能位于此類地層，相當(dāng)少見。實(shí)際上，在經(jīng)過一清、二清后，泥皮減薄，且泥漿容重降至1.15～1.2 kN/m3時(shí)，滲透能力增強(qiáng)，經(jīng)分析，認(rèn)為本橋存在相對(duì)潔凈的細(xì)砂層，有別于其他軟基河床，使得本橋護(hù)筒埋置深度可考慮控制性泥漿容重應(yīng)是清孔至1.2 kN/m3階段，代入此參數(shù)后，按《公路施工手冊(cè)：橋涵》經(jīng)典公式計(jì)算，護(hù)筒可以大大縮短，形成淺埋護(hù)筒。

通過上述分析及試驗(yàn)室內(nèi)反復(fù)調(diào)配泥漿，控制容重、黏度等指標(biāo)，輔以快速清孔濾渣措施等，護(hù)筒埋深可確定為9.31～12.0 m，護(hù)筒最終得以縮短?？s短后計(jì)算結(jié)果見表3，總重為1109.02 t。

若按國(guó)內(nèi)常規(guī)做法，護(hù)筒頂部尚需進(jìn)一步升高，至高程21.5 m平臺(tái)頂面，并超出30 cm，至21.8 m高程，則需再增加長(zhǎng)度經(jīng)計(jì)算為100.8 m。此時(shí)護(hù)筒總長(zhǎng)為962.29 m，與護(hù)筒底口全入巖的1239.33 m相比，護(hù)筒淺埋后縮減為962.29 m，縮短277.04 m。

4 護(hù)筒二次周轉(zhuǎn)時(shí)質(zhì)量控制

16#、17#墩毎承臺(tái)9根樁基，施工時(shí)考慮毎承臺(tái)各布置3臺(tái)鉆機(jī)分三個(gè)循環(huán)鉆進(jìn)，如圖2所示。每承臺(tái)需用9根護(hù)筒，分兩期打設(shè)。一期投入6根整護(hù)筒，護(hù)筒之間互為泥漿池，形成對(duì)倒式泥漿循環(huán)池。成樁后水下切割河床面之上部分，總計(jì)能收回24根309 m，焊接成3根整長(zhǎng)護(hù)筒[11]，進(jìn)行二期剩余3根樁所需護(hù)筒的打設(shè)。

表3 未考慮下伏基巖，純理論計(jì)算埋深(護(hù)筒頂部18.5～19.5 m)

注：計(jì)算時(shí)，孔內(nèi)鉆進(jìn)過程中泥漿容重按1.2 kN/m3選取。

圖2 16#、17#水中墩樁基孔位設(shè)置與三次循環(huán)分布示意圖

由此，護(hù)筒總長(zhǎng)縮減為574.33 m，再縮短287.16 m?？晒?jié)約護(hù)筒三分之一?？紤]到護(hù)筒水下切割端面不平，難以二次拼接，預(yù)留了0.5～1 m左右切邊量。開鉆前實(shí)際投入約600 m。與全入巖時(shí)1239.33 m相比，護(hù)筒縮減639.33 m。

5 護(hù)筒壁厚與內(nèi)徑設(shè)置的質(zhì)量控制

5.1 關(guān)于內(nèi)徑確定的常規(guī)做法

兩主墩護(hù)筒長(zhǎng)度大于20 m，若按水上沉放的通常施工水平，豎直線傾斜不大于1%考慮，則每邊加寬0.2 m時(shí)，20 m深處護(hù)筒內(nèi)壁可能侵入樁身范圍內(nèi)，且沖擊鉆鉆錘彈跳、旋轉(zhuǎn)時(shí)也可能掃到筒壁，即內(nèi)徑：d≥3.0 m。

5.2 關(guān)于內(nèi)徑控制的優(yōu)化做法

提高打設(shè)精度，將垂度控制在≤0.5%成為關(guān)鍵。按0.5%目標(biāo)控制后，16#、17#護(hù)筒內(nèi)徑經(jīng)計(jì)算為2.9 m。但本橋護(hù)筒直徑大，剛度相對(duì)小，重量大、振沉功率大。尤其水上作業(yè)，且水深和軟覆蓋層均超過10 m，提高精度難度很大。

5.3 護(hù)筒壁厚的確定

本橋鋼護(hù)筒優(yōu)化后長(zhǎng)度20～30 m，相應(yīng)計(jì)算內(nèi)徑2.9 m，據(jù)此款建議，壁厚應(yīng)為24.1 mm。

經(jīng)查閱、比對(duì)大量文獻(xiàn)資料，結(jié)合本橋覆蓋層較軟的實(shí)際、《設(shè)計(jì)地勘資料》提供的側(cè)摩阻、土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)、大量收集的類似工程案例等，決定將壁厚擴(kuò)大至1/157～1/160，相應(yīng)壁厚18 mm、14 mm。論證依據(jù)的要點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：

(1)依據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》實(shí)施手冊(cè)(JTGTF 50-2011)，該手冊(cè)建議值大致1/120。

(2)根據(jù)《橋梁深水基礎(chǔ)》[12]，參照鋼管柱：“擬定系按振動(dòng)打樁機(jī)插打受力的需要，壁厚與半徑之比為1:75根據(jù)施工實(shí)踐，在插打后期鋼管柱圓平面的的彈性變形能目測(cè)到，插打完成后仍能滿足要求?！奔磸胶癖?/150，相應(yīng)壁厚19.3 mm、14.7 mm。

壁厚優(yōu)化后對(duì)投入數(shù)量對(duì)比，若按優(yōu)化后600 m總長(zhǎng)計(jì)，厚徑比1/120，相應(yīng)壁厚24.1 mm，優(yōu)化后厚徑比1/161，相應(yīng)壁厚18 mm可減少263.65 t，見表4。

表4 護(hù)筒壁厚減薄前后對(duì)比

6 結(jié) 論

(1)通過多次對(duì)護(hù)筒埋置深度的優(yōu)化，使得鋼護(hù)筒的埋置深度從最初的20.06～27.96 m降低為最終的9.31～12.0 m，使得所需護(hù)筒總長(zhǎng)從1239.33 m降低至600 m，護(hù)筒長(zhǎng)度縮減639.33 m。

(2)通過提高打設(shè)精度，在保證施工質(zhì)量與安全的前提下，將護(hù)筒的內(nèi)徑從3 m優(yōu)化為2.9 m，護(hù)筒壁厚從24.1 mm優(yōu)化為18 mm，使得護(hù)筒用鋼量節(jié)約263.65 t。

(3)與業(yè)內(nèi)常規(guī)做法比，從減小護(hù)筒埋深、二次周轉(zhuǎn)、護(hù)筒減薄、降低護(hù)筒高度等方面進(jìn)行了優(yōu)化，并制定系列配套措施，護(hù)筒投入的大幅減少，節(jié)省大量費(fèi)用，為類似工程提供了借鑒。

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Construction quality control of pile group foundations steel tubular casing in deepwater soft foundation

LIAO Yitian，CHEN Jiawen，QIN Yihong，DENG Yuan，LYU Linpeng

(CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Although the setting program of steel support for deep water soft foundation under different conditions has been intensively studied at home,but the steel tubular casing of the material, wall thickness, depth and so on were different greatly, the success of different project construction experience cannot be complete or Effectively applied to other projects. In the paper, combined with the ChanghuaiweiHuaihe Bridge project, the selection and optimization of the investment in the construction of the support tube are carried out from depth, secondary turnover, casing reduction; reduce the height of the steel tubular casing and other aspects. Using the current industry in accordance with the classic formula to calculate the depth of the steel tube, and the calculation results are optimized and adjusted. The wall thickness and the inner diameter of the steel cylinder were calculated, and the wall thickness and the inner diameter were optimized. The investment of the steel tubular casing was reduced, and the construction investment was saved. The research results have certain guiding function for the construction of steel tubular casing in deep water soft foundation.

deep water soft foundation; steel tubular casing; steel tubular casing depth; steel tubular casing wall thickness

廖一天(1993-)，男，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗こ淌┕ぜ夹g(shù)。E-mail：1373657397@qq.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51179095)

TV554；U445.55+1

：A

：2096-0506(2017)08-0012-06