水下傾斜裸巖面埋設超大直徑樁基鋼護筒的施工方法

文／中交北疆工程咨詢有限公司 章孝建

關鍵字:水下；傾斜；裸巖面；超大直徑；樁基；鋼護筒；埋設

1 工程概況

湖南省祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路石潭湘江大橋橫跨湘江河道，橋位湘江水面寬約464m，常年水深約12m（上下游均有航電樞紐船閘，常水位及流速較穩(wěn)定），汛期最大流速為2.2m/s，通航等級為內(nèi)河Ⅲ級。

全橋橋跨布置為（24×30+67+3×110+67）m 預應力砼小箱梁+預應力混凝土懸澆連續(xù)箱梁。主橋樁基共20 根，均為端承樁，其中24#墩為水中過渡墩設置4 根D2.8m 樁基；25#、26#、27#、28#墩均為D3.6m 樁基。

本文以27#墩為例，設計樁長58.5m，墩位處河床為少量卵石，多為裸露中風化泥質(zhì)粉砂巖，單軸飽和抗壓強度為8.33MPa，巖體較完整。該墩0#、1#和2#樁基巖面最大高差為2.91m，最大坡度22°。

該類樁基的施工難點和關鍵先決條件在于鋼護筒的埋設效果。直接下沉護筒，護筒底腳有缺口且定位很難；即使在護筒和圍擋間澆筑混凝土進行穩(wěn)固，混凝土也極不穩(wěn)定，效果也不理想。通過認真研究地勘資料和實地水下探測，經(jīng)過多方論證、方案比選，鋼護筒埋設方案采用“祼巖斜面初平+鋼護筒四周澆筑水下混凝土封底固定”工藝，27#墩鋼護筒埋設方案見圖1。

圖1 27#墩鋼護筒埋設方案

2 鋼護筒制作方案

鋼護筒制作設計

本橋主墩樁基均為超大直徑樁，依據(jù)設計與《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTG/T F50-2011），計算得出鋼護筒內(nèi)徑不得小于 3.897m，取3.9m。采用公式：d ≥（D/2+h×i+d′)×2 =（3.6/2+19.7×0.5%+0.05)×2=3.897m

式中：D——為設計樁徑（m），取值為 3.6m；

h——為鋼護筒長度（m），按最長的19.7m 計算；

i——鋼護筒設置傾斜率（%）

d′——鋼護筒平面位置允許誤差（m）

鋼護筒擬采用12mm 厚Q235C 鋼板卷制拼焊而成，加工內(nèi)鋼護筒頂、底節(jié)端部均滿焊50m 高的加強段，壁厚為20mm，與鋼護筒材質(zhì)相同，防止變形。鋼護筒頂口低于鉆孔平臺標高20cm，推算鋼護筒長度依次為19.2m、18.0m、19.7m 和19.6m，單根樁鋼護筒重分別為29.43t、27.60t、30.20t 和30.05t。

加工工藝及質(zhì)量控制要點

鋼護筒加工在祁東岸臨建場地內(nèi)專設的鋼結(jié)構(gòu)加工場進行，先制作小管節(jié)，再焊接接長，焊縫均采用直焊縫型式，要求不低于二級焊縫標準。加工場內(nèi)配置1 臺高精度三輥自動卷板機，2 套高效率的輔助焊接組拼設備及2 臺50t 汽車吊?，F(xiàn)場加工流程為：材料檢驗、焊接工藝試驗、工藝指導書編制、劃線號料、板邊處理、卷制成形、單件焊接等。鋼護筒加工質(zhì)量控制要點為：

（1）采用定制尺寸鋼板，以方便施工，減少損耗。

（2)鋼護筒節(jié)段卷制時，先將四面開好坡口的板料置于卷板機上滾彎，為了防止歪扭，先對整板對中，縱向中心線與軸輪線保持嚴格的平行，并用擋板擋緊。由于護筒直徑太大，上口需要一直用吊車輔吊穩(wěn)位。

（3)每一節(jié)鋼護筒節(jié)段卷制成形后，點焊固定縱縫，再下卷板機，置于臺座上施焊縱縫，采用半自動埋弧焊機進行。為了消散焊接應力，焊接好的鋼護筒節(jié)段可再上卷板機重復卷壓多遍，直至整體線形圓順。

（4)根據(jù)類似工程經(jīng)驗，鋼護筒的加工質(zhì)量直接影響到沉放質(zhì)量，如 由于焊縫質(zhì)量問題造成的鉆孔時泥漿大量滲漏；由于橢圓度超標造成沉放過程中護筒壁局部失穩(wěn)；由于彎曲矢高超標造成沉放就位偏差過大；由于管端傾斜度嚴重超標造成護筒豎直度不滿足要求等。

3 對祼巖的傾斜面盲打初平

3.1 通過放樣確定樁位，用測繩將樁中心4m 范圍內(nèi)的地勢進行初測，然后由潛水員下水摸清巖面情況。

3.2 在27#墩位搭設水中鉆孔平臺，由上而下采用鋼板+型鋼+貝雷架+鋼管樁組合結(jié)構(gòu)（鋼管樁采用引孔栽樁法施工）。

通過鉆孔平臺，在樁孔處用大直徑?jīng)_擊鉆(直徑2.5m)進行盲打，初步將高處斜面錘平，使其與低處相大致平齊，水下盲打范圍應大于護筒直徑約1m 左右(約為5m 范圍)；在初平過程中，要反復用測繩量測深度，基本平齊后，用掏渣筒將破碎巖石清除。

解決難題：由于樁位處為斜坡巖面，鉆頭接觸面積不足1/2，容易側(cè)滑，難以鉆進。故對鉆頭進行微改，將鉆頭一側(cè)增加配重，使鉆頭重心發(fā)生偏移，能讓整個鉆進的力量集中錘打到斜面上。

4 鋼護筒的就位

4.1 在祁東岸設置鋼結(jié)構(gòu)加工場，配備50t 汽車吊方便鋼結(jié)構(gòu)拼裝、焊接及運輸。單件鋼護筒加工并驗收合格后，通過24#墩的下河碼頭下水，利用平板駁船運送至墩位，采用120t 浮吊起吊對接安裝。為防止護筒在吊裝及運輸過程中發(fā)生變形，護筒內(nèi)部均增設“米”字形支撐架，每節(jié)段底口跟頂口各設置一道支撐架，支撐架本身應具有足夠的剛度。鋼護筒對接時需要對接頭進行處理，包括增加校圓對接、開坡口、預熱、增加加強板等工序。

4.2 單根鋼護筒沉放工藝流程如下：

導向架安裝定位→首節(jié)護筒入導向架→測量校核→首節(jié)下沉→測量校核→第二節(jié)接長、焊縫檢驗→第二節(jié)下沉→移走上導向架→繼續(xù)下沉到位→防護方案。

4.2.1 鋼護筒的裝運

（1）根據(jù)鋼護筒沉放時的施工順序和吊裝的可能性，按順序分層裝船，減少二次倒運；

（2）裝運鋼護筒應采用多支點堆放，墊木均勻放置，并適當布置通楞，墊木頂面宜在同一平面上；

（3）鋼護筒堆放形式應使運輸船在堆放、運輸和起吊過程中保持平穩(wěn)；

（4）對運輸船舶進行嚴格檢查、采取必要的加固措施；

4.2.2 鋼護筒起吊及堆放

（1）鋼護筒應堆存在專用的臺座上，臺座基礎必須有足夠的安全穩(wěn)定性，并有良好的排水設施。

（2）鋼護筒應按不同的規(guī)格分別堆放。堆存形式和層高應安全可靠，避免產(chǎn)生軸向變形和局部壓曲變形。

（3）鋼護筒在起吊、運輸和堆存過中，應避免由于碰撞、摩擦等原因造成管端變形。

（4）吊運時應使各吊點同時受力，徐徐起落，減少沖擊。

現(xiàn)場安裝鋼護筒如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場安裝鋼護筒

4.3 安設鋼護筒時，先用全站儀進行導向限位架安裝放樣，拉十字交叉線確定導向架中心位置定位固定，縱向限位用承重梁上雙拼10 槽鋼限位鋼護筒邊線并焊接牢固，橫向限位槽鋼焊接貝雷架上層反扣槽鋼上。上下層限位槽鋼用水準儀和垂球控制好垂直度。移動鋼護筒，使鋼護筒中心與孔位中心位置重合。同時用水平尺或垂球檢查，使鋼護筒垂直。上口平面偏差控制在5cm 以內(nèi)，豎直方向傾斜度不超過0.5%。鋼護筒限位撐如圖3 所示。導向架的安裝要點：

4.3.1 在鉆孔平臺孔口設導向架，其上層與平臺間3I36工字鋼承重梁焊接連接，下層與貝雷架底部反扣[22d 槽鋼焊接固定。導向架主要作用：保證鋼護筒在自重作用下能夠垂直下沉。

4.3.2 導向架安裝固定

（1）導向架采用50t 浮吊吊裝移位，并錨固在已完成鉆孔平臺的預留鋼護筒頂口位置，導向構(gòu)架與下部桁架通過螺栓相連，以確保導向裝置的穩(wěn)定，同時也便于倒樁時拆卸。采用這種方式施工時導向較固定，施工方便，調(diào)整容易，操作安全，使用的機具設備少，比較經(jīng)濟。

（2）導向架的下端懸臂段采用“井”字形型鋼固定在平臺周邊的鋼管樁的上下平聯(lián)上，或?qū)蚣芘c井字架焊成整體然后固定在鋼護筒四周的4 根鋼管樁上。

（3）導向裝置內(nèi)設置有供鋼護筒定位、糾偏、調(diào)整的液壓千斤頂和鎖定裝置。對鋼護筒進行微調(diào)定位、施沉過程中糾偏、調(diào)整的鎖定裝置。

圖3 鋼護筒限位撐

5 鋼護筒底部固定砼

河床底部先采用采砂船進行河床清理，為鋼護筒底部的外側(cè)固定砼清理結(jié)合面，然后下放圍擋模板，在圍擋上設置4個吊點，沿著平臺鋼管樁放樣的間距標記邊緣垂直下放至河床底部，通過對拉桿將其模板固定。潛水員下水對圍擋模板四周空隙處及模板與河床銜接不密實處用砂包封堵，避免混凝土流失。然后進行封底混凝土澆筑，封底混凝土將護筒連成整體提高穩(wěn)定，及保持鋼護筒內(nèi)鉆孔時水頭高度。

5.1 圍擋制作及安裝：根據(jù)前期引孔、初平和測孔數(shù)據(jù)，大致計算圍擋模板下料尺寸，并在祁東岸的鋼結(jié)構(gòu)加工場地制作，利用廢舊平面鋼模組裝、焊接圍擋模板，整體平面尺寸為7.9m×28.5m，高為 1.5m-4.0m 不等，圍擋總重約11t，用平板駁船運至墩位處，浮吊吊裝下放。

5.2 澆筑混凝土封底前，潛水員再次對鋼護筒及圍擋四周與水下巖面結(jié)合情況進行檢查，若有縫隙，則用砂包封堵。

5.3 鋼護筒和圍擋穩(wěn)固就位后，安設混凝土澆筑點，采用水上砼運輸船，運輸?shù)捷斔捅么线M行泵送，澆筑點采用泵導管+導管+集料斗方式進行，澆筑方式等同樁基混凝土水下澆筑方式，考慮一次性埋管深度不小于50cm，澆筑點導管采用樁基灌注的導管及集料斗，不需要重新采購。在施工平臺沿鋼護筒中心線布置5 個混凝土澆筑點，澆筑高度為鋼護筒埋置深度1.5m，該墩圍擋內(nèi)混凝土澆筑方量約為289.14m3，考慮到設置的澆筑點沿護筒中心線橫向布置相距較遠，故對混凝土的塌落度及擴展度進行試驗確定。

圖4 鋼護筒外側(cè)底部砼澆筑點平面圖

圖5 鋼護筒底部砼澆筑

一般對混凝土進行塌落度試驗在測量其擴展度，當混凝土拌和物的坍落度大于220mm 時，用鋼尺測量混凝土擴展后最終的最大直徑和最小直徑，在這兩個直徑之差小于50mm的條件下，用其算術平均值作為坍落擴展度值；混凝土拌和物坍落度和坍落擴展度值以mm 為單位，測量精確至1mm，結(jié)果表達修約至5mm，混凝土坍落度和擴展度是對應關系，如混凝土坍落度180-220mm，對應擴展度450-550cm，滿足圍擋內(nèi)澆筑范圍，如圖4、5 所示。

6 結(jié)語

石潭湘江特大橋27#墩的地形條件十分特殊，我們在實踐中根據(jù)不同條件采用不同的方法來解決鋼護筒底端及護筒本身的穩(wěn)定問題。實踐證明這種方法在水下傾斜祼巖面上埋設鋼護筒都顯示出它的合理性與經(jīng)濟性。由于在這種特殊的河床地質(zhì)條件下護筒底部封水和穩(wěn)固得到了解決，從而保證了3.6m 超大直徑樁基在成孔過程中，孔內(nèi)水頭差得到有效保障，成孔進度和質(zhì)量均得到較大的保證，為同類地形的超大直徑樁基施工提供參考價值。