粉砂地層深水樁基超長鋼護筒設計與施工

摘要 東津黃河大橋19#墩位于黃河主河槽中，地處粉砂地層，沖刷深度達12 m。文章結合該墩水中2 m大直徑樁基130 m深鉆孔施工，綜合考慮河床沖刷深度、護筒泥漿滲流穩(wěn)定設計了長36 m、直徑2.4 m鋼護筒，通過8面形空間框架導向架，精確控制了護筒及樁基的垂直度，保證了樁基施工的質量，為類似的水中大直徑樁基施工提供了可借鑒經驗。

關鍵詞 粉砂地層;深長護筒;滲流穩(wěn)定;導向架;沖刷

中圖分類號 U445.551文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）11-0085-03

引言

鋼護筒能導向鉆頭，固定樁位，穩(wěn)定孔壁，防止坍孔，還有隔離地表水，保護操作原地面等作用，是鉆孔樁施工成敗的關鍵之一，也是一個比較復雜的技術問題。隨著基礎施工技術的發(fā)展，鋼護筒在樁基施工中的應用也越來越廣泛，但是對于粉砂等軟弱地基、深水、大直徑超長樁基施工中的護筒尺寸、長度、埋置深度等研究較少，多以規(guī)范經驗數據進行選取，若護筒尺寸、長度等考慮不足會引起變形、護筒埋置深度不足失穩(wěn)、流土管涌等問題，若設計太保守又會造成鋼材、振沉設備和人員等不必要的浪費。該文借鑒以往鋼護筒的設計經驗及相關知識進行設計驗算，并通過實例驗證，較好地解決了該項問題。

1 工程概況

東津黃河大橋位于黃河下游，是一座雙塔雙索面鋼—混組合梁斜拉橋，六跨連續(xù)，孔跨布置（50+180+420+180+50）m，19#主塔位于黃河主河槽內，實體承臺下設置50根直徑2 m，長112 m混凝土灌注樁基礎。

橋址處地層為粉土、粉砂，夾雜較薄的粉質黏土層（圖1）。河床粉砂粒徑小，抗沖擊能力弱，最大沖刷深度12 m，常水位9 m，水深3.3 m，最大洪水位12.4 m，樁位處水文地質如圖1所示。

19#墩樁基采用泵吸反循環(huán)成孔工藝，搭設鋼平臺施工，平臺標高17.8 m，鉆孔深度130 m。鉆進過程中孔內泥漿面標高為17 m，泥漿比重1.05～1.15 g/ m?。

施工時護筒內外存在8 m的液面高差，且粉砂地質滲水性強，護筒內泥漿的滲流是護筒長度選擇的一項重要因素。根據施工安排，工程樁基施工時間計劃為3—6月份，樁位處的河床沖刷深度需要根據施工期的水位、流量進行修正計算，避免沖刷考慮過大，造成護筒長度的增加，引起鋼材、振沉設備的浪費。

2 護筒設計

針對黃河的粉砂地層大直徑深長護筒計算，需要考慮河床的沖刷深度后，進行護筒的最小埋置深度計算，同時對護筒的施工過程結構穩(wěn)定性進行驗算，確保護筒能在施工期內不因沖刷而失穩(wěn)，不發(fā)生漏漿，同時護筒不受力變形。

2.1 河床沖刷計算

根據對利津水文站歷年3—6月的水位流量統(tǒng)計，19#墩處該時期的高水位數據為水位9.69 m，流量1 480 m3/s，主河槽寬度307 m，過水面積1 775 m2。計算河槽沖刷時，不考慮自然演變沖刷，采用主河槽單寬流量、河槽寬度、河槽最大水深等河槽參數，施工期橋位斷面主河槽沖刷后最大水深=一般沖刷hp+局部沖刷hb。

一般沖刷采用《公路工程水文勘測設計規(guī)范》（JTGC30—2015）第8.3.1條64-1修正式（1）計算，計算結果見表 1。

（1）

局部沖刷采用65-2式（2）計算，當V

（2）

經過計算施工期河床沖刷深度為8.208 m。

2.2 護筒埋置深度計算

滲流是水在土壤孔隙中的運動，粉砂地質穩(wěn)定性差，水的流動會攜帶泥沙一同運動。若護筒埋深不足，護筒內泥漿面與外部河水的水頭壓差將導致泥漿經護筒底部向河中滲透，滲透的過程中不斷沖刷護筒底部土體，最終導致護筒失穩(wěn)。為避免管涌發(fā)生，在實地考察的基礎上，根據19#墩土層計算參數（表3），對鋼護筒埋設深度進行設計驗算[1]。

護筒底端埋置深度按式（3）計算：

（3）

式中：

L—護筒埋置深度（m）;

H—施工水位至河床表面深度（m）;

h—護筒內水位與施工水位之差（m）;

γw—護筒內泥漿容重，按13 kN/m3 計算;

γ0—水的容重，10 kN/m3;

γd—護筒外河床土的飽和容重（kN/m3），按式（4）進行計算：

（4）

式中，Δ——土粒的相對密度，砂土平均取2.65，黏性土平均取2.70;

e——飽和土的孔隙比，砂土為0.33～1.0，黏性土為0.17～0.43，軟土為1～2.3。

施工時護筒中的泥漿面標高按17 m計算，得出護筒的最小埋深L為13.2 m，底標高?15.7 m，考慮黃河地質較弱，取1.2的安全系數，則護筒的計算總長度為35.8 m，最終選取36 m，護筒打設頂標高17.5 m，底標高?18.5 m，如圖2所示。

3 護筒施工

樁基直徑為2 m，為滿足施工需要，護筒內徑應大于樁徑200 mm，選擇2.4 m直徑護筒，壁厚14 mm，采用振動下沉方式打設。

3.1 護筒加工

鋼護筒采用厚度14 mm鋼板卷制加工而成，用半自動等離子切割設備將定尺鋼板（1.5×7.536 m）邊緣修整并切割焊接坡口[2]。利用三滾軸卷板機卷制護筒，卷制橢圓度按≤20 mm控制，護筒直徑的測量不小于4處。

卷制成型的1.5 m節(jié)護筒在場內對接焊接成12 m長護筒備用。護筒良好的焊接質量是護筒打設不斷裂、不漏漿的關鍵因素，護筒內側焊縫采用埋弧自動焊，外側用二氧化碳氣體保護焊滿焊。393DC7A6-73D0-4407-B136-863B4F457AFF

焊接前先對接護筒確保相鄰兩節(jié)護筒對接錯位小于1 mm，并用鋼板進行定位焊接。將定位后的護筒節(jié)放置在雙軸滾籠機上，利用滾籠機帶動護筒旋轉，實現內口埋弧自動焊接及外口焊縫焊接位置的移動，節(jié)省人工，提高施工效率及質量。

3.2 護筒打設

將對接好的12 m節(jié)護筒，用100 t履帶吊配合150型雙夾嘴振動錘進行施工[3]。在護筒打設的振動錘夾持端（頂部）焊接30 cm的護圈帶，避免打設時護筒鋼板的局部變形或破壞，影響后續(xù)的連接。

用型鋼導向架進行護筒打設平面位置及垂直的控制。導向架采用槽鋼對扣為骨架，并用工字鋼做連接系形成空間結構，高度6 m分三層。每層為平面尺寸（2.75×2.75） m、內徑2.46 m的8面形框架。導向架結構形式見圖 3。

導向架在平臺面以上2 m，并設三角支撐架穩(wěn)固，通過三角架進行導向架的平面定位及垂直度的控制?？刂破矫嫖恢闷钚∮? cm，垂直度偏差小于1/150。

將導向架放置在平臺孔口位置，鋼平臺以下部分4 m，以上部分2 m（如圖4），方便施工人員操作，經測量對導向架定位、垂直度調整后，牢固焊接在鋼平臺上，使用時，履帶吊將鋼護筒吊裝至導向架內，使用雙夾振動錘，沿著導向架一側將鋼護筒向下打設，導向架對鋼護筒位置及傾斜度進行限制[4-5]，僅需少量檢查即可完成鋼護筒的打設施工，大大減少了護筒打設糾偏時間，提高了打設施工效率。

3.3 使用效果與不足

東津黃河大橋19#墩護筒于3月21日開始施工，4月18日打設完成，樁基于6月21日完成施工，施工期最大流量3 160 m?/s，水位10.91 m，施工過程中護筒穩(wěn)定，未發(fā)生孔口坍塌、傾斜等問題，樁基成孔檢測垂直度小于0.15%（1/660）。

在迎水面40#及主河槽側面4#的樁基在施工過程中出現輕微漏漿現象，在鉆機停止時護筒水位能保持，鉆機鉆進擾動下泥漿面下降。將護筒內灌入M7.5砂漿，護筒底口以下3 m，底口以上4 m。待砂漿具有一定強度后再鉆進，該方式解決了護筒漏漿問題，且未對成孔質量造成影響。

經過實踐檢驗，該項目鋼護筒設計安全，施工控制良好，粉砂地層且流量變化較大的水中基礎施工時，護筒埋置深度的安全系數建議適當加大。

4 結束語

東津黃河大橋工程水中深長樁基施工，采用了沉入大直徑深長護筒輔助施工，護筒設計時對粉砂地質河床沖刷充分考慮，按沖刷后河床面進行護筒埋置深度計算，設計長度合理，既保證了施工安全又節(jié)約了材料。護筒打設時利用6 m高的8面形空間框架導向定位，將護筒打設垂直度控制在1/150之內，為樁基高質量成孔提供了先決條件，對今后類似的水中樁基施工有一定的借鑒意義。

參考文獻

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收稿日期：2022-04-18

作者簡介：李紅紅（1990—），女，本科，工程師，研究方向：橋梁工程及技術攻關開發(fā)。393DC7A6-73D0-4407-B136-863B4F457AFF