深水鉆孔樁鋼護筒回收再利用技術

秦濤濤

(中鐵十二局集團第七工程有限公司，湖南 長沙 410004)

近些年來我國橋梁工程發(fā)展迅速，修建了越來越多的跨江河的公路、鐵路橋梁。深水區(qū)橋梁施工需要大量的鋼護筒，若能將鋼護筒整體拔除，實現回收再利用，將大幅度降低施工成本，為此相關科技工作者對鋼護筒的回收利用開展研究。邢磊[1]利用大型吊車和振動錘來拔出超長鋼護筒；林楓[2]結合天津站交通樞紐工程第二施工標段，對超深超大鋼護筒進行起拔回收和循環(huán)利用，并介紹了臨時鋼護筒的設計和起拔施工技術；吉漢均[3]詳細介紹了水下鉆孔灌注樁鋼護筒回收利用的施工工藝；李果等人[4]和陶萬濤等人[5]提出一種利用智能頂升系統(tǒng)的施工工藝來進行鉆孔灌注樁鋼護筒的回收。本文在參考相關研究文獻的基礎上，結合安慈高速公路澧水特大橋的工程情況，介紹了水上鉆孔樁鋼護筒回收利用施工技術。

1 工程概況

1.1 工程結構

安慈高速公路澧水特大橋西為跨越西江水道和澧水水道所設，西江水道在勘察期間水面寬約42 m，水深約8 m左右；澧水水道在勘察期間水面寬約390 m，水深約2～5 m不等，最深可達8 m左右。澧水特大橋橋跨為17×25 m T梁+40 m T梁+17×25 m T梁+(50+80+50)m現澆連續(xù)箱梁+16×40 m T梁+(90+2×150+90)m現澆連續(xù)箱梁+4×40 m T梁。其中跨越澧水段為(90+2×150+90)m連續(xù)梁主橋，主墩采用雙柱式門形實體截面，采用整體式承臺，承臺高4.5 m，承臺封底厚2 m，利用承臺連接群樁基礎，承臺下設為鉆孔灌注樁樁基礎，樁基采用28根?200 cm的摩擦樁，樁長33～42 m不等。水中主墩的承臺標高分別+25.5 m、+26.0 m、+26.5 m，設計施工水位為34.5 m。搭設水上鉆孔平臺進行施工，鉆孔樁施工平臺標高+37.0 m。

1.2 工程地質

根據區(qū)域地質資料及勘探成果，橋位所經區(qū)域的地層由上至下依次為：①填筑土，主要以黏土、粉質黏土為主，含少量卵石、碎磚等，厚約0～2 m。②種植土，厚0.20～0.60 m。③粉質黏土，褐黃色為主，夾灰褐色，可塑狀為主，局部為軟塑狀，厚約0～3.50 m。④淤泥質黏土，灰色、深灰色，軟塑～流塑狀為主，厚約8.00～18.00 m，分布層位穩(wěn)定。⑤黏土，以黃色為主，軟-可塑狀，厚約3～6.00 m 。⑥粉質黏土，褐黃色為主，夾褐灰色，軟可塑狀為主，厚約0～12.00 m。⑦粉質黏土夾粉砂，灰褐色，灰色為主，可塑狀為主。⑧粉砂，灰色，松散—稍密，厚約0～8.00 m。⑨圓礫，雜色，稍密狀為主，局部呈中密狀，稍濕，礫石成分以英砂巖、砂巖、硅質巖為主。

1.3 水文情況

擬建場地水系主要為澧水及西江，河水主要接受降水及上游溪水匯聚補給，水量受季節(jié)變化的影響較大，一般雨季水量豐富，旱季水量較少。4～8月為汛期，河水水位受降水的影響明顯，水位陡漲陡落，最高洪水為41.89 m(1998年12月14日)。一般11月至翌年1月為枯水期，枯水季節(jié)實測水位28.5～30.5 m，為橋梁基礎工程的良好施工期。鉆孔內地下水位觀測資料及民井調查表明，地下水主要為孔隙水，具有弱承壓性，賦存于黏性土之間或黏性土(粉質黏土、淤泥質黏土)之下的細砂、圓礫層中，以地下水徑流、越流形式向下游及上部河床排泄。水量穩(wěn)定，受季節(jié)變化的影響小，水量較豐富。

2 鋼護筒再利用難點分析及計算

鋼護筒采用Q235鋼板，其內徑比設計樁徑大40 cm，即鋼護筒采用內徑為240 cm、壁厚8 mm的鋼護筒。為了防止孔壁塌孔，鋼護筒需要穿入平均深度為12 m的淤泥層，平均鋼護筒長度為25 m。

2.1 重難點分析

通過對深水樁基礎施工過程進行分析并結合查閱相關文獻可知，鋼護筒循環(huán)利用的技術難點如下：

(1)鋼護筒拔出過早，混凝土還處于流塑狀態(tài)，同時由于護筒內混凝土面比護筒外河床面低大約5～6 m，此時樁柱混凝土外側的土壓力大于混凝土對外的壓力，樁側土體會擠壓混凝土，容易出現漏筋和縮頸等質量事故。

(2)鋼護筒拔出過晚，混凝土凝固后與鋼護筒粘結，導致鋼護筒拔出困難。即便強行拔出，也可能導致樁柱混凝土因拉拔力過大而開裂，引起不可修復的質量事故。

(3)正確計算鋼護筒的最大起拔力、選擇合理的起拔設備、設計可靠的起拔反力平臺是確保鋼護筒實現循環(huán)利用的關鍵。

為有效克服以上困難，實現鋼護筒的回收再利用，應分析設計合理的鋼護筒起拔時間和拔出方案，在查閱相關文獻的基礎上，結合本工程實際情況提出鋼護筒分兩次拔出方案。首次拔鋼護筒的時間為混凝土澆注完成后，此時混凝土與護筒之間的粘結力較小，有利于護筒拔出；但也因為此時混凝土尚未初凝，應避免鋼護筒拔出后樁側土體擠壓引起縮頸或漏筋等質量事故，因此需根據內外壓力平衡原理計算初凝前第1次拔出高度，待混凝土初凝后進行第2次拔出。

2.2 初凝前拔出高度計算

首次拔鋼護筒的時間為混凝土澆注完成后，此時混凝土與護筒之間的粘結力較小，有利于護筒拔出；但也因為此時混凝土尚未初凝，應避免鋼護筒拔出后樁側土體擠壓引起縮頸或漏筋等質量事故。根據內外平衡原理，初凝前第1次拔出高度按下列過程計算：

(1)護筒外土體側壓力可參考《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)的6.6.3節(jié)計算

Ps=φsγshsks

(1)

式中：φs為主動土壓力增大系數，土體高度hs<5.0 m時取φs=1.0，5.0 m8.0 m時取φs=1.2；γs為土的重度；hs為土體高度；ks為主動土壓力系數，根據土層性質查表選取。

(2)護筒內混凝土的側壓力根據《混凝土工程結構施工規(guī)范》，按下式計算

Pc=0.8γchc

(2)

式中：γc為混凝土的重度(kN/m3)；hc為鋼護筒內混凝土面至護筒底的高度(m)。

(3)根據現場實測可得鋼護筒內混凝土澆筑高度Hc和護筒打入河床深度Hs，則護筒底以上外側河床土體高度hs和護筒內混凝土高度hc之間的關系為

hs=hc+(Hs-Hc)

(3)

由式(1)～式(3)得第1次拔出后鋼護筒埋入河床土體深度hs限制如下：

(4)

由式(4)也可以看出，如果鋼護筒內護筒內面比護筒外側河床面高，理論上混凝土澆筑后即可直接拔出鋼護筒，不會引起縮頸、漏筋等質量事故。

根據本工程實際情況，取γs=18 kN/m3，γc=24 kN/m3，Hs=12.0 m，Hc=7.0 m，φs=1.2，ks=0.3，代入式(4)得hs≥7.55 m。由此可得，第1次拔出高度h1

2.3 最大起拔力計算

根據鋼護筒拔出過程的受力情況，分別基于新澆筑混凝土模板側壓力和抗拔樁計算公式求解最大起拔力。

(1)根據新澆筑混凝土模板側壓力計算鋼護筒內側抗拔力，混凝土對鋼護筒的側壓力按式(2)計算，根據經驗取初凝前混凝土與鋼護筒之間的摩擦系數μ=0.3，則有

(5)

(2)根據《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》5.3.3節(jié)沉樁承載力容許值計算公式，可得鋼護筒外側土體產生的抗拔力為

(6)

由此可得最大起拔力為

(7)

上述式中：U為鋼護筒周長；li為第i層土層厚度，qi為第i層土側摩阻力標準值，n為鋼護筒打入的土層數。

結合本工程實際情況，U=7.54 m，n=1，l1=Hs=12.0 m，q1=30.0 kPa，γc=24 kN/m3，hc=Hc=7.0 m，代入式(7)得F=6 257.9 kN。實際配備了2臺500 t千斤頂，按0.8倍效率系數計算，可提供總起拔力P=8 000.0 kN>F=6257.9 kN，滿足需求。

3 具體實施方案及效果

3.1 施工方案

在現場實際施工過程中，為提高鋼護筒的拔出效率，根據鋼護筒的埋深情況，采用2種不同的拔出方案，具體如下：

(1)鋼護筒打入深度在承臺底面以下，且深度超過5.0 m時，采取二次拔出方案。即在混凝土灌注后，在鋼護筒上焊接加固吊點，加設雙拼I45工字鋼提升橫梁，采用2臺500 t千斤頂進行第1次提升鋼護筒。第1次拔出注意事項為：①提升前，確保橫梁與千斤頂連接處的穩(wěn)定性；②千斤頂底部受力點應處于平臺橫梁處；③兩臺千斤頂須同步提升，提升速率控制在5 cm/min左右，確保支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體拔出現場如圖1所示。第1次提升結束后對鋼護筒的吊點進行鋼板加固，待混凝土初凝后使用180型振動錘進行低頻振動緩慢拔出鋼護筒，當鋼護筒底被拔離土層后，關閉振動錘電源，用吊車將鋼護筒吊至下一個新樁位。

(2)鋼護筒打入深度在承臺底面以上，且深度小于5.0 m時，此時估算起拔力不到150 t。為提高拔出效率，取消初凝前的第1次拔出作業(yè)，直接待混凝土初凝后采用180型振動錘將鋼護筒一次拔出?，F場拔出情況如圖2所示。

3.2 實施效果

澧水特大橋的水中墩需要設置84根樁基，若按傳統(tǒng)方式，需要埋置84個鋼護筒。本工程中僅設置了3個鉆孔平臺，單個平臺配置4個鋼護筒，共計配置12個鋼護筒進行施工，節(jié)省了72個鋼護筒。若所有鋼護筒的長度均按25 m計算，則72個鋼護筒約重850 t。不考慮鋼護筒的加工費用，并按現有鋼材價格計算，本次約節(jié)省382萬元。由此可知，與傳統(tǒng)方式相比，本文提出的深水鉆孔樁鋼護筒回收利用技術可以大大節(jié)省施工成本，具有較好的經濟效益。同時通過檢測可知，樁基的合格率為100%，即該施工工藝可以保證樁基的質量。

4 結論

工程應用結果表明，深水鉆孔樁鋼護筒回收再利用技術是可行的，可以大大節(jié)省施工成本，具有較好的經濟效益。