水上旋挖機成孔鋼管嵌巖斜樁施工技術

薛磊，何珺怡，駱錦成，張力心

（1.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.中交公路長大橋建設國家工程研究中心，北京 100088）

0 引言

隨著港口建設工程規(guī)模的不斷擴大，高樁碼頭的應用越來越廣泛[1]，建造在風化巖地基上的高樁碼頭，當基巖（中風化巖）埋藏較深且其強風化層較薄，僅靠錘擊沉樁，樁不能到達足夠深度滿足承載力的要求，此時采用灌注型嵌巖樁是一種較好的處理方法[2]。鋼管嵌巖斜樁具有材質(zhì)均勻、承載力強、穿透土層性能好、能抵抗較大水平荷載的特點，可作為結構物的主要承載構件[3]。但斜樁嵌巖施工工藝復雜，技術難度大，只有選擇合適的工藝，加強過程控制，才能確保施工質(zhì)量[4]。

碼頭施工面臨建設周期緊、水上工作量大、各工作面同時開展的情況，給施工過程也帶來巨大挑戰(zhàn)。鑒于此，本文對鋼管嵌巖斜樁施工鉆孔設備進行優(yōu)化選擇，通過有限元分析設計旋挖樁鉆孔平臺，通過在浙江某碼頭工程中的成功應用，大大提高了施工工效，降低了施工過程的安全風險，節(jié)約了施工成本，解決了技術難題，取得了顯著的社會和經(jīng)濟效益。

1 工程概況

浙江某碼頭為高樁梁板式結構，碼頭基礎分為?2 200 灌注型嵌巖樁基礎和?1 500 鋼管嵌巖樁基礎（鋼管嵌巖樁含132 根直樁和132 根斜樁，材質(zhì)Q345B，壁厚采用24 mm 和22 mm 組合，樁端進入中風化凝灰?guī)r面不少于1.5 m，斜率5.5∶1）[5]。碼頭斷面結構如圖1 所示。

圖1 碼頭斷面結構圖Fig.1 Wharf section structure diagram

1.1 工程地質(zhì)

本工程場地主要位于潮間帶及濱海帶，擬建碼頭區(qū)水深8.60～29.0 m，未發(fā)現(xiàn)有滑坡、崩塌等不良地質(zhì)作用。地貌類型為浙東南沿海島嶼區(qū)，場地土層為海相沉積。土質(zhì)主要為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂礫石（約30%～50%）、凝灰?guī)r。

1.2 施工重難點

鋼管嵌巖斜樁成孔施工使用旋挖鉆的經(jīng)驗較少，設計要求樁端進入中風化凝灰?guī)r面不少于1.5 m，鋼管樁斜率5.5∶1，斜度較大，并且長期處在典型的沿海惡劣環(huán)境中，風高浪大，地質(zhì)條件復雜多變，全年作業(yè)時間有限。斜樁作為最重要的結構之一，同時斜樁施工又屬于關鍵線路，而在有限的作業(yè)時間內(nèi)保證成孔的質(zhì)量，做到鉆機導管與鉆孔中軸線保持一致，同時對鋼管嵌巖斜樁內(nèi)壁不造成損傷是鋼管嵌巖斜樁施工的重難點。

2 旋挖機設備選型、適應性分析及改造

2.1 設備選型

根據(jù)地層情況和滿足設計要求，結合施工經(jīng)驗選定SR405R 旋挖鉆機進行施工。SR405R 旋挖鉆機在可自動行走的履帶式底盤上，機動性能大，移動迅速，獨立作業(yè)性高，施工移運中，無須吊裝設備配合。電力需要量較小，鉆速穩(wěn)定，最大傾斜角度可達90°，動力頭扭矩大，能有效地控制成孔質(zhì)量。

2.2 適用范圍

鋼管嵌巖斜樁創(chuàng)新施工技術適用于沉樁精度要求高、斜樁斜度較大、全年作業(yè)時間有限、復雜海況及地質(zhì)環(huán)境的大直徑斜樁的鉆孔施工。

2.3 設備優(yōu)化改造

采用旋挖鉆進行施工時，為了提高鉆孔效率，對設備進行改造。采用“抽拉天線”型鉆桿（包含支撐環(huán)、鉆桿、動力頭）與鉆頭直接連接（見圖2）。這樣可以使鉆機在加壓油缸助力下迅速挖土，升降機的推進速率高，回轉(zhuǎn)卸土較快。

圖2 帶有支撐環(huán)首節(jié)鉆桿結構示意圖Fig.2 Structure diagram of first drilling pipe with support ring

根據(jù)地層的情況、斜樁鉆孔的參數(shù)（孔深、孔徑、護壁措施、沉渣厚度要求等）需配4 節(jié)鉆桿，前3 節(jié)管壁厚2 cm，最末節(jié)管壁厚3 cm。在除最末節(jié)鉆桿外，其他鉆桿端頭處增加導向裝置（?1.35 m 支撐環(huán)，見圖3），支撐環(huán)通過環(huán)形擋套連接在第一、二、三節(jié)鉆桿的端頭處，目的是為了增大鉆桿剛度，減小鉆桿下?lián)蟍6]。

為使鉆桿沿軸向特定方向轉(zhuǎn)動，在4 節(jié)鉆桿上均設有外鍵條，外鍵條設有鍵槽和加壓塊，鍵槽結構與鍵板結構相匹配；在第一、二、三節(jié)設有內(nèi)鍵條，內(nèi)鍵條上設有鍵板，用來卡住鍵槽，使每節(jié)鉆桿能夠沿軸向相對滑動；相鄰兩節(jié)鉆桿的外壁和內(nèi)壁上分別均勻設置3 根外鍵條和3 根動力頭內(nèi)鍵條，相鄰兩節(jié)外鍵條或相鄰兩節(jié)內(nèi)鍵條之間的夾角為120°；每節(jié)鉆桿外側均設有加強鍵條，內(nèi)鍵條和外鍵條通過鍵板和鍵槽相互配合，使所有鉆桿保持一個方向轉(zhuǎn)動[6]。鍵條結構見圖4。

圖4 內(nèi)外鍵條結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of internal and external key strip structure

改造后的設備優(yōu)點在于能保證鉆機的同心度，扭矩大，鉆進效率高，能有效地控制成孔參數(shù)，成孔質(zhì)量高，減小鉆桿下?lián)隙取?/p>

3 鉆孔平臺設計及搭設

3.1 鉆孔平臺設計

旋挖樁機因結構特殊性，成孔后不能自行完成下放鋼筋籠和澆筑混凝土，需其他起重設備協(xié)助施工，而在挖孔施工過程形成的棄土也需要有另外運土機械予以挖運協(xié)助。同時旋挖鉆自重較大，對平臺的要求較高。鉆孔平臺結構體系自上而下的順序為8 mm 花紋鋼面板，I12.6@300 mm縱向分配梁，I22a@500 mm 橫向分配梁、321 型貝雷縱梁、雙拼HN600×300 橫梁、?426×6 平聯(lián)、?1 500×24 鋼管樁。使用MIDAS 分析軟件對鉆孔平臺結構建立整體模型（圖5），按實際工程要求設置相關邊界條件，對以下工況進行模擬計算。

圖5 計算模型Fig.5 Calculation model

1）模擬工況

按最不利原則，平臺計算考慮以下工況：

工況一：70 t 履帶吊和180 t 旋挖鉆機樁頂作業(yè)（結構自重+施工及人群荷載+車輛荷載+沖擊荷載+波浪力）；

工況二：空載抗臺工況（結構自重+風荷載）。

2）應力分析

不同工況下對各構件的強度及剛度進行計算，計算結果經(jīng)對比分析滿足相關規(guī)范[7]要求。

3.2 平臺搭設

1）平聯(lián)施工

單排鋼管樁在沉放到位后，進行平聯(lián)連接施工。鋼管樁和平聯(lián)中間的連接處均使用“哈佛接頭”焊接連接。“哈佛接頭”為整體結構，每根平聯(lián)在一端設置，平聯(lián)與鋼管樁之間連接如圖6所示。

圖6 平聯(lián)與鋼管樁之間連接示意圖（mm）Fig.6 Connection diagram between horizontal connection and steel pipe pile(mm)

2）主橫梁施工

雙拼鋼工字鋼在后場加工，運至現(xiàn)場進行安裝。先由專業(yè)的測量人員在鋼管樁上放出橫梁軸線及牛腿位置，在鋼管樁側壁焊接牛腿，然后起吊安裝主橫梁、焊接連接鋼板和肋板以及裝配貝雷架。

3）橫縱向分配梁與面板安裝

縱向分配梁、橫向分配梁均采用工字鋼?？v向梁固定好后，面板采用花紋鋼板進行焊接安裝。采用起重船逐塊吊裝花紋鋼板并點焊固定。

4 嵌巖斜樁施工方法

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程見圖7。

圖7 鋼管嵌巖樁施工工藝流程圖Fig.7 Construction process flow chart of steel pipe rock-socketed pile

4.2 鋼管樁沉樁控制

鋼管在專業(yè)廠家進行加工制作和防腐涂裝，為了確保鋼管樁順利沉放，在樁頂和底尖加設寬度為300 mm 厚20 mm 的加強圈（材質(zhì)與鋼管樁相同）。制作完成以后，利用碼頭上起吊設備采取4吊點方法直接吊裝上船，再由運樁駁方式運輸，方駁上配備的錨機在拋錨艇的配合下進行拋錨定位，最后使用金祥3 號打樁船（配D138 柴油打樁錘）進行鋼管樁整樁施打。沉樁施工前對鋼管樁沉樁區(qū)域進行“一樁一孔” 補充地質(zhì)鉆探及取樣試驗，以便明確地層變化和各巖土層的物理力學性質(zhì)[8]。為了防止鋼管樁樁底卷邊，鋼管樁錘擊沉放停錘標準以貫入度控制為主，標高控制為輔；當貫入度達到10 mm 時，應再施打30 擊。由于沉樁后的斜樁懸臂端較長，并受到水流、風浪、潮流的影響，待鋼管樁施打完成后，及時進行夾樁施工。

4.3 成孔施工

鉆孔前先檢查鉆機性能狀態(tài)，確保鉆機正常工作后駛入工作區(qū)域，鉆機就位對中后調(diào)到設計斜度。鉆孔過程中，在支撐環(huán)的襯托下，沿鋼護筒鉆進，為了確保成孔質(zhì)量及機械不受損傷，鉆進速度采用慢速鉆進。當鉆進到設計高程，經(jīng)監(jiān)理工程師檢驗同意即可終止鉆進，用鉆斗進行掏渣清孔，沉渣厚度不得大于5 cm（若沉渣厚度大于5 cm，采用氣舉反循環(huán)工藝二次清孔）。同時排渣區(qū)的運渣設備進入現(xiàn)場，并開展排渣對位測試，以便有效配合，降低干擾，提升鉆進工效，提高施工速度。

4.4 鋼筋籠下放及混凝土澆筑

1）鋼筋籠加工

鋼筋籠通過滾焊機進行加工生產(chǎn)。箍筋與主筋交叉點采用CO2保護焊100%焊接。聲測管在鋼筋籠加工時同時安裝。鋼筋籠節(jié)與節(jié)之間通過套筒機械連接，鋼筋籠生產(chǎn)完成后運至平臺。

2）鋼筋籠下放

在孔口利用履帶吊將單節(jié)段鋼筋籠從水平放置狀態(tài)轉(zhuǎn)換成與鋼管樁同斜率狀態(tài)，然后順鋼管樁將鋼筋籠緩慢入孔。為保證保護層厚度，鋼筋籠能順利下放到位，在鋼筋籠骨架外設置了圓形保護層墊塊。由于是斜樁，鋼筋籠下側的保護層受鋼筋籠本身自重壓力較大，極易被壓壞，加設保護層支撐鋼筋[9]。

3）水下混凝土澆筑

本工程樁基水下混凝土施工采用導管法，鋼筋籠完成下放后，隨即下放澆筑導管。導管設置組合式梭形導向器（見圖8），嵌巖部分梭形導向器外徑尺寸小于鋼筋籠的內(nèi)徑，安裝于導管底部；中空部分梭形導向器外徑尺寸小于鋼管樁內(nèi)徑，每15～20 m 布置1 個。確保導管傾斜下放和上提時不與嵌巖段鋼筋籠發(fā)生卡滯，同時確保導管在中空段處于中心位置不偏移。

圖8 組合式梭形導向器結構示意圖Fig.8 Structure diagram of combined shuttle guide

鋼管嵌巖樁混凝土封底采用拔塞法澆筑。首批混凝土澆完后，及時檢測導管的埋設深度不得小于1 m。為保證混凝土有較好的和易性， 嚴格控制混凝土塌落度在180～220 mm。首批混凝土澆筑完成后，必須持續(xù)澆筑，嚴禁間斷，澆筑過程中由專人測量記錄混凝土面的標高。嚴格控制澆筑導管的埋設深度，防止導管脫離混凝土面和澆筑的中斷，同時避免導管埋設深度過大而造成無法拔出。

鋼管嵌巖斜樁施工完成后，采取高應變法對單樁承載力進行檢測，結果顯示樁身質(zhì)量滿足設計和規(guī)范要求。

5 結語

通過對旋挖鉆機設備的深入研究和鋼管嵌巖斜樁施工技術的總結，解決了利用旋挖鉆進行鋼管嵌巖斜樁施工較為復雜的難題，提高了施工工效，加快了施工進度，節(jié)約了施工成本，具有良好的經(jīng)濟效益，同時也為其它類似工程提供參考。