特殊地質臨時鋼管混凝土組合樁施工技術研究

鄭 濤，張露露，秦曉鋒

（重慶城建控股（集團）有限責任公司，重慶 400021）

0 引言

四川省閬中市嘉陵江四橋（主跨為2×130m 獨塔斜拉橋）項目跨越嘉陵江，21 號主墩距岸邊約383m，墩位水深約7m，為滿足主墩基礎及主塔施工材料運輸要求，擬從岸邊向墩位設置車行棧橋。施工棧橋設計寬為6m，總長261m，棧橋樁基基礎采用D820×10mm 鋼管樁。該橋位區地質條件較差，水中墩覆蓋層均為砂卵石地質，棧橋鋼管樁按設計要求必須打入河床下5m，但第6跨鋼管樁僅打入河床下3m，無法下沉到設計深度，這給鋼管樁下沉施工帶來極大困難。

針對上述相關施工特點和難點，本施工技術利用鉆機在鋼管樁內鉆孔，然后灌注水下混凝土且使混凝土樁與鋼管樁形成有效錨固，形成鋼管混凝土組合樁。具體施工工藝如圖1 所示。

1 施工工藝流程及操作要點

用鉆機在鋼管樁內鉆孔，通過泥漿循環實現出渣，清孔，然后下放鋼筋籠及二次清孔，灌注水下混凝土且使混凝土與鋼管樁形成有效錨固，形成鋼管混凝土組合樁。其施工流程圖和施工工藝示意圖如圖1 所示。

2 主要操作要點

2.1 鋼管樁初步沉樁施工

2.1.1 鋼管樁加強

根據工程所處的地質情況，棧橋樁基選擇相應規格的鋼管。分別對鋼管樁刃腳和振動夾持端各加一道環箍帶，環箍帶（寬10mm）上、下緣與鋼管滿焊，使刃腳在插打過程不致卷屈及振動錘夾持端不被振破。對于閬中嘉陵江四橋棧橋需要對D820mm鋼管樁（每根12m）上下兩端進行加強。具體加強方法是用D830mm×10mm、L=0.6m 的鋼管套在鋼管樁的端頭，焊接成為整體。

2.1.2 振動錘的選擇

根據鋼管樁規格，選用適當的振動錘。

圖1 閬中嘉陵江四橋臨時鋼管混凝土組合樁施工工藝（單位：cm）

2.1.3 沉樁施工

鋼管沉樁施工采用浮箱汽車吊配合振動錘吊打工藝。鋼管樁由工作船組拼的平臺進行就位，在平臺上設置導向架，由測量定點出鋼管樁位置，工作船平臺先行就位，下錨定位并將導向架固定，用浮箱吊具將鋼管樁吊入導向架，緩慢下落。導向架上設置有供鋼管樁定位、糾偏、調整的液壓千斤頂，對鋼管樁在下沉和沖孔鉆進過程中進行微調定位與糾偏。沉樁過程中觀察垂直度，同時用測量儀器量測鋼管樁中心位置是否偏位，若偏位立即校正。

鋼管樁以最終貫入度控制為主（控制貫入度2cm/min），樁尖標高作為校對。當貫入度達到控制貫入度，而樁底標高未達到設計標高，應繼續打入10cm 左右，并連續復打3 次，每次停錘2min，若無異常變化，方可停止，然后利用鉆機在鋼管樁內鉆孔，灌注水下混凝土，形成鋼管混凝土組合樁。因鋼管樁兼做鉆孔用護筒，鋼管樁需高出水面3m，若不足需接長至高出水面3m。

2.2 鋼管混凝土組合樁設計

鋼管混凝土組合樁（以砂卵石地質為例）具體構造設計圖如2 所示。

圖2 鋼管混凝土組合樁設計（單位：cm）

2.2.1 鉆孔深度驗算

（1）豎向荷載設計值；由棧橋上部荷載可反算出單根鋼管樁承受豎向恒載和基本可變荷載。

（2）水平荷載（其他可變荷載）設計值；

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60—2015），鋼管樁承受的流水壓力產生的水平荷載設計值：

式中：K-水流阻力系數，樁為圓形，取 0.8；r-水容重，取 10kN/m3；V-水流速度；g-重力加速度，取9.8m/s2；A-單樁入水部分在垂直于水流方向的投影面積；且流水壓力合力作用點，假定在水位線以下0.3 倍水深處。

根據豎向荷載和水平荷載設計值，計算出鋼管樁所承受的豎向力NT。鋼管樁所受的豎向力通過鋼管樁與混凝土的有效粘結傳遞給鋼管樁內的鉆孔灌注樁，由鉆孔灌注樁提供支承。所以鋼管樁內鉆孔灌注樁容許承載力p=NT。

對于單一的碎石、卵石層；τp=τi=160，鉆孔深度

訊洪期流體產生的水平力較大，應進行抗沖刷能力計算，即各土層產生的摩阻力應滿足；

Στili=為訊洪期混凝土樁所受的流體上拔力）

所以鉆孔深度應由下式確定；

其中：NT-鋼管樁承受的豎向力：-訊洪期鋼管所受的流體上拔力；U-樁周長（m）；τp-樁壁土的平均極限摩阻力（kPa），可按下述公式計算。即鉆孔灌注樁樁壁與各土層的極限摩阻力（kPa）；li-鉆孔進入局部沖刷線以下各土層厚度（m）；A-樁底橫截面面積（m2）；σR-樁尖處土的極限承載力（kPa）。

2.2.2 鋼管樁與混凝土有效粘結長度計算

鋼管與混凝土的粘結力在鋼管滑移前由化學膠結力和機械咬合力組成，當鋼管發生滑移后，粘結力主要是由摩擦阻力來承擔。

由于鋼管樁無法打入設計深度，考慮到鉆孔對周圍土層的影響，且為了提高結構的安全系數此處不考慮樁端土的承載力和鋼管樁外壁與各土層之間的摩阻力；鋼管樁的豎向承載力全部由混凝土與鋼管樁的粘結力提高，極限狀態下混凝土與鋼管樁產生相對滑移，此時的粘結力主要是由摩擦阻力（Ψ·h·fa）來承擔，鋼管樁與混凝土的粘結長度應滿足下式；

Ψ·h·fa=NT（NT鋼管樁所受的豎向力）

訊洪期流體產生的水平力較大，應進行抗沖刷能力計算；

Ψ·h·fa=′訊洪期鋼管樁所受的流體上拔力）

所以有效粘結長度由下式確定:

其中Ψ-鋼管內表面截面周長（m），NT-鋼管樁所承受的豎向力，NT′-訊洪期鋼管樁所受的流體上拔力，fa-混凝土與鋼管樁的摩阻系數。參照《鋼圍堰設計規范》（DBJ50/T—300—2018），鋼管與混凝土的摩阻系數應由試驗確定。

2.2.3 穩定性計算

按照《鋼結構設計規范》規定（考慮二階效應）；鋼管樁穩定性應滿足：

f 為鋼材抗彎強度設計值。

φx、φy、γx、γy、βmx、βmy、βtx、βty、可由查表獲得。

對于閉口截面：影響系數η=0.7，整體穩定性系數φby=φby=1.0。

2.3 沖擊鉆孔施工

搭設臨時鉆孔平臺進行鉆孔作業。對于特殊地質，尤其是砂卵石地質鉆孔灌注樁一般采用沖擊鉆機成孔，同時配合泥漿循環系統出渣清孔和氣舉反循環二次清孔。

鉆孔完成經檢測合格后，鋼筋籠采取在后場鋼筋加工場內分節制作，運輸至鉆孔施工平臺處，用履帶吊或汽車吊分段吊入樁孔接長下放、就位。在鋼筋籠下放過程中，接好聲測管。

在灌注水下混凝土前，采用氣舉反循環二次清孔，當沉渣厚度滿足要求時（≤150mm《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》）即可進行灌注水下混凝土施工。

2.4 樁基無損檢測

采用超聲波檢測儀對樁進行無損檢測。檢測結果以檢測報告形式反映，無問題的可進行下道工序施工。

2.5 鋼管樁的拆除

拆除時，派潛水員下潛至河底，割除鋼管樁，確保航道要求。

3 結語與展望

閬閬中嘉陵江四橋項目中，棧橋基礎、主墩及交界墩鉆孔施工平臺基礎均采用了鋼管混凝土組合樁，總計約120 根。棧橋在整個項目建設期使用，歷經4 個汛期考驗，鉆孔平臺在嘉陵江四橋樁基及承臺施工期使用，歷經2 個汛期，其中2013 年、2014 年汛期洪峰值及流速值是近些年的最大值，棧橋及鉆孔平臺均安然渡汛，證明鋼管混凝土組合樁應用于砂卵石地層，其承載力、抗沖傾覆穩定性可靠。

鋼管混凝土組合樁技術成功運用，為在砂卵石地質建設棧橋、操作平臺等等施工措施，為工程建設提供可靠的技術參考，且鋼管兼作鉆孔樁的護筒，一物兩用，不再做專用護筒，節約材料與工序，降低了成本；具有廣的推廣前景。