深水主航道大直徑鋼管樁拔除施工技術(shù)

湯忠國

（中鐵大橋局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇南京210015）

0 引言

深水主航道大直徑鋼管樁拔除施工實屬一項施工技術(shù)難題，目前尚無經(jīng)驗可循，計算理論、拔樁工藝、設(shè)備選型還屬于探索階段。本文結(jié)合滬蘇通長江大橋主航道沉井鋼錨樁、防撞樁拔除施工，對位于深水主航道大直徑鋼管樁拔除施工工藝、設(shè)備選型及施工方案等進(jìn)行詳細(xì)介紹，為深水主航道大直徑管樁拔除作業(yè)積累經(jīng)驗。

1 工程概況

滬蘇通長江大橋主航道橋采用雙塔五跨鋼桁梁斜拉橋方案，孔跨布置為：（140+462+1092+462+140）=2296m。橋式布置如圖1所示。

26#墩～31#墩橋墩基礎(chǔ)均采用沉井結(jié)構(gòu)，沉井上部為鋼筋混凝土，下部為鋼沉井，其中28#墩主墩鋼沉井采用工廠整體制造、浮運至墩位的施工方案，鋼沉井定位著床采用“大直徑鋼錨樁+混凝土重力錨”的錨碇系統(tǒng)，主錨為直徑φ3.5m、壁厚δ32mm 鋼管樁；后續(xù)為確保主橋施工階段安全，在錨樁位置增加直徑φ2.5m、壁厚δ20mm 鋼管樁及連接系形成防撞體系。鋼管樁插打時間2014年，樁周土沉積固化6年。沉井錨樁、防撞樁布置圖如圖2所示。

此次需要拔除鋼管樁數(shù)量15 根，結(jié)構(gòu)特點及規(guī)格型號如表1所示。

表1 鋼管樁結(jié)構(gòu)特點及規(guī)格型號

2 施工方案比選

2.1 管樁摩阻力計算

2.1.1 鋼管樁周圍地質(zhì)情況

沉井鋼錨樁、防撞樁主要穿入細(xì)砂、粉砂層，樁周土與管樁側(cè)模阻力及各土層標(biāo)高如表2所示。

表2 管樁位置地質(zhì)情況表

2.1.2 鋼管樁側(cè)摩阻力計算

根據(jù)管樁貫入土層深度及樁周土與鋼管樁摩阻特性計算鋼管樁的側(cè)摩阻力Tv：

式（1）中：Tv—管樁側(cè)模阻力和；

D—鋼管樁直徑；

fi—樁周土與鋼管樁之間的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

Hi—貫入土層深度。

計算原則如下：

樁外摩阻力fi取值參照表2：管樁地質(zhì)情況表內(nèi)樁周土與鋼管樁之間的極限摩阻力值；

樁內(nèi)摩阻力不得大于樁內(nèi)土層自重；

鋼管樁側(cè)摩阻力。計算結(jié)果如表3所示。

表3 鋼管樁摩阻力計算結(jié)果

2.2 施工方案比選

管樁摩阻力最大約24000kN，且管樁位于深水主航道內(nèi)，綜合考慮管樁摩阻力、施工工期及安全性及經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過方案比選（表4），選用方案5：樁內(nèi)外吸砂+振動液壓錘拔樁進(jìn)行大直徑鋼管樁拔除施工。

表4 方案比選

3 設(shè)備選型

3.1 吸泥機(jī)

樁內(nèi)吸砂采用空氣吸泥機(jī)，最大深度距離水面60m，根據(jù)空氣負(fù)壓計算，吸泥管采用φ299mm，壁厚10mm 鋼管，配備一臺23m3/min 的空氣壓縮機(jī)，同時為了保證吸泥效果，配置高壓射水管，高壓射水沖破積壓硬土層或者砂石塊，達(dá)到快速吸泥效果，提高清理速度，高壓水泵采用10～20MPa 高壓泵，射水壓力控制在1.5～2.5MPa?？諝馕鄼C(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 液壓振動錘

為使鋼管樁周圍土層快速“液化”，振動設(shè)備要綜合考慮激振力、拔樁力、夾持力的要求，具體如下：

3.2.1 在鋼管樁采用浮吊配合振動液壓錘振動拔除施工中，當(dāng)選擇振動打樁錘時，要求管樁靜側(cè)摩阻力之和Tv=πD∑fiHi＜1.3×激振力F1 時，液壓振動錘夾持管樁振動后可快速將土層快速液化，管樁吸砂后，Tvmax=12710kN，因此要求液壓振動錘激振力F1＞9776.9kN。

3.2.2 鋼管樁在上拔過程中，要求振動錘拔樁力F2 主要克服管樁的動側(cè)摩阻力、管樁及振動錘自重，F(xiàn)2＞μTv+G1+G2，其中動摩擦系數(shù)μ=0.1～0.2，根據(jù)以往施工經(jīng)驗取值μ=0.18。因此要求振動錘拔樁力F2＞0.18×12710+2006.4+G2=4294.2kN+G2。

綜上所述，選用YZ-400B×2 雙聯(lián)動振動錘，激振力F1=10740kN，拔樁力F2=5000kN。YZ-400B×2 雙聯(lián)動振動錘參數(shù)如圖4 和表5所示。

表5 YZ-400B×2 兩臺聯(lián)動振動錘主要技術(shù)性能表

3.3 浮吊船選型

主墩沉井φ3.5m 鋼管樁最大重量200.6t，YZ-400B×2 最大拔樁力5000kN、振動錘重量65.05t，因此要求浮吊吊重≥765.66t。根據(jù)設(shè)備需求及檔期，現(xiàn)場選用穩(wěn)強(qiáng)3 號1300t 浮吊船，參數(shù)如圖5所示。

4 施工技術(shù)

4.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備—管內(nèi)吸砂至樁底—浮吊船、振動錘、駁船就位—振動錘振動拔樁—鋼管樁截斷—豎直旋轉(zhuǎn)平放至駁船上—運輸至碼頭—進(jìn)入下一循環(huán)直至管樁全部拔除。

4.2 樁內(nèi)吸砂

鋼管樁內(nèi)吸砂時，先在管樁頂部搭設(shè)吸泥平臺，安裝吸泥機(jī)及管路，啟動空氣吸泥機(jī)進(jìn)行樁內(nèi)吸砂，同時做好管內(nèi)補(bǔ)水，確保管內(nèi)管外水差一致。吸泥過程每間隔2h 測量一下樁內(nèi)泥面，確定吸泥效果。管內(nèi)吸泥整體布置如圖6所示。

4.3 船舶站位

鋼管樁拔除施工，位于長江大橋深水主航道內(nèi)，往來船舶眾多，受船舶、漲落潮影響較大，存在較大安全風(fēng)險，因此需要提前規(guī)劃船舶站位、拋錨要求，并上報海事單位報批，發(fā)布通航公告，做好施工區(qū)域安全警戒。現(xiàn)場施工時，浮吊船、機(jī)駁船系纜連接在一起，浮吊船“‘八’字錨”拋錨定位，拋錨距離150m，角度成30o，同時航道前方設(shè)置警戒船，高頻喇叭循環(huán)播放施工信息，通知過完船舶遠(yuǎn)離施工區(qū)域航行。船機(jī)布置圖如圖7所示。

4.4 管樁拔除

沉井錨樁、防撞樁大直徑鋼管樁按照先上游后下游的順序拔除，具體拔除工序如下：

第1 步：浮吊船、運輸船舶、振動液壓錘、吊具鋼絲繩等設(shè)備全部就位，檢查驗收各設(shè)備運轉(zhuǎn)及結(jié)構(gòu)安全情況，并辦理檢查簽證。

第2 步：啟動振動錘，振動錘夾具4 點夾持鋼管樁，單點夾持面積為長220mm×高220mm。YZ-400B×2 最大激振力F=10740kN，此時夾持面積鋼管受力如下：

σ =Fy / 4A=10470 × 103/(4 × 220 × 3 × 32) =123.9MPa＜[σ]=300MPa，夾持面滿足受力要求，但是為防止夾頭位置鋼板高溫?fù)p壞，要求在夾持范圍增設(shè)δ20mm 鋼板。

第3 步：浮吊緩慢松鉤，將帶力降至最小。然后開啟振動錘，緩慢增加振動錘激震頻率，振動管樁周圍土層，降低土層與管樁摩阻力。

第4 步：待管樁開始振動下沉后，繼續(xù)振動管樁，此時浮吊起鉤，邊振動邊將管樁緩慢拔除。管樁拔出過程，做好浮吊船起吊重力觀察，要求浮吊吊重示數(shù)＜振動錘最大拔樁力F1+管樁自重G1+振動錘自重G2。

第5 步：管樁拔升高度預(yù)計20m，此時管樁入土深度＞10m，暫停拔樁施工，將管樁固定在船頭導(dǎo)向架內(nèi)。然后在距離導(dǎo)向架上方1.5m 位置開始火焰切割管樁，將管樁一分為二，上部長度20m，下部長度約45m，如圖8所示。

第6 步：管樁截斷后，在距離管樁端口20cm 位置開φ75 銷軸孔，并焊接φ（200-75），δ20mm 的補(bǔ)強(qiáng)板，防止鋼板撕裂。然后吊耳孔內(nèi)安裝55t 卸扣，2 根6*36WS+1WR-1870-56mm，L=12m 的鍍鋅鋼絲繩，形成豎向旋轉(zhuǎn)吊點，然后與1300t 浮吊副鉤連接。

第7 步：浮吊船主鉤、副鉤配合旋轉(zhuǎn)管樁，副鉤起吊管樁底部保持吊高不變，主鉤夾持振動錘緩慢下落，下落過程注意各鋼絲繩帶力觀測，要確保吊耳、卸扣、鋼絲繩各吊點受力均勻。待管樁下落是水平后，旋轉(zhuǎn)浮吊扒桿，將管樁平穩(wěn)放在運輸駁船固定支座上，并做好限位固定，然后解除吊具鋼絲繩、振動錘與管樁之前的連接。

第8 步：浮吊船、振動錘夾持剩余段管樁繼續(xù)拔樁，豎向旋轉(zhuǎn)平放至運輸駁船，循環(huán)施工，完成剩余管樁拔除施工。

4.5 拔樁預(yù)案

若錨樁、防撞樁拆除過程中，拔樁阻力過大，施工困難時，可考慮利用空氣吸泥機(jī)對管樁樁周外圍進(jìn)行掃吸，減少管樁的側(cè)摩阻力，經(jīng)計算φ3.5m 管樁樁外每吸泥1m，摩阻力減小329.7kN。

5 結(jié)語

滬蘇通長江大橋深水主航道大直徑鋼管，通過采用樁內(nèi)吸砂，浮吊船配合YZ-400B×2 雙聯(lián)動液壓振動錘拔樁施工技術(shù)，已順利完成φ3.5m、φ2.5m 大直徑鋼管樁拔除施工，經(jīng)過現(xiàn)場拔樁施工驗證，管樁摩阻力計算、設(shè)備選項、施工工藝均較好滿足現(xiàn)場施工要求，可為后續(xù)深水主航道、超大埋深、大直徑鋼管樁拔除施工提供參考借鑒。