蕪湖長江公路二橋鋼護筒制作、運輸與沉放技術

尚龍，章欣，韓志忠

（中交二航局第四工程有限公司，安徽　蕪湖　240001）

蕪湖長江公路二橋鋼護筒制作、運輸與沉放技術

尚龍，章欣，韓志忠

（中交二航局第四工程有限公司，安徽蕪湖240001）

以蕪湖長江公路二橋南主墩樁基鋼護筒施工為工程背景，闡述了南主墩樁基鋼護筒特點、制作工藝、運輸控制、沉放方法等，主要包括采用工廠化加工螺旋焊縫超大鋼護筒、多支點內外支撐運輸、大型浮吊配合雙聯振動錘施振、雙層雙導向雙聯導向架定位、大扭矩回旋鉆掃孔再施振的二次跟進工藝等。結果表明此技術有效控制了鋼護筒加工質量和運輸過程中的變形，提高了鋼護筒定位精度。

鋼護筒；制作；運輸；沉放；技術

1　工程概況

蕪湖長江公路二橋起于無為縣石澗鎮，終于繁昌縣峨山鎮，接已經建成的滬渝（南沿江）高速公路，路線全長55.508 km，跨江主引橋長13.982 km。跨江主橋為100 m+308 m+806 m+308 m+ 100 m五跨分肢柱式塔分離鋼箱梁四索面斜拉橋，全漂浮體系，塔高262.48 m，主橋長1 622 m。

南主墩基礎設計有30根直徑φ3 000～3 400 mm變截面鉆孔灌注樁，樁底標高為-86 m，頂標高-5.8 m，樁長80.2 m，主墩鉆孔樁采用C35水下混凝土。其中樁徑φ3 400范圍設計有永久鋼護筒，采用壁厚為25 mm的Q235C鋼板卷制而成。

2　南主墩鋼護筒特點

蕪湖二橋南主墩樁基鋼護筒設計底標高為-45.8 m，根據南主墩附近3個地質鉆孔資料顯示，河床自然標高為-28.1～-28.5 m，且從-37.4～-42.7 m進入卵石層，-42.7～-51.3 m進入強風化泥質砂巖層，因此鋼護筒從制作運輸到現場安放具以下特點：

1）鋼護筒長度長，重量大。單根永久鋼護筒從-5.8～-45.8 m，長40 m，加之措施鋼護筒長度，單根鋼護筒長56.8 m，且鋼護筒采用直徑3.4 m、壁厚25 mm螺旋焊管，同時根據工程的地質和類似工程的經驗，鋼護筒底口3 cm以上設置壁厚24 mm，高100 cm抱箍，護筒頂口設置壁厚20 mm、高100 cm抱箍，單根鋼護筒的重量達120 t左右。

2）鋼護筒制作要求高、運輸風險大。目前國內最大生產螺旋焊管壁厚為25.4 mm，且直徑為3.4 m的生產線更是少有，同時對長50多m的鋼護筒起吊、翻身、涂裝難度大，加之吊裝上船，因此對整個起吊上船及運輸設備要求很高。

3）鋼護筒現場吊裝與沉放設備要求較高，根據鋼護筒重量及起吊高度、吊幅等數據，采用大型浮吊起吊，雙聯振動錘施振。

4）鋼護筒現場施工控制難度大。根據振動錘的施振原理及國內外施工經驗，振動錘很難直接將鋼護筒施振至巖層內，且由于水深、覆蓋層淺，鋼護筒施振懸臂大，對鋼護筒定位精度控制難度加大。

3　鋼護筒制作及運輸

鋼護筒生產流程：材料采購→復驗→焊接工藝評定→加工制作→涂裝及檢測→驗收→裝運。

3.1材料采購

鋼護筒制造用料：鋼卷δ25 mm，材質Q235C；焊接材料為H08MnA、ER50-6，應符合現行標準的規定。所有材料必須提供完整的材料質量證明書和產品合格證，對所有的鋼卷進行復檢。

3.2焊接工藝評定

采用的焊接方法及工藝：認真審核設計圖紙中的各項技術要求，確定焊接工藝關鍵點，以正確判定下料的坡口形式、拼裝尺寸及允許誤差，并進行焊接工藝評定。

鋼護筒焊接經焊接工藝評定，共有3種焊接形式：雙Y形坡口全熔透雙面埋弧焊、單面V形坡口正面埋弧焊+背面手工電弧焊、單面V形坡口全熔透雙面手工電弧焊[1]。

3.3加工制作

3.3.1鋼卷對接焊流程

前一鋼卷用盡后采用等離子切割機切除板尾，并開出焊接坡口，新送入鋼卷矯平后采用等離子切割機切除板頭，并開出焊接坡口；鋼卷對接前先邊緣對齊，兩板間保持焊接距離，焊接方法為埋弧自動焊，采用單面焊工藝；設定焊接電流、電壓、焊接速度，對連接部位進行埋弧焊接（焊劑、自動焊絲與螺旋焊接時相同），在鋼卷對接完成下線后，再對鋼帶對頭焊的背面焊縫進行清根，然后用手工電弧焊施焊。

3.3.2成型和焊接

1）為保證焊接質量，對鋼帶邊的雜質進行清理和預開焊接坡口。

2）2臺大功率銑邊機對鋼帶兩邊銑削，加工出X形焊接坡口。

3）成型機為3組成排的輥輪。鋼帶以螺旋角度送入成型機內，產生螺旋卷曲成型，鋼帶的兩板邊形成成型縫。

4）螺旋角的大小根據鋼樁直徑和鋼帶寬度計算確定。

5）焊接為自動埋弧焊內焊接和外焊接[2]。3.3.3等離子定尺切割與涂裝

鋼護筒按照要求長度采用空氣等離子切割。

1）根據要求，用測量尺定出切割長度，做好標識。

2）開啟等離子切割機，鋼護筒旋轉1周完成切斷。

3）切割完成后，鋼護筒由桁車轉運至涂裝場地。涂裝采用噴砂除銹工藝，銅礦砂作為輔料，表面處理達到Sa2.5級標準并有一定粗糙度，噴砂后4 h內進行噴漆，以保證油漆和鋼材表面的結合力。鋼護筒涂裝體系為：鋼板噴砂Sa2.5級后涂裝20 μm無機硅酸鋅車間底漆，再進行噴砂Sa2.5，最后涂裝150 μm耐磨環氧底漆和300 μm耐磨環氧面漆。

3.4鋼護筒運輸

鋼護筒為直徑3.4 m的螺旋管，直徑大，為保證鋼護筒在搬運和運輸過程中不發生變形，在卷制完成后鋼護筒頂口、底口1 m位置設置米字撐（圖1），在鋼護筒內間隔10 m設置米字撐。

圖1　鋼護筒內支撐及支墊木方Fig.1　Bracing inside steel casing and supporting timber

鋼護筒加工完成后，先由廠房內2臺80 t龍門吊運輸至外場，再由2臺50 t龍門吊水平運輸至碼頭裝船，船舶采用1 389 t平板駁船，尺寸60 m×26.5 m。

3.4.1鋼護筒吊裝及裝船

1）成品管采用尼龍吊帶輕吊、輕運，防止撞擊變形和機械損傷。

2）裝運時，防止長鋼管產生較大的彎曲而損傷外涂層。

3）涂敷過的每根成品管都應套上隔離墊圈。墊圈的尺寸和位置以堆放時保護涂層不受損壞為原則。

4）駁船裝運鋼護筒時，根據打設施工順序和吊裝的可能性，按裝樁圖要求分層裝駁；駁船裝樁應采用多支墊堆放，墊木均勻放置，并適當布置通楞，墊木頂面在同一平面上；裝載堆放形式應確保駁船在裝卸、運輸和起吊時保持平穩[3]。

3.4.2鋼護筒裝駁運輸

鑒于南主墩鋼平臺施工工藝的特殊性，鋼護筒在廠內分2個節段制作，單根運輸，由于鋼護筒直徑較大，鋼護筒裝船時采用軟吊索捆綁式吊裝，以避免產生吊裝變形，同時，在運輸船上設置半圓形專用支架，使支點處受力均勻。

4　鋼護筒吊裝與安放

4.1鋼護筒吊裝

根據首節鋼護筒長度、重量、平臺布置等，鋼護筒首節吊裝采用航工868浮吊吊裝安放。

為避免鋼護筒發生吊裝變形，浮吊采用捆綁式吊裝方法。鋼護筒吊裝采用2個主鉤，鋼護筒被吊起后，一鉤起鉤，同時另一鉤下落，實現鋼護筒由水平變垂直，并將底端米字撐拆除。然后將鋼護筒緩慢進入導向框內，選擇流速較小、水面較為平靜時將鋼護筒緩慢下放，直至入泥穩定，待鋼護筒靠自重下沉穩定后才能脫鉤。

吊裝采用直徑90 mm和直徑54 mm鋼絲繩，用于水平和豎直吊裝鋼護筒。在水平狀態吊裝時，保守考慮僅捆綁式鋼絲繩受力，每根鋼絲繩承受拉力為110/（4cos 65°）=30.3 t，對于公稱抗拉強度1 770 MPa，φ54 mm鋼芯鋼絲繩，最小破斷拉力為184 t，安全系數為184/30.3=6.1，滿足要求。在豎直狀態吊裝時，保守考慮2根鋼絲繩受力（從水平狀態變成豎直狀態時），每根鋼絲繩承受拉力為110/2=55 t，對于公稱抗拉強度1 770 MPa，φ90 mm鋼芯鋼絲繩最小破斷拉力為510 t，安全系數為510/55=9.3，滿足要求。

4.2鋼護筒安放

4.2.1首節鋼護筒安放導向架與振動錘

考慮到蕪湖二橋專用規范對鋼護筒的斜率（1/260）要求較高，同時單樁獨柱的樁基偏位（5 cm）控制均大大優于橋規的要求[4]，又考慮到主墩處水深，護筒著床前懸臂較大，且護筒直徑較大，阻水面積大，故首節鋼護筒下沉采用雙層雙導向雙聯定位導向架進行定位。

根據鉆孔平臺的結構布置特點及施工便利性，導向架采用雙層雙孔形式，兩層導向架垂直距離為4 m，共16個導向輪，每個導向輪對應1個千斤頂。使用過程中，導向架臨時固定在兩端平臺橫梁上，每定位1次，可以沉放2根鋼護筒，精度控制通過雙層導向輪配合千斤頂實現[5]。

為了保證首節鋼護筒能夠下沉到位，振動錘需穿過上層導向框（圖2），因此，設計導向架時，導向框的靜空隙考慮了振動錘通過的要求。另外，為了使振動錘油管能夠順利通過上層導向框，將導向架外側上橫梁設計成可以旋轉的活動構件，即在外側上橫梁兩端設置銷軸，當振動錘需要通過時，提前用電動葫蘆將其下放并擱置在下層導向架外側橫梁上。根據主墩位處地質情況以及以往工程經驗，擬采用2臺APE400型振動錘雙聯動進行首節鋼護筒的下沉。

圖2　導向架沉放鋼護筒Fig.2　Lowering steel casing down along guide frame

將鋼護筒沉放到-40 m標高所需振動錘激振力F＞土的動摩阻力Fr=μ∑fULi=5 498.064 kN，其中：μ為砂土液化系數，f為土側阻力標準值；U為樁截面周長；Li為第i層土體厚度。見表1。而APE400型液壓振動錘單錘的最大激振力Fv= 3 203 kN[6]。雙聯動振動錘最大激振力P=2Fv= 6 406＞Fr=5 498.064 kN，故振動錘滿足施工需要。

表1　鋼護筒第1次下沉至-40 m時土阻力Table 1　Soil resistance to steel casing when it was first driven to-40 m

4.2.2鋼護筒及導向架受力分析

1）分析前提條件

由于鋼護筒批量沉放施工，導致主墩處河床沖刷，取沖刷后標高-33.0 m（初始泥面標高-28 m左右）。水位標高為+3.0 m左右，實測水流速不大于1 m/s，偏安全取1.0 m/s，計算時忽略鋼管樁平臺群樁遮流影響系數、橫流影響系數等。

2）分析模型

鋼護筒著床時，受力最為不利，變形最大，計算采用Midas/Civil通用空間有限元分析軟件，局部模型如圖3。

圖3　鋼護筒及導向架分析模型Fig.3　Analytical model for steel casing and guide frame

3）分析結果

由計算結果可知，導向架最大應力37.3 MPa，最大變形2.4 mm，導向架結構強度及剛度滿足要求，與平臺橫梁連接處最大豎向壓力135.7 kN，最大剪力86.4 kN，另外，上層導向架受力為10.5 t，下層導向架受力為12.9 t；鋼護筒底端變形41 mm，頂端變形-7 mm，則在雙層導向架的約束下，傾斜度（41+7）/51/1 000=9.4×10-4<1/260= 3.8×10-3。因此，在水流作用下，鋼護筒沉放滿足規范精度要求。

4.2.3鋼護筒第二節跟進施工

首節鋼護筒沉放完成，為防止鉆機鉆孔時鋼護筒猛然下沉，將鋼護筒與距離最近的鋼管樁通過短型鋼臨時連接，使鋼護筒具有型鋼和土層兩處約束，然后移走導向架，放置2臺3500型鉆機進行掃孔，鉆機跟進掃孔至標高-45.8 m。考慮到首節鋼護筒底口入泥淺，鉆孔時可能發生串孔，因此掃孔采用“跳樁”方式。

鉆孔先采用φ3.4 m的刮刀鉆頭反循環加壓清水鉆進，控制每小時進尺在4～6 m左右，孔內補充清水；當鉆頭接近護筒底口以上1 m時，降低鉆進速度，每小時進尺控制在0.3～0.8 m左右。進入巖層后，根據實際需要，將鉆頭換成φ3.4 m的滾刀鉆頭，鉆至-45.8 m標高。

5　結語

蕪湖長江公路二橋南主墩樁基30根鋼護筒沉放精度均高于規范和設計要求，平面偏位不超過2.5 cm，傾斜最大為0.13%，且首節鋼護筒沉放僅用時15 d全部完成，第二節鋼護筒跟進也大大超過預期進度，為整個鉆孔樁施工創造了充裕時間。在如此施工水文和地質條件下，采用超大超長懸臂嵌巖鋼護筒在國內長江流域實屬罕見，通過精細的加工工藝和多重運輸控制措施保證鋼護筒制作運輸質量，現場通過大型浮吊和雙層雙導向雙聯導向架定位保證鋼護筒沉放精度，采用二次跟進工藝保證鋼護筒施振進入巖層，可為鋼護筒施工提供參考。

[1]JTS 152—2012，水運工程鋼結構設計規范[S]. JTS 152—2012,Code for design of steel structures in port and waterway engineering[S].

[2]吳義國，程華才.索塔鋼護筒制作工藝與質保措施[J].工程與建設，2010，24（3）：387-389. WU Yi-guo,CHENG Hua-cai.Manufacture craft and quality assurance measures for steel casing of rope tower[J].Engineering and Construction,2010，24(3)：387-389.

[3]王鐵法，王奎.深水大直徑鉆孔樁鋼護筒浮運與安裝施工技術[J].公路，2010（8）：34-36. WANG Tie-fa,WANG Kui.Technology for floating transportation and installation of steel casings for large diameter bored piles in deep waters[J].Highway,2010(8):34-36

[4]JTJ/T F50—2011，公路橋涵施工技術規范[S]. JTJ/T F50—2011,Technical specification for construction of highway bridge and culverts[S].

[5]劉宇峰.移動式懸臂導向架鋼護筒施工技術[J].山西建筑，2010，36（9）：138-139. LIU Yu-feng.On steel casing technique mobile cantilever guidance frame[J].Shanxi Architecture,2010,36(9):138-139.

[6]陳明憲.斜拉橋建造技術[M].北京：人民交通出版社，2004. CHEN Ming-xian.Technology for construction of cable-stayed bridge[M].Beijing:China Communications Press,2004.

Fabrication,transportation and installation of steel casing for Second Changjiang River Highway Bridge in Wuhu

SHANG Long,ZHANG Xin,HAN Zhi-zhong
（No.4 Engineering Co.,Ltd.of CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhu,Anhui 240001,China）

Based on the installation of steel casings for the piles for the southern main pier for Wuhu Second Changjiang River Highway Bridge,the paper expounds on the features,fabrication,transportation and control,and installation of steel casings for the pile foundation for southern main pier,mainly including the factory processing of large steel casings with spiral welding, internal and external multi-point supports for transportation,vibro-driving of steel casings with twin vibratory hammers from a large floating crane,positioning of twin guide frames with double orientation and double guiding,and high torque rotary drill to clear boreholes followed by second vibro-driving of the steel casing.The results show that the methods employed have effectively controlled the quality of fabrication of the steel casings and the deformation of steel casings during their transportation,and have improved the positioning accuracy of steel casings.

steel casing；prefabrication；transportation；installation；technology

U443.38

B

2095-7874（2016）09-0046-04

10.7640/zggwjs201609011

2016-01-22

尚龍（1985—），男，陜西咸陽市人，工程師，土木工程專業。E-mail：393780689@qq.com