淺析臨近既有運(yùn)營(yíng)高速超大直徑超長(zhǎng)鋼護(hù)筒插打施工技術(shù)研究

陳建偉,馬賢尚

摘 要：我國(guó)大型復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越多，結(jié)構(gòu)新穎，下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)往往采用大直徑鉆孔樁設(shè)計(jì)，鉆孔施工過(guò)程中采用超大直徑超長(zhǎng)鋼護(hù)筒。鋼護(hù)筒插打設(shè)備選型復(fù)雜、平面精度控制及垂直精度控制要求高、施工難度大。本文通過(guò)對(duì)牛屯河特大橋主橋φ3.8 m樁基大直徑鋼護(hù)筒的加工、插打設(shè)備選型及施工工藝的介紹，總結(jié)出大直徑鋼護(hù)筒插打施工及質(zhì)量控制要點(diǎn)，項(xiàng)目的成功實(shí)施為類似工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：超大直徑鋼護(hù)筒加工;運(yùn)輸;鋼護(hù)筒插打、質(zhì)量控制

1 工程概況

牛屯河大橋左岸位于馬鞍山市含山縣銅閘鎮(zhèn)，右岸位于蕪湖市鳩江區(qū)。改擴(kuò)建方案為舊橋拆除重建、右側(cè)分離增建，左、右幅橋跨布置為：3.5 m（橋臺(tái)）+（10×30）（鋼板組合連續(xù)梁）+（70+3×125+70）m（變截面鋼箱組合連續(xù)梁）+（14×30）（鋼板組合連續(xù)梁）+3.5 m（橋臺(tái)），橋梁全長(zhǎng)1 235 m。分離式斷面，單幅橋面全寬20.75 m。主橋共有樁基24根，均按照摩擦樁設(shè)計(jì)，其中11#墩～14#墩為主墩，共有樁基16根，采用φ3.8 m的大直徑C30水下混凝土鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)為80 m，鋼護(hù)筒直徑φ4.1 m，單樁永久鋼護(hù)筒重量為89.46 t，單樁混凝土灌注方量為907.3 m3;10#墩和15#墩為過(guò)渡墩，共有樁基8根，采用直徑3 m的大直徑C30水下混凝土鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)為42 m，鋼護(hù)筒直徑φ3.3 m，單樁永久鋼護(hù)筒重量為72.02 t，單樁混凝土灌注方量為296.88 m3。鋼護(hù)筒采用兩種壁厚、兩種材料，上部15 m范圍采用Q235C鋼材、壁厚27 mm，下部15 m范圍采用Q345C鋼材、壁厚32 mm，鋼護(hù)筒現(xiàn)場(chǎng)加工焊接。

2 鋼護(hù)筒加工及運(yùn)輸

2.1 鋼護(hù)筒加工

（1）鋼護(hù)筒分兩大節(jié)制作，制作時(shí)一大節(jié)由若干個(gè)小節(jié)焊接而成。受牛屯河老橋及兩岸防洪堤影響，鋼護(hù)筒采用后場(chǎng)集中加工制作，現(xiàn)場(chǎng)焊接成整體。

（2）鋼護(hù)筒制作的主要流程：材料定購(gòu)→下料及切割→接縫處打磨→卷制鋼護(hù)筒短節(jié)→拼縫開V型坡口→將短節(jié)組焊成長(zhǎng)節(jié)段。

（3）鋼護(hù)筒加工采用W11-40×2500高精度三輥?zhàn)詣?dòng)卷板機(jī)和高效率的輔助焊接設(shè)備，在卷板機(jī)上滾壓2～3圈成型，防止過(guò)卷失圓。

（4）鋼護(hù)筒由短節(jié)拼焊成吊裝節(jié)，鋼護(hù)筒小節(jié)段制作采用直縫法，節(jié)段之間采用環(huán)焊縫。短節(jié)鋼護(hù)筒的縱向焊縫錯(cuò)開布置，間距≥護(hù)筒的1/8周長(zhǎng)。接長(zhǎng)焊縫形式采用單邊V型坡口，上節(jié)的坡口角度采用45°～55°，下節(jié)不開坡口，在內(nèi)壁設(shè)有內(nèi)襯套或內(nèi)襯環(huán)，保證鋼護(hù)筒接長(zhǎng)處內(nèi)外壁對(duì)齊。

（5）為確保鋼護(hù)筒與混凝土之間的協(xié)作受力，在鋼護(hù)筒內(nèi)壁焊接凸起的剪力環(huán)，剪力環(huán)采用50×25 mm的扁鋼，與護(hù)筒采用雙面貼角焊。

（6）鋼護(hù)筒制作驗(yàn)收通過(guò)后，為了便于鋼護(hù)筒插打時(shí)測(cè)量觀察其下沉情況，在鋼護(hù)筒上標(biāo)注刻度標(biāo)線。刻度標(biāo)線對(duì)稱布置在護(hù)筒的兩側(cè)，與吊耳垂直，標(biāo)線刻度顏色需與護(hù)筒的外表面顏色對(duì)比鮮明，便于觀測(cè)讀數(shù)。

2.2 鋼護(hù)筒吊點(diǎn)的布置

鋼護(hù)筒的吊點(diǎn)布置按牛屯河大橋主橋最大鋼護(hù)筒重量計(jì)算：

（1）牛屯河大橋主橋最大鋼護(hù)筒重量達(dá)89.46 t，分兩大節(jié)制作，單節(jié)鋼護(hù)筒最大重量達(dá)48.53 t，需要對(duì)吊點(diǎn)進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)以滿足吊裝要求。在鋼護(hù)筒外周等距離焊接2塊鋼板，采用Q235鋼材，厚30 mm，長(zhǎng)300 mm，寬150 mm，并在鋼板上開口其口徑與插銷一致。鋼板與護(hù)筒壁采用24 mm×24 mm的直角焊縫。

（2）根據(jù)查詢得知T-BW50-2型卸扣的額定荷載為50 t，插銷的直徑為53 mm。則4個(gè)卸扣總的額定荷載為200 t，按2倍安全系數(shù)考慮，200 t>89.46 t×2=178.92 t，能滿足要求。

（3）根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)得知Q235鋼材24 mm×24 mm的直角焊縫的受剪承載力為26.88 kN/cm。則單個(gè)吊點(diǎn)允許承受的受剪承載力為806.4 kN，4個(gè)吊點(diǎn)可承受約為322.56 t的力，按2倍安全系數(shù)考慮，322.56 t>89.46 t×2=178.92 t，能滿足要求。

（4）為方便鋼護(hù)筒的豎立在鋼護(hù)筒的底部也設(shè)置2個(gè)相同的對(duì)稱吊點(diǎn)。

2.3 鋼護(hù)筒運(yùn)輸

由于鋼護(hù)筒直徑較大，受既有運(yùn)營(yíng)高速橋梁凈空影響，鋼護(hù)筒由廠區(qū)加工成若干個(gè)小節(jié)，采用平板車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行拼接成整體。運(yùn)輸時(shí)護(hù)筒垂直車廂，用鋼絲繩固定牢靠，防止傾覆。

3 鋼護(hù)筒插打設(shè)備選擇

3.1 設(shè)備選型

所選振動(dòng)錘需滿足以下三個(gè)基本條件，方可沉樁成功：

（1）振動(dòng)錘的激振力F大于被振構(gòu)件與土的動(dòng)側(cè)摩阻力Qst。

（2）振動(dòng)系統(tǒng)的工作振幅A大于振沉到要求深度所需的最小振幅。

（3）振動(dòng)系統(tǒng)的總質(zhì)量Q0大于振沉構(gòu)件的動(dòng)端阻力R。

3.2 振動(dòng)錘沉樁可行性驗(yàn)算

3.2.1 激振力驗(yàn)算

根據(jù)日本經(jīng)驗(yàn)公式，振動(dòng)錘沉樁所需滿足的條件如下：

Fmax≥Qst=μQs

μ=μmin+（1-μmin）e-βη

式中η為振動(dòng)加速度比。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推薦：砂質(zhì)土：μmin=0.15，淤泥質(zhì)黏土：μmin=0.06，黏土：μmin=0.13，鋼材的β值為0.52。

根據(jù)YZ-400型振動(dòng)錘技術(shù)參數(shù)，可計(jì)算：

μ=μmin+（1-μmin）e-βη=0.150 8

按照13#墩最長(zhǎng)鋼護(hù)筒計(jì)算動(dòng)側(cè)摩阻力值為：

Qst=系數(shù)*周長(zhǎng)*（地址土層的長(zhǎng)度*對(duì)應(yīng)極限摩擦阻力）

=0.150 8*3.14*4.1*（7*70+8*200+2.5*180+1.1*400+1.4*300+4.6*400+5.4*500）/10=1 541.47 kN

結(jié)論：YZ-400型振動(dòng)錘激振力滿足振動(dòng)沉樁要求。

3.2.2 振幅驗(yàn)算

當(dāng)激振器振幅很小時(shí)，不發(fā)生沉入，只有當(dāng)振幅超過(guò)某一定值時(shí)，方可實(shí)現(xiàn)沉樁，這一A0稱為起始振幅。在水下的砂質(zhì)土壤中，起始振幅達(dá)到2 mm可以實(shí)現(xiàn)振沉。

工作振幅A=偏心力矩/振動(dòng)質(zhì)量

=2 260*103/89.46*104=2.53 mm>A0=2 mm

結(jié)論：YZ-400型振動(dòng)錘工作振幅滿足振動(dòng)沉樁要求。

3.2.3 動(dòng)端阻力驗(yàn)算

振動(dòng)錘系統(tǒng)的總重量Q0需大于振沉構(gòu)件的動(dòng)端阻力R。

鋼護(hù)筒外徑4.1 m，端部設(shè)置加強(qiáng)抱箍，管體及抱箍厚度為27 mm和32 mm。則護(hù)筒端部橫截面積為：

S=π（D2-d2）/4=0.21 m2

動(dòng)端阻力為：

R=0.150 8*0.21*200=6.33 kN

振動(dòng)錘系統(tǒng)總質(zhì)量：

Q0=18.5 t=185 kN>R=6.33 kN

結(jié)論：YZ-400型振動(dòng)錘動(dòng)端阻力小于振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量，滿足振動(dòng)沉樁要求。

綜上所述，13#-1樁基鋼護(hù)筒長(zhǎng)度均為30 m，選用YZ-400型振動(dòng)錘情況下，可滿足施工需要，將鋼護(hù)筒振沉到位。

4 鋼護(hù)筒吊裝

鋼護(hù)筒吊裝采用自制的吊具兩點(diǎn)起吊，在距離鋼護(hù)筒頂口30 cm處對(duì)稱開孔作為起吊點(diǎn)，底部放置在施工作業(yè)平臺(tái)上并固定好。利用翻身架使護(hù)筒由平臥轉(zhuǎn)換成傾斜姿態(tài)、最后呈豎直自由狀態(tài)，將鋼護(hù)筒吊放到指定孔位。

5 鋼護(hù)筒插打

5.1 定位導(dǎo)向架安裝

為保證鋼護(hù)筒的準(zhǔn)確定位及豎直度，采用定位導(dǎo)向架，導(dǎo)向架采用高5 m的鋼桁結(jié)構(gòu)，用工字鋼進(jìn)行加工制作。

5.2 鋼護(hù)筒插打

（1）采用150 t履帶吊起吊鋼護(hù)筒，緩緩放入導(dǎo)向架內(nèi)，上下層導(dǎo)向架必須垂直，確保鋼護(hù)筒的垂直度。

（2）護(hù)筒著床后檢查平面偏差和傾斜度，如不符合要求，將護(hù)筒提起重放。護(hù)筒平面位置合格后，安裝振動(dòng)錘。

（3）振打。

1）通過(guò)對(duì)樁位處地層分析計(jì)算，對(duì)于超長(zhǎng)、超大直徑鋼護(hù)筒沉放，宜選用大激振動(dòng)振動(dòng)錘，使激振力易于到達(dá)護(hù)筒底端。擬選用1臺(tái)YZ-400型液壓振動(dòng)錘并聯(lián)使用以滿足要求。

2）自重下沉到位后，啟動(dòng)打樁機(jī)電源開關(guān)，以10 s為一振動(dòng)間隔，每振打10 s，護(hù)筒下沉過(guò)程中，測(cè)量人員通過(guò)全站儀全程監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)偏位立即通知現(xiàn)場(chǎng)指揮人員糾偏，通過(guò)履帶吊大鉤移動(dòng)來(lái)微調(diào)，同時(shí)觀察貫入度。

3）當(dāng)?shù)谝还?jié)鋼護(hù)筒打設(shè)完畢后，將護(hù)筒固定在導(dǎo)向架上，將第二節(jié)護(hù)筒吊起現(xiàn)場(chǎng)焊接接。當(dāng)鋼護(hù)筒標(biāo)高與貫入度雙控指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)停止振打，測(cè)量并推算鋼管樁底標(biāo)高，拆除振動(dòng)錘。

4）第一節(jié)鋼護(hù)筒打設(shè)到位后，吊裝第二節(jié)鋼護(hù)筒，上下對(duì)接采用二氧化碳保護(hù)焊，通過(guò)定位擋塊（底節(jié)），起吊頂節(jié)與底節(jié)護(hù)筒對(duì)位進(jìn)行粗略對(duì)接;局部不平整用卡板千斤頂進(jìn)行精確調(diào)整，定型后再正式焊接。對(duì)接時(shí)在鋼護(hù)筒的外壁焊設(shè)“鋼楔子”及“碼子”，通過(guò)“鋼楔子”和“碼子”的契合提高對(duì)接的精度及平整度（點(diǎn)焊固定）。焊接完成后在焊縫外加8塊δ27 mm鋼板加勁。

（4）鋼護(hù)筒埋設(shè)精度要求：軸線偏位小于±50 mm，傾斜度不超過(guò)1%S。

6 保障控制措施

（1）鋼護(hù)筒卷制過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)端頭錯(cuò)邊控制，完成后應(yīng)對(duì)管節(jié)外形、相鄰管節(jié)的管徑進(jìn)行驗(yàn)收。

（2）為減少鋼護(hù)筒在運(yùn)輸及吊裝過(guò)程中的局部受損及變形，需在頂口、中間位置和底口吊耳位置設(shè)置“米”字撐增加護(hù)筒的完整性，確保鋼護(hù)筒不變形。

（3）振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短應(yīng)根據(jù)不同機(jī)械和不同土質(zhì)通過(guò)試驗(yàn)決定，一般不宜超過(guò)10 min～15 min。

（4）鋼護(hù)筒下沉過(guò)程中應(yīng)注意觀察并控制下沉速度，速度過(guò)快可能導(dǎo)致鋼護(hù)筒傾斜，速度過(guò)慢則可能鋼護(hù)筒底口遇到障礙物。

（5）鋼護(hù)筒焊接時(shí)采用纜風(fēng)繩固定，纜風(fēng)繩采用直徑不小于φ15.5 mm的鋼絲繩，一端系于于棧橋平臺(tái)上，另一端系于地錨。鋼絲繩方向遠(yuǎn)離既有線方向設(shè)置。

（6）鋼護(hù)筒連續(xù)插打中途不得暫停，以防止停頓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)樁周土層摩阻力恢復(fù)造成插打困難。

（7）鋼護(hù)筒在打設(shè)過(guò)程中應(yīng)注意觀察下沉速度，防止速度過(guò)快導(dǎo)致鋼護(hù)筒傾斜，過(guò)程中對(duì)平面位置實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（8）臨近既有線施工期間，應(yīng)定期組織安全檢查，將安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

7 結(jié)束語(yǔ)

牛屯河特大橋13#-1樁基基鋼護(hù)筒（內(nèi)徑4.1 m，長(zhǎng)度30.4 m）插打選用5.0 m導(dǎo)向架，利用全站儀沿互相垂直方向?qū)︿撟o(hù)筒進(jìn)行測(cè)量定位及復(fù)測(cè)，有效保證護(hù)鋼護(hù)筒插打的垂直度，根據(jù)牛屯河現(xiàn)有的地形、吊重及地質(zhì)條件選擇150 t履帶吊、YZ-400型振動(dòng)錘有效的保證鋼護(hù)簡(jiǎn)順利插打至設(shè)計(jì)高程，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，為今后特大樁基施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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