陡坡裸巖全斷面植入嵌巖鋼管樁施工關(guān)鍵技術(shù)

吳姚平，易　曉，涂偉成

(中交二航局第一工程有限公司，武漢 430012)

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陡坡裸巖全斷面植入嵌巖鋼管樁施工關(guān)鍵技術(shù)

吳姚平，易曉，涂偉成

(中交二航局第一工程有限公司，武漢 430012)

摘要：依托富春江船閘擴(kuò)建改造工程，針對(duì)斷航庫區(qū)深水、裸巖、坡陡且無大型起重設(shè)備的條件，進(jìn)行大直徑獨(dú)立式鋼管嵌巖樁全斷面植入施工，有效解決了裸巖穩(wěn)樁、深水鉆孔、起重及如何在砼灌注過程中保證鋼管樁與孔壁之間空隙的密實(shí)度等難題。

關(guān)鍵詞：斷航庫區(qū)；裸巖；浮式固定鉆孔平臺(tái)；起重平臺(tái)；孔壁灌漿

富春江船閘擴(kuò)建改造工程上游引航道平面布置基本采用原有引航道布置形式，引航道寬度為50 m，引航道底設(shè)計(jì)高程為+18.0 m。左側(cè)為防止船舶在橫流作用下偏航誤入船閘左側(cè)溢洪道水域，威脅船舶及大壩安全，在上游引航道左側(cè)原有隔流墩上游延伸設(shè)置長(zhǎng)度為227.6 m的浮箱導(dǎo)航設(shè)施。浮式導(dǎo)航設(shè)施共布置6座浮箱，導(dǎo)航浮箱由嵌巖鋼管樁固定：鋼管樁布置在導(dǎo)航浮箱端部，樁與樁之間中心距為38.5 m，數(shù)量共7根。鋼管樁直徑2.5 m，壁厚25 mm，鋼管樁全斷面嵌入中風(fēng)化巖7 m以上。鋼管樁內(nèi)部填充C25混凝土，樁頂高程為+30.5 m。

1施工難點(diǎn)及特點(diǎn)

1)起重難度大。鋼管嵌巖樁長(zhǎng)度較長(zhǎng)(最長(zhǎng)達(dá)40.5 m)，重量較重(最重達(dá)61.771 t)，且因原有船閘已封航，施工區(qū)域內(nèi)大型浮吊無法進(jìn)入。

2)平臺(tái)搭設(shè)難度大。嵌巖樁樁芯間距為38.5 m，共7根，為獨(dú)立布置型樁基，采用傳統(tǒng)工藝搭設(shè)滿堂固定式鉆孔平臺(tái)成本較高；采用普通浮式平臺(tái)進(jìn)行鉆孔時(shí)，因設(shè)備自重及沖擊荷載較大，鉆孔過程中平臺(tái)穩(wěn)定性難以保證；同時(shí)覆蓋層較薄,水上設(shè)備拋錨定位困難。

3)孔壁密實(shí)度難以保證。設(shè)計(jì)樁徑為2 500 mm，孔徑為2 800 mm，鋼管樁全斷面植入，孔壁與鋼管樁之間只有15 cm間隙，若孔壁不密實(shí)，樁基承受水平荷載時(shí)容易晃動(dòng)。

2關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1　起重平臺(tái)設(shè)計(jì)

鑒于斷航庫區(qū)內(nèi)無法調(diào)遣大型水上起重設(shè)備，該研究擬在上游自行設(shè)計(jì)拼裝一條浮式起重平臺(tái)，該浮式起重平臺(tái)吊高12 m，采用固定式扒桿，利用4根錨纜進(jìn)行定位，船頭設(shè)前進(jìn)纜，船尾設(shè)尾錨控制船體小幅度前進(jìn)、后退。

起重平臺(tái)由1個(gè)20 m×10 m浮箱及2根19 m桅桿組成。桅桿采用兩根φ50 mm鋼絲繩固定。所有浮箱采用∠150×150×10 mm角鋼進(jìn)行包邊，浮箱與浮箱之間采用10 mm厚鋼板進(jìn)行包邊，桅桿采用φ480 mm鋼管。經(jīng)專業(yè)檢測(cè)單位檢測(cè)，該浮式起重平臺(tái)最大起重量為50 t。起重平臺(tái)示意圖見圖1。

2.2　鉆孔平臺(tái)搭設(shè)方案比選

2.2.1方案1：采用固定式鉆孔平臺(tái)

1)平臺(tái)設(shè)計(jì)

該平臺(tái)采用15根鋼管支腿與上部支撐型鋼搭設(shè)成“板凳型”結(jié)構(gòu)。支腿橫向間距4 000 mm，縱向間距4 500 mm，支腿采用振動(dòng)錘下沉至基巖面以下。樁腿頂部橫向設(shè)工36主梁,主梁頂高程為+24.0 m，鉆機(jī)前后支點(diǎn)處設(shè)工25分配梁，間距為500 mm。其他位置鋪設(shè)250 mm×250 mm桁架，用于鋪設(shè)人行走道。整個(gè)平面尺寸為16 000 mm×9 000 mm。分配梁與主梁相接處設(shè)加強(qiáng)腹板，以提高平臺(tái)的整體性。護(hù)筒側(cè)邊沿主梁采用裝配式，待護(hù)筒吊運(yùn)完成后再安裝。固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

2.2.2方案2：采用浮式固定鉆孔平臺(tái)

1)鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)

鉆孔平臺(tái)由浮箱平臺(tái)和4條φ720×14 mm定位鋼管支腿組成。浮箱平臺(tái)長(zhǎng)度為13 m，寬度為6 m，高度為1.35 m。浮箱一端設(shè)置一U型缺口，U型槽口寬度不小于3.25 m，以便沉放鋼護(hù)筒。

鉆孔平臺(tái)由平臺(tái)主體及支腿兩部分組成，兩部分結(jié)構(gòu)形式如下：

①平臺(tái)主體

平臺(tái)主體由上下兩層槽鋼構(gòu)成基本骨架，骨架間通過槽鋼增加其整體性；通過側(cè)壁橫肋、豎肋及分配承重梁構(gòu)成平臺(tái)主體頂層受力系統(tǒng)；底層由底板橫肋、縱肋構(gòu)成；底部及側(cè)壁焊接鋼板使平臺(tái)主體構(gòu)成上端開口的密封箱體，以便于水上轉(zhuǎn)移；平臺(tái)主體四個(gè)角上分別設(shè)有絞關(guān)，與絞關(guān)所連纜繩用以固定其水平位置。

②支腿

浮式平臺(tái)設(shè)有四個(gè)平臺(tái)支腿，平臺(tái)支腿由上下兩層槽鋼構(gòu)成基本骨架，上層槽鋼與平臺(tái)主體連接部分需焊接加固；上下層骨架以槽鋼連接，構(gòu)成“井”字型結(jié)構(gòu)；在“井”字型機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)有上下兩側(cè)鋼抱箍，鋼抱箍與定位樁通過螺栓松緊，用以安裝或拆卸平臺(tái)；每個(gè)支腿頂部設(shè)有千斤頂，千斤頂?shù)撞繑R置與定位樁封頭鋼板上，頂部頂在水平工字鋼上，用以承受豎向荷載及調(diào)節(jié)平臺(tái)面標(biāo)高。

鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

2) 鉆孔平臺(tái)使用

①定位

a.初步定位。初測(cè)樁位，拋下浮標(biāo)，距離樁中心80 m處，前后左右八字形拋下4只300 kg鐵錨，用6×24Φ18.5鋼絲繩作纜繩，繩長(zhǎng)各100 m，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行增長(zhǎng)或減短。

b.精確定位。浮式平臺(tái)移至樁位處，將四根錨繩與浮式平臺(tái)上四只絞關(guān)相連，用絞關(guān)移動(dòng)平臺(tái)定好樁位，固定絞關(guān)。

c.定位鋼管樁就位沉放。利用水上起重平臺(tái)將鋼管樁吊至已固定的浮式平臺(tái)的定位裝置內(nèi)，利用振動(dòng)錘將定位鋼管沉放至基巖(在就位前，潛水員先進(jìn)行水下探摸，對(duì)于起伏較大的區(qū)域進(jìn)行拋填碎石預(yù)先找平)。當(dāng)定位鋼管高出水面高度不能使用浮式平臺(tái)調(diào)整高度時(shí)，用割管法或接管法以達(dá)到使用高度。沉放完成后，鎖緊鋼抱箍，使其與平臺(tái)連接。

②高度調(diào)正

調(diào)高裝置高出平臺(tái)頂面1 150 mm，調(diào)整范圍約50 cm。每個(gè)支腿設(shè)100 t油壓千斤頂一個(gè)，油壓千斤頂?shù)撞糠旁诙ㄎ讳摴芊忸^板上，頂部頂在定位樁橫梁上。安裝好后，調(diào)整平臺(tái)頂。

③平臺(tái)移位

鉆孔作業(yè)完成后，起錨取出鉆錘；松開抱箍后4只千斤頂均勻卸力，使平臺(tái)緩慢入水；利用水上起重平臺(tái)配合振動(dòng)錘將定位鋼管取出。定位鋼管提升足夠高度后鎖緊抱箍，使支腿鋼管臨時(shí)與平臺(tái)連接，避免其底部在移動(dòng)過程中碰觸河床；鐵駁就位，利用鋼纜與平臺(tái)絞關(guān)連接，拖曳整個(gè)鉆孔平臺(tái)至下一樁位。

2.2.3方案比選

鉆孔搭設(shè)方案比選見表1，經(jīng)比選，選定方案2中平臺(tái)作為該工程樁基施工平臺(tái)。

表1　鉆孔平臺(tái)搭設(shè)方案比選表

2.3　成孔施工

鋼管樁施工采用全斷面植入法，施工共分為護(hù)筒沉放、鉆孔、清孔栽樁、混凝土澆筑四個(gè)過程。鋼管樁施工示意圖見圖4。

2.3.1護(hù)筒沉放

工程所在地地質(zhì)情況為中風(fēng)化凝灰?guī)r，屬于高強(qiáng)度巖基，且?guī)r面傾斜，鋼護(hù)筒在沉設(shè)過程中底部易滑移，難以定位。故在護(hù)筒沉放前，利用沖擊錘自由沖擊將斜巖鑿平。

因該工程鋼護(hù)筒長(zhǎng)度較長(zhǎng)，最長(zhǎng)鋼護(hù)筒近30 m，自主設(shè)計(jì)起重平臺(tái)起重高度受限，故采用兩艘自主設(shè)計(jì)的水上起重平臺(tái)抬吊作業(yè)。1號(hào)起重船側(cè)設(shè)吊耳2個(gè)，2號(hào)起重船側(cè)設(shè)吊耳1個(gè)。1號(hào)起重船打鉤與2號(hào)起重船打鉤各吊鋼管樁一端使鋼管樁入水。入水后，1號(hào)起重船小鉤上提，2號(hào)起重船松鉤。1號(hào)起重平臺(tái)將鋼護(hù)筒拖運(yùn)至樁位處。通過1號(hào)起重平臺(tái)將鋼護(hù)筒喂入浮式固定平臺(tái)“U”型槽內(nèi)，通過全站儀反復(fù)調(diào)整護(hù)筒中心位置，使其中心位置偏差小于100 mm。位置調(diào)整完成后，通過型鋼連接平臺(tái)使鋼護(hù)筒四周固定。鋼護(hù)筒吊裝示意圖見圖5。

2.3.2沖擊鉆進(jìn)

沖擊鉆進(jìn)采用低錘密擊開孔，待成孔深度大于沖錘與沖程長(zhǎng)度之和后便可進(jìn)行正常沖程沖擊。鉆進(jìn)過程中利用50 kW振動(dòng)錘使護(hù)筒跟進(jìn)。

2.3.3鋼管樁栽立

每根鋼管樁分兩節(jié)進(jìn)行安裝，首先安裝分節(jié)1鋼管，安裝完成后，進(jìn)行鋼筋籠安裝、二次清孔并澆筑砼。待砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%以后，將分節(jié)2鋼管對(duì)接至分節(jié)1鋼管上面。

分節(jié)1鋼管栽立具體步驟如下：

a.潛水員水下割除距離泥面1 m以上鋼護(hù)筒。

b.鋼管栽立采用50 t起重工作平臺(tái)進(jìn)行吊裝，將分節(jié)1鋼管樁吊裝至鉆好的2.8 m直徑的孔中。對(duì)于7#錨樁，單節(jié)重量53.4 t，已有起重船額定荷載為50 t，按照最不利情況，該工程最重鋼管樁為53.6 t。在鋼管樁內(nèi)部焊接2塊圓形鋼板，與鋼管樁焊牢，使用壓縮機(jī)抽出其中空氣，形成5 m3真空，并進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。待鋼管樁安裝到位后，潛水員用水下切割的方式割除鋼板。

故在鋼護(hù)筒內(nèi)設(shè)浮箱以減小起重船吊重。水的密度為1 000 kg/m3,故浮箱提供浮力為：

F浮=3.6×10=36 kN

浮箱自重取2 kN。

浮箱內(nèi)容體積為：V=(36+2)÷1 000÷10÷1 000=3.8 m3。

該工程內(nèi)置浮箱為5 m3>3.8 m3，符合要求。

2.3.4孔壁灌漿

在鋼管下口，距離底部3 m范圍內(nèi)開30 cm×80 cm(寬×高)16只缺口，每圈8個(gè)，孔位成梅花形布置，便于在澆筑過程中混凝土能從孔壁間上翻。

為保證孔壁密實(shí)度，提高樁基在水平荷載下的穩(wěn)定性，在底部缺口中間埋設(shè)直徑48 mm壓漿鋼管，壓漿管從底口連接至樁頂，鋼管底口8 m范圍內(nèi)每10 cm間距鉆4 mm小孔，每圈鉆4個(gè)，成梅花狀布置。混凝土澆筑完成后，潛水員水下將碎石拋填至孔壁內(nèi)，然后將壓漿管連接壓漿設(shè)備進(jìn)行壓漿處理，以使孔壁密實(shí)。

3結(jié)語

富春江船閘上游引航道庫區(qū)在斷航情況下，通過浮箱拼裝方案，有效解決了水上起重施工難題；針對(duì)深水、裸巖、庫區(qū)水位變動(dòng)及獨(dú)立樁基特點(diǎn)，自主研究與設(shè)計(jì)出了浮式固定鉆孔平臺(tái)，在滿足平臺(tái)穩(wěn)定性的同時(shí)，加快了平臺(tái)周轉(zhuǎn)速度，提高了生產(chǎn)效率，極大節(jié)約了施工成本；鋼管樁孔壁灌漿技術(shù)等先進(jìn)施工工藝的運(yùn)用也提高了樁基質(zhì)量。該工程的順利實(shí)施，為我國一大批類似改擴(kuò)建船閘施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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Uncovered Rock Full Steep Section of Rock-socketed Implanted Key

Techniques for Construction of Steel Pipe Piles

WUYao-ping,YIXiao,TUWei-cheng

(The First Construction Company of CCCC Second Harbor Engineering Co,Ltd, Wuhan 430012,China)

Abstract:Relying on Fuchun River lock expansion renovation project,in the conditions of reservoir under unnavigable for deepwater bare rock, steep slopes and no large-scale lifting equipment, full construction of large diameter section of the implant freestanding steel socketed pile was done.And this is an effective solution to the uncovered rock steady pile, deepwater drilling, lifting and how to ensure that the density of the gap between the steel pipe piles and holes in the concrete wall of the infusion process and other problems.

Key words:unnavigable reservoir;uncovered rock;fixed floating drilling platform;lifting platform;filling the hole wall

作者簡(jiǎn)介：吳姚平(1981-)，工程師.E-mail:120460775@qq.com

收稿日期：2015-10-03.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.014