龍門大橋東引橋裸巖地質(zhì)鋼管樁水上引孔施工關(guān)鍵技術(shù)

劉 晟，周尚實，張敏克

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

鋼棧橋常應(yīng)用于水上、水中結(jié)構(gòu)物施工，其結(jié)構(gòu)形式多為“貝雷片+鋼管樁”組合。作為臨時保通結(jié)構(gòu)，鋼棧橋的建設(shè)質(zhì)量、建設(shè)速度對整個線路上的施工有著重大影響[1]，常規(guī)引孔植樁工藝需配備臨時場地進(jìn)行挖孔及用于鋼管根部封底的混凝土供應(yīng)。

廣西龍門大橋工程的東引橋段裸巖為強風(fēng)化或全風(fēng)化砂巖，強度在150～300 MPa，海床傾斜角度約為15°，存在振動錘難以打入鋼管樁、鋼管樁受水流沖擊定位誤差大、鋼管樁打設(shè)易卷口變形等困難[2]，無法進(jìn)行常規(guī)引孔植樁施工。

經(jīng)研究，采用了創(chuàng)新的懸臂引孔法，擺脫了臨時場地及混凝土的需求，于3個月內(nèi)完成近千米深水裸巖環(huán)境下的鋼棧橋搭設(shè)。該工藝施工質(zhì)量高，且引孔作業(yè)時對臨時場地、臨時設(shè)備要求極小，為其他同類型鋼棧橋基礎(chǔ)施工提供了借鑒。

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

龍門大橋是國道G228丹東至東興廣西濱海公路建設(shè)的控制性工程，是北欽防一體化基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通的關(guān)鍵節(jié)點工程之一。線路全長7.637 km，由引橋+龍門大橋主橋構(gòu)成，東引橋橋跨路線在鬼仔坪至旱涇長嶺處覆蓋有4～6 m的全風(fēng)化砂巖松散覆蓋層，在吊絲利竹山至松飛大嶺處覆蓋有全風(fēng)化砂巖松散覆蓋層0.5～2 m，在跨越松飛大嶺環(huán)島路附近有0.3～0.4 m的淤泥覆蓋層，在揚帆立交處有4 m左右的淤泥覆蓋層。其余地帶均無覆蓋層，如圖1所示。

1.2 鋼棧橋結(jié)構(gòu)

東引橋鋼棧橋基礎(chǔ)采用10 mm壁厚的φ630 mm螺旋鋼管，樁與樁之間用雙25a槽鋼作為平聯(lián)和斜撐，雙25a

圖1 東引橋線路地質(zhì)示意圖

圖2 東引橋鋼棧橋截面圖(mm)

2 懸臂引孔法施工技術(shù)

2.1 施工步驟

步驟1：在搭設(shè)好的棧橋上，利用履帶式吊車提前安裝下一跨的貝雷片形成懸臂結(jié)構(gòu)，安裝輔助定位架，此處的輔助定位架固定于貝雷片懸臂端頭，用于夾持鋼管樁，避免水流沖擊影響鋼管樁打設(shè)垂直度。履帶式吊車使用“釣魚法”通過90型振動錘于輔助定位架上初步打設(shè)帶刃腳的鋼管樁，鋼管樁預(yù)留較大長度以備后續(xù)二次插打。有關(guān)過程示意見圖3(a)。

步驟2：當(dāng)鋼管樁打入地層10～30 cm并可抵抗水流沖擊后，在貝雷片懸臂端放置沖孔鉆機。至此懸臂的貝雷片即是臨時的施工平臺，解決了水上作業(yè)缺少施工場地的困難。再將履帶式吊車后退至前一跨跨中，避免前排鋼管樁處貝雷片所受的荷載過大。將鋼管樁當(dāng)作護筒，再由沖擊鉆機采用φ550 mm沖擊鉆頭在鋼管樁內(nèi)部沖孔，沖孔深度約為3～6 m[3]。有關(guān)過程示意見圖3(b)。

步驟3：此步驟類似于樁基礎(chǔ)施工中的護筒跟進(jìn)，完成沖孔后抽取管內(nèi)泥漿至泥漿船，再通過振動錘將鋼管樁打入孔內(nèi)，鋼管樁底部刃腳將原先550～600 mm的孔洞擴孔，以保證鋼管樁管壁可擠壓周遭巖體，確保鋼管樁與巖層之間充分接觸，提高樁端摩阻力；如跟進(jìn)孔深與預(yù)期不符，則重復(fù)步驟2。有關(guān)過程示意見圖3(c)。

(a)步驟1

(b)步驟2

(c)步驟3

2.2 注意事項

2.2.1 刃腳加工

步驟3中鋼管樁插打擴孔易使樁尖受擊變形，施工前應(yīng)加強處理。主要采取的加強手段為：焊接一段同等厚度的鋼板于鋼管樁內(nèi)側(cè)，加大鋼管樁局部壁厚，并采用火焰切割工藝將鋼管樁端部削切成刃部形狀。該處理方式可有效避免鋼管樁入巖困難。

2.2.2 貫入度觀察

考慮到鋼管樁擴孔至孔底時易直接沖擊完好的巖石，在鋼管樁跟進(jìn)擴孔時，插打速度不宜過快，并時刻記錄當(dāng)前貫入度。受巖層摩阻力影響，貫入度的衰減應(yīng)呈線性變化，當(dāng)前后記錄的貫入度變化幅度不一致時，應(yīng)停止插打，并復(fù)核孔深及管長。如復(fù)核確定鋼管樁已打入到位則應(yīng)停止跟進(jìn)；如未到位，則應(yīng)降低打設(shè)速度，通過管底刃腳緩慢削切孔內(nèi)孤石。

3 懸臂引孔結(jié)構(gòu)有限元分析

在懸臂引孔施工中，貝雷片共計懸挑12 m長，端部承受沖孔鉆機荷載，后側(cè)有履帶式吊車停放，故前排鋼管樁處的貝雷片承受較大彎矩，此工況為最不利工況。

3.1 結(jié)構(gòu)建模

采用Midas軟件建模進(jìn)行有限元分析。模型中采用梁單元模擬“鋼管樁+貝雷片”結(jié)構(gòu)，鋼管樁入巖部分固結(jié)，貝雷片與樁頂橫梁間接觸處、分配梁與貝雷片接觸處均采用剛性連接，兩者都對位移約束，釋放單元軸向法向上轉(zhuǎn)動，貝雷片插銷連接處釋放梁端約束，模擬鉸接連接。如圖4所示。

圖4 懸臂引孔模型圖

3.2 荷載數(shù)值

結(jié)構(gòu)自重系數(shù)為-1，鋼材基本容重取78.5 kN/ m3；80 t履帶吊車觸地面積為8 000 mm×5 440 mm×2，整車含配重、震動錘等合計95.5 t，影響范圍內(nèi)作用于單根分配梁上的荷載為28.4 kN/m；沖擊鉆機自重為8.7 t，鉆頭自重為1.8 t，鉆機采用方木支墊，單點觸地面積為500 mm×500 mm，前支撐點處作用于單根分配梁的荷載為48 kN/m，后支點處作用于單根分配梁的荷載為23.2 kN/m。

3.3 結(jié)果分析

模型計算采用容許應(yīng)力計算法，參照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，臨時結(jié)構(gòu)分項系數(shù)取1，各項荷載系數(shù)取1，鋼材安全系數(shù)取1.7；型鋼及鋼管樁為Q235鋼材，容許應(yīng)力[σ]=138 MPa，容許剪應(yīng)力[τ]=0.6[σ]=82.8 MPa；貝雷片為Q345鋼材，容許應(yīng)力[σ]=203 MPa，容許剪應(yīng)力[τ]=0.6[σ]=122 MPa；容許位移為1/250最大跨徑，即12 000/250=48 mm。各單元項計算結(jié)果如表1所示。

懸臂施工法中，各項材料皆符合相關(guān)規(guī)范要求，并留存有大量安全余量，可滿足正常施工需求。

表1 模型內(nèi)力計算結(jié)果表

4 懸臂引孔法優(yōu)點

(1)與正常引孔工藝對比，懸臂引孔法對場地、設(shè)備的依賴更小，設(shè)備機械僅活動于已搭設(shè)好的鋼棧橋及貝雷片懸臂端，易于廣泛開展施工。

(2)常規(guī)引孔植樁工藝需使用混凝土護腳，額外增加了棧橋施工階段對材料的需求；而懸臂引孔法無須設(shè)置額外的樁底護腳設(shè)施，無須改善交通運輸條件，降低了施工階段的成本投入，提高了材料利用效率。

(3)鋼管樁擴孔插打過程中可觀測插打的貫入度，及時反映鋼管樁承載摩阻力的數(shù)據(jù)，便于施工人員計算、復(fù)核鋼管樁承載力。

5 結(jié)語

裸巖地質(zhì)下鋼管樁難以插打或易導(dǎo)致鋼管樁樁端變形，而常規(guī)引孔植樁工藝需將材料、設(shè)備運送至鋼管樁底部并進(jìn)行處理，此工藝在水上施工難以開展。改進(jìn)自“釣魚法”的懸臂引孔法適應(yīng)性強，結(jié)構(gòu)簡易可靠，成本較傳統(tǒng)引孔植樁工藝更低，符合安全、適用、經(jīng)濟的原則，在地形條件復(fù)雜、苛刻的情況下可開展大規(guī)模施工。懸臂引孔法應(yīng)用于廣西欽州市龍門大橋東引橋棧橋建設(shè)中，在3個月內(nèi)完成深水裸巖區(qū)域內(nèi)的逾千米鋼棧橋建設(shè)，取得顯著的經(jīng)濟效益。棧橋投入施工近兩年，期間未出現(xiàn)安全質(zhì)量問題，為水中、裸巖條件下的鋼管樁施工提供了寶貴的經(jīng)驗。