水下傾斜裸巖面埋設(shè)超大直徑樁基鋼護(hù)筒的施工方法

文／中交北疆工程咨詢有限公司 章孝建

關(guān)鍵字:水下；傾斜；裸巖面；超大直徑；樁基；鋼護(hù)筒；埋設(shè)

1 工程概況

湖南省祁東歸陽(yáng)至常寧蓬塘高速公路石潭湘江大橋橫跨湘江河道，橋位湘江水面寬約464m，常年水深約12m（上下游均有航電樞紐船閘，常水位及流速較穩(wěn)定），汛期最大流速為2.2m/s，通航等級(jí)為內(nèi)河Ⅲ級(jí)。

全橋橋跨布置為（24×30+67+3×110+67）m 預(yù)應(yīng)力砼小箱梁+預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)箱梁。主橋樁基共20 根，均為端承樁，其中24#墩為水中過渡墩設(shè)置4 根D2.8m 樁基；25#、26#、27#、28#墩均為D3.6m 樁基。

本文以27#墩為例，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)58.5m，墩位處河床為少量卵石，多為裸露中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為8.33MPa，巖體較完整。該墩0#、1#和2#樁基巖面最大高差為2.91m，最大坡度22°。

該類樁基的施工難點(diǎn)和關(guān)鍵先決條件在于鋼護(hù)筒的埋設(shè)效果。直接下沉護(hù)筒，護(hù)筒底腳有缺口且定位很難；即使在護(hù)筒和圍擋間澆筑混凝土進(jìn)行穩(wěn)固，混凝土也極不穩(wěn)定，效果也不理想。通過認(rèn)真研究地勘資料和實(shí)地水下探測(cè)，經(jīng)過多方論證、方案比選，鋼護(hù)筒埋設(shè)方案采用“祼巖斜面初平+鋼護(hù)筒四周澆筑水下混凝土封底固定”工藝，27#墩鋼護(hù)筒埋設(shè)方案見圖1。

圖1 27#墩鋼護(hù)筒埋設(shè)方案

2 鋼護(hù)筒制作方案

鋼護(hù)筒制作設(shè)計(jì)

本橋主墩樁基均為超大直徑樁，依據(jù)設(shè)計(jì)與《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011），計(jì)算得出鋼護(hù)筒內(nèi)徑不得小于 3.897m，取3.9m。采用公式：d ≥（D/2+h×i+d′)×2 =（3.6/2+19.7×0.5%+0.05)×2=3.897m

式中：D——為設(shè)計(jì)樁徑（m），取值為 3.6m；

h——為鋼護(hù)筒長(zhǎng)度（m），按最長(zhǎng)的19.7m 計(jì)算；

i——鋼護(hù)筒設(shè)置傾斜率（%）

d′——鋼護(hù)筒平面位置允許誤差（m）

鋼護(hù)筒擬采用12mm 厚Q235C 鋼板卷制拼焊而成，加工內(nèi)鋼護(hù)筒頂、底節(jié)端部均滿焊50m 高的加強(qiáng)段，壁厚為20mm，與鋼護(hù)筒材質(zhì)相同，防止變形。鋼護(hù)筒頂口低于鉆孔平臺(tái)標(biāo)高20cm，推算鋼護(hù)筒長(zhǎng)度依次為19.2m、18.0m、19.7m 和19.6m，單根樁鋼護(hù)筒重分別為29.43t、27.60t、30.20t 和30.05t。

加工工藝及質(zhì)量控制要點(diǎn)

鋼護(hù)筒加工在祁東岸臨建場(chǎng)地內(nèi)專設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)加工場(chǎng)進(jìn)行，先制作小管節(jié)，再焊接接長(zhǎng)，焊縫均采用直焊縫型式，要求不低于二級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)。加工場(chǎng)內(nèi)配置1 臺(tái)高精度三輥?zhàn)詣?dòng)卷板機(jī)，2 套高效率的輔助焊接組拼設(shè)備及2 臺(tái)50t 汽車吊。現(xiàn)場(chǎng)加工流程為：材料檢驗(yàn)、焊接工藝試驗(yàn)、工藝指導(dǎo)書編制、劃線號(hào)料、板邊處理、卷制成形、單件焊接等。鋼護(hù)筒加工質(zhì)量控制要點(diǎn)為：

（1）采用定制尺寸鋼板，以方便施工，減少損耗。

（2)鋼護(hù)筒節(jié)段卷制時(shí)，先將四面開好坡口的板料置于卷板機(jī)上滾彎，為了防止歪扭，先對(duì)整板對(duì)中，縱向中心線與軸輪線保持嚴(yán)格的平行，并用擋板擋緊。由于護(hù)筒直徑太大，上口需要一直用吊車輔吊穩(wěn)位。

（3)每一節(jié)鋼護(hù)筒節(jié)段卷制成形后，點(diǎn)焊固定縱縫，再下卷板機(jī)，置于臺(tái)座上施焊縱縫，采用半自動(dòng)埋弧焊機(jī)進(jìn)行。為了消散焊接應(yīng)力，焊接好的鋼護(hù)筒節(jié)段可再上卷板機(jī)重復(fù)卷壓多遍，直至整體線形圓順。

（4)根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，鋼護(hù)筒的加工質(zhì)量直接影響到沉放質(zhì)量，如 由于焊縫質(zhì)量問題造成的鉆孔時(shí)泥漿大量滲漏；由于橢圓度超標(biāo)造成沉放過程中護(hù)筒壁局部失穩(wěn)；由于彎曲矢高超標(biāo)造成沉放就位偏差過大；由于管端傾斜度嚴(yán)重超標(biāo)造成護(hù)筒豎直度不滿足要求等。

3 對(duì)祼巖的傾斜面盲打初平

3.1 通過放樣確定樁位，用測(cè)繩將樁中心4m 范圍內(nèi)的地勢(shì)進(jìn)行初測(cè)，然后由潛水員下水摸清巖面情況。

3.2 在27#墩位搭設(shè)水中鉆孔平臺(tái)，由上而下采用鋼板+型鋼+貝雷架+鋼管樁組合結(jié)構(gòu)（鋼管樁采用引孔栽樁法施工）。

通過鉆孔平臺(tái)，在樁孔處用大直徑?jīng)_擊鉆(直徑2.5m)進(jìn)行盲打，初步將高處斜面錘平，使其與低處相大致平齊，水下盲打范圍應(yīng)大于護(hù)筒直徑約1m 左右(約為5m 范圍)；在初平過程中，要反復(fù)用測(cè)繩量測(cè)深度，基本平齊后，用掏渣筒將破碎巖石清除。

解決難題：由于樁位處為斜坡巖面，鉆頭接觸面積不足1/2，容易側(cè)滑，難以鉆進(jìn)。故對(duì)鉆頭進(jìn)行微改，將鉆頭一側(cè)增加配重，使鉆頭重心發(fā)生偏移，能讓整個(gè)鉆進(jìn)的力量集中錘打到斜面上。

4 鋼護(hù)筒的就位

4.1 在祁東岸設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)加工場(chǎng)，配備50t 汽車吊方便鋼結(jié)構(gòu)拼裝、焊接及運(yùn)輸。單件鋼護(hù)筒加工并驗(yàn)收合格后，通過24#墩的下河碼頭下水，利用平板駁船運(yùn)送至墩位，采用120t 浮吊起吊對(duì)接安裝。為防止護(hù)筒在吊裝及運(yùn)輸過程中發(fā)生變形，護(hù)筒內(nèi)部均增設(shè)“米”字形支撐架，每節(jié)段底口跟頂口各設(shè)置一道支撐架，支撐架本身應(yīng)具有足夠的剛度。鋼護(hù)筒對(duì)接時(shí)需要對(duì)接頭進(jìn)行處理，包括增加校圓對(duì)接、開坡口、預(yù)熱、增加加強(qiáng)板等工序。

4.2 單根鋼護(hù)筒沉放工藝流程如下：

導(dǎo)向架安裝定位→首節(jié)護(hù)筒入導(dǎo)向架→測(cè)量校核→首節(jié)下沉→測(cè)量校核→第二節(jié)接長(zhǎng)、焊縫檢驗(yàn)→第二節(jié)下沉→移走上導(dǎo)向架→繼續(xù)下沉到位→防護(hù)方案。

4.2.1 鋼護(hù)筒的裝運(yùn)

（1）根據(jù)鋼護(hù)筒沉放時(shí)的施工順序和吊裝的可能性，按順序分層裝船，減少二次倒運(yùn)；

（2）裝運(yùn)鋼護(hù)筒應(yīng)采用多支點(diǎn)堆放，墊木均勻放置，并適當(dāng)布置通楞，墊木頂面宜在同一平面上；

（3）鋼護(hù)筒堆放形式應(yīng)使運(yùn)輸船在堆放、運(yùn)輸和起吊過程中保持平穩(wěn)；

（4）對(duì)運(yùn)輸船舶進(jìn)行嚴(yán)格檢查、采取必要的加固措施；

4.2.2 鋼護(hù)筒起吊及堆放

（1）鋼護(hù)筒應(yīng)堆存在專用的臺(tái)座上，臺(tái)座基礎(chǔ)必須有足夠的安全穩(wěn)定性，并有良好的排水設(shè)施。

（2）鋼護(hù)筒應(yīng)按不同的規(guī)格分別堆放。堆存形式和層高應(yīng)安全可靠，避免產(chǎn)生軸向變形和局部壓曲變形。

（3）鋼護(hù)筒在起吊、運(yùn)輸和堆存過中，應(yīng)避免由于碰撞、摩擦等原因造成管端變形。

（4）吊運(yùn)時(shí)應(yīng)使各吊點(diǎn)同時(shí)受力，徐徐起落，減少?zèng)_擊。

現(xiàn)場(chǎng)安裝鋼護(hù)筒如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)安裝鋼護(hù)筒

4.3 安設(shè)鋼護(hù)筒時(shí)，先用全站儀進(jìn)行導(dǎo)向限位架安裝放樣，拉十字交叉線確定導(dǎo)向架中心位置定位固定，縱向限位用承重梁上雙拼10 槽鋼限位鋼護(hù)筒邊線并焊接牢固，橫向限位槽鋼焊接貝雷架上層反扣槽鋼上。上下層限位槽鋼用水準(zhǔn)儀和垂球控制好垂直度。移動(dòng)鋼護(hù)筒，使鋼護(hù)筒中心與孔位中心位置重合。同時(shí)用水平尺或垂球檢查，使鋼護(hù)筒垂直。上口平面偏差控制在5cm 以內(nèi)，豎直方向傾斜度不超過0.5%。鋼護(hù)筒限位撐如圖3 所示。導(dǎo)向架的安裝要點(diǎn)：

4.3.1 在鉆孔平臺(tái)孔口設(shè)導(dǎo)向架，其上層與平臺(tái)間3I36工字鋼承重梁焊接連接，下層與貝雷架底部反扣[22d 槽鋼焊接固定。導(dǎo)向架主要作用：保證鋼護(hù)筒在自重作用下能夠垂直下沉。

4.3.2 導(dǎo)向架安裝固定

（1）導(dǎo)向架采用50t 浮吊吊裝移位，并錨固在已完成鉆孔平臺(tái)的預(yù)留鋼護(hù)筒頂口位置，導(dǎo)向構(gòu)架與下部桁架通過螺栓相連，以確保導(dǎo)向裝置的穩(wěn)定，同時(shí)也便于倒樁時(shí)拆卸。采用這種方式施工時(shí)導(dǎo)向較固定，施工方便，調(diào)整容易，操作安全，使用的機(jī)具設(shè)備少，比較經(jīng)濟(jì)。

（2）導(dǎo)向架的下端懸臂段采用“井”字形型鋼固定在平臺(tái)周邊的鋼管樁的上下平聯(lián)上，或?qū)?dǎo)向架與井字架焊成整體然后固定在鋼護(hù)筒四周的4 根鋼管樁上。

（3）導(dǎo)向裝置內(nèi)設(shè)置有供鋼護(hù)筒定位、糾偏、調(diào)整的液壓千斤頂和鎖定裝置。對(duì)鋼護(hù)筒進(jìn)行微調(diào)定位、施沉過程中糾偏、調(diào)整的鎖定裝置。

圖3 鋼護(hù)筒限位撐

5 鋼護(hù)筒底部固定砼

河床底部先采用采砂船進(jìn)行河床清理，為鋼護(hù)筒底部的外側(cè)固定砼清理結(jié)合面，然后下放圍擋模板，在圍擋上設(shè)置4個(gè)吊點(diǎn)，沿著平臺(tái)鋼管樁放樣的間距標(biāo)記邊緣垂直下放至河床底部，通過對(duì)拉桿將其模板固定。潛水員下水對(duì)圍擋模板四周空隙處及模板與河床銜接不密實(shí)處用砂包封堵，避免混凝土流失。然后進(jìn)行封底混凝土澆筑，封底混凝土將護(hù)筒連成整體提高穩(wěn)定，及保持鋼護(hù)筒內(nèi)鉆孔時(shí)水頭高度。

5.1 圍擋制作及安裝：根據(jù)前期引孔、初平和測(cè)孔數(shù)據(jù)，大致計(jì)算圍擋模板下料尺寸，并在祁東岸的鋼結(jié)構(gòu)加工場(chǎng)地制作，利用廢舊平面鋼模組裝、焊接圍擋模板，整體平面尺寸為7.9m×28.5m，高為 1.5m-4.0m 不等，圍擋總重約11t，用平板駁船運(yùn)至墩位處，浮吊吊裝下放。

5.2 澆筑混凝土封底前，潛水員再次對(duì)鋼護(hù)筒及圍擋四周與水下巖面結(jié)合情況進(jìn)行檢查，若有縫隙，則用砂包封堵。

5.3 鋼護(hù)筒和圍擋穩(wěn)固就位后，安設(shè)混凝土澆筑點(diǎn)，采用水上砼運(yùn)輸船，運(yùn)輸?shù)捷斔捅么线M(jìn)行泵送，澆筑點(diǎn)采用泵導(dǎo)管+導(dǎo)管+集料斗方式進(jìn)行，澆筑方式等同樁基混凝土水下澆筑方式，考慮一次性埋管深度不小于50cm，澆筑點(diǎn)導(dǎo)管采用樁基灌注的導(dǎo)管及集料斗，不需要重新采購(gòu)。在施工平臺(tái)沿鋼護(hù)筒中心線布置5 個(gè)混凝土澆筑點(diǎn)，澆筑高度為鋼護(hù)筒埋置深度1.5m，該墩圍擋內(nèi)混凝土澆筑方量約為289.14m3，考慮到設(shè)置的澆筑點(diǎn)沿護(hù)筒中心線橫向布置相距較遠(yuǎn)，故對(duì)混凝土的塌落度及擴(kuò)展度進(jìn)行試驗(yàn)確定。

圖4 鋼護(hù)筒外側(cè)底部砼澆筑點(diǎn)平面圖

圖5 鋼護(hù)筒底部砼澆筑

一般對(duì)混凝土進(jìn)行塌落度試驗(yàn)在測(cè)量其擴(kuò)展度，當(dāng)混凝土拌和物的坍落度大于220mm 時(shí)，用鋼尺測(cè)量混凝土擴(kuò)展后最終的最大直徑和最小直徑，在這兩個(gè)直徑之差小于50mm的條件下，用其算術(shù)平均值作為坍落擴(kuò)展度值；混凝土拌和物坍落度和坍落擴(kuò)展度值以mm 為單位，測(cè)量精確至1mm，結(jié)果表達(dá)修約至5mm，混凝土坍落度和擴(kuò)展度是對(duì)應(yīng)關(guān)系，如混凝土坍落度180-220mm，對(duì)應(yīng)擴(kuò)展度450-550cm，滿足圍擋內(nèi)澆筑范圍，如圖4、5 所示。

6 結(jié)語(yǔ)

石潭湘江特大橋27#墩的地形條件十分特殊，我們?cè)趯?shí)踐中根據(jù)不同條件采用不同的方法來解決鋼護(hù)筒底端及護(hù)筒本身的穩(wěn)定問題。實(shí)踐證明這種方法在水下傾斜祼巖面上埋設(shè)鋼護(hù)筒都顯示出它的合理性與經(jīng)濟(jì)性。由于在這種特殊的河床地質(zhì)條件下護(hù)筒底部封水和穩(wěn)固得到了解決，從而保證了3.6m 超大直徑樁基在成孔過程中，孔內(nèi)水頭差得到有效保障，成孔進(jìn)度和質(zhì)量均得到較大的保證，為同類地形的超大直徑樁基施工提供參考價(jià)值。