一種鋼護筒分節(jié)裝置在鉆孔灌注樁中的應用

劉金秋，郭東

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.天津深基工程有限公司，天津 300222）

0 引言

隨著鉆孔灌注樁（本文簡稱“灌注樁”）作為一種成熟工藝大量應用于市政、建筑以及水工工程基礎(chǔ)主體，如何在軟弱土層上方成樁而不發(fā)生塌孔、縮頸等情況逐漸成為鉆孔灌注樁施工質(zhì)量控制的重點之一，同時降低工程造價也是施工單位需考慮的因素。傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁成孔一般采用常規(guī)的鋼護筒進行施工，成孔結(jié)束、混凝土灌注完成后直接將鋼護筒拔除即可成樁。但如果遇到深度較大的軟弱土層如淤泥質(zhì)黏土、流砂層等不良地質(zhì)，同時需要將鋼護筒預留在最終開挖面以上時，繼續(xù)采用傳統(tǒng)工藝會出現(xiàn)以下問題：

1）需要用較長的鋼護筒進行打設，垂直度不易控制；

2）成孔結(jié)束、混凝土灌注完成后，傳統(tǒng)工藝會將鋼護筒預留在開挖面以上，增加較高的工程費用；

3）后續(xù)開挖至設計樁頂標高時，樁頭鑿除前需要先進行鋼護筒的切割工作，增加了施工工序，延長了施工工期，樁頭鑿除工效明顯降低；

4）分層開挖至設計樁頂標高進行樁頭鑿除時，因需要進行鋼護筒切割工作，延長了作業(yè)時間，增加了樁間土對樁基外露部分的擠樁風險，灌注樁質(zhì)量不易控制。

為解決上述灌注樁施工中存在的問題，本文結(jié)合工程實例，提供一種灌注樁鋼護筒分節(jié)施工裝置和工藝方法。

1 工程概況

唐山港豐南港區(qū)河口碼頭區(qū)某通用碼頭工程位于唐山市豐南區(qū)黑沿子鎮(zhèn)附近，建設規(guī)模為4個5 000噸級通用散貨泊位、4個5 000噸級多用途泊位和2個工作船泊位，采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)和高樁墩臺式結(jié)構(gòu)形式，岸線長度1 113 m，碼頭面高程6.2 m。前方樁臺寬17.25 m，基樁采用φ1 000 mm灌注樁，排架間距7 m，每榀排架布置5根直樁，樁底高程-58 m，樁頂高程2.91 m。后方樁臺寬9.75 m，基樁采用φ800 mm灌注樁，排架間距3.5 m，每榀排架布置2根直樁，樁底高程-45 m，樁頂高程3.11 m。φ1 000 mm灌注樁數(shù)量為891根，φ800 mm灌注樁數(shù)量為608根。

根據(jù)地勘報告和設計斷面圖，地坪標高至設計岸坡開挖面主要地層為①1素填土、于1淤泥質(zhì)黏土和于2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，且設計要求樁帽下底標高至岸坡開挖面以下50 cm處采用鋼護筒防護，設計斷面見圖1。正式開工前對施工場地進行了試挖作業(yè)，于1淤泥質(zhì)黏土和于2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土基本呈流塑狀態(tài)，天然含水量ω高達39.5%，地基承載力差；地下水位埋深0.3～0.6 m，水位較高，且岸線臨近河口區(qū)，地下水補給充分。

圖1 設計方案典型斷面圖（mm）Fig.1 Typical section of design scheme(mm)

2 方案比選

2.1 方案1

項目前期，設計單位主推施工方案為：先基坑開挖至-2 m后進行灌注樁施工，再進行接樁施工，斷面見圖2（深大基坑內(nèi)先成樁，后接樁）。此方案存在一定的優(yōu)缺點，優(yōu)點包括：

1）解決了樁間土開挖難的問題；

2）解決了原泥面灌注樁施工后接岸結(jié)構(gòu)無法振沖難題。

缺點包括：

1）延長施工工期60 d，完工日期由7月31日變?yōu)?月30日（建設方要求7月31日前必須完工），無法滿足建設方“公路運輸轉(zhuǎn)水路運輸”環(huán)評需求；

2）增加7 m深基坑施工，屬超規(guī)模危大工程，方案需要專項設計和專家論證，時間不可控，影響開工時間；

3）前期通過施打降水井，發(fā)現(xiàn)碼頭前沿存在380 m范圍于2粉砂透水層，開挖基坑存在極大的管涌風險；

4）增加建設方基坑降水、支護、監(jiān)測及接樁費用，經(jīng)專項設計核算約為3 300萬元。

圖2方案1示意圖（mm）Fig.2 Schematic diagram of program 1(mm)

2.2 方案2

針對方案1的缺點，通過與設計單位、專家研究，推出了“先成樁后開挖”的解決方案。為解決于1淤泥質(zhì)黏土、于2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等不良地質(zhì)對灌注樁的影響，保證樁基完整性，避免接樁施工，設計樁頂標高至岸坡開挖面以下50 cm范圍增加8 mm厚鋼護筒，原泥面進行灌注樁施工，再進行樁間土開挖，斷面見圖3（原泥面成樁，頂部鋼護筒循環(huán)利用）。通過咨詢國內(nèi)多家專業(yè)設計單位，一致認為該方案優(yōu)于方案1，經(jīng)建設方、設計方、監(jiān)理方和多位專家論證，最終采用此方案施工。

圖3方案2示意圖（mm）Fig.3 Schematic diagram of program 2(mm)

2.3 方案優(yōu)化

根據(jù)設計圖紙要求，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，發(fā)明了一種鋼護筒分節(jié)裝置和工藝方法，解決了在深大基坑成樁的風險問題，節(jié)約了大量鋼材，保證了樁基質(zhì)量，并在實際工程中得到了驗證和改進，總結(jié)出了一套鋼護筒分節(jié)裝置的使用方法[3]。

3 分節(jié)裝置發(fā)明內(nèi)容

3.1 分節(jié)裝置結(jié)構(gòu)

為解決上述問題，提供一種鋼護筒分節(jié)裝置，該裝置包括加勁板、吊裝孔、卷板護筒、螺旋焊管護筒、連接點加勁肋、連接點外側(cè)加勁板、連接點內(nèi)側(cè)加勁板和連接點焊縫8部分。其中加勁板、卷板護筒均由整體鋼板卷成圓筒形狀后，牢固焊接在一起；吊裝孔在加勁板和卷板護筒焊接在一起后進行二次切割成孔，單個護筒對稱布置2個；螺旋焊管護筒采用鋼帶螺旋焊接加固而成，內(nèi)徑與卷板護筒相等；連接點加勁肋、連接點外側(cè)加勁板、連接點內(nèi)側(cè)加勁板均采用高強度低合金錳板制作加工，三者先焊接成整體，最后與卷板護筒焊接加固成一個整體；連接點焊縫主要是加固內(nèi)側(cè)、外側(cè)加勁板[4]。分節(jié)裝置結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 分節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Sectional view of segmentation device

3.2 設計思想

分節(jié)裝置的設計思想是先將螺旋焊管護筒通過雙點夾振動錘沿樁中心施打，緩慢下沉后，頂部外露約10 cm，然后使用雙點夾振動錘夾取卷板護筒，使連接點外側(cè)加勁板、連接點內(nèi)側(cè)加勁板之間的空隙對準螺旋焊管護筒，緩慢振動下沉，直至螺旋焊管頂部到達設計標高位置，且卷板護筒外露高度h≥30 cm[5]。然后進行成孔、鋼筋籠吊裝和混凝土灌注，待混凝土達到初凝點，使用雙點夾振動錘將上部卷板護筒拆除。

3.3 加工制作要點

在鋼護筒施打前，需要提前加工制作卷板護筒和螺旋焊管護筒，尤其是卷板護筒，該部件是此工藝的核心裝置，在加工、使用過程中注意如下要點：

1）剛度和強度要求。卷板護筒和螺旋焊管護筒的材質(zhì)均為Q235B，強度不能低于屈服強度σs=235 MPa。分節(jié)裝置施工過程中，能量傳遞和應力集中點主要位于卷板護筒頂部和連接點位置，故此處對加固材料有特殊要求。頂部加勁板、連接點加勁肋、內(nèi)外側(cè)加勁板等應力集中部位材質(zhì)均為低合金錳板Q335B。相應的彈性模量E、剪切模量G和屈服強度σs必須滿足規(guī)范要求，具體要求見表1。

表1 分節(jié)裝置結(jié)構(gòu)材料表Table 1 Structural material list of segmentation device

2）尺寸要求。卷板護筒和螺旋焊管護筒內(nèi)徑尺寸偏差控制在-1～+3 mm，盡量控制在正誤差，卷板護筒和螺旋焊管護筒上下內(nèi)徑尺寸偏差一致，不允許偏心，以免影響護筒下沉時的垂直度。上下護筒的兩端頭橫截面應在同一水平面，誤差控制±1 mm。卷板護筒頂端加勁板和底端連接件與卷板護筒焊接為一個整體，除圖4中節(jié)點處焊縫標注為10 mm外，其余焊縫高度均不小于15 mm。卷板護筒加工時，充分考慮地坪標高與設計樁頂標高位置，連接點位置一定要位于設計樁頂標高H以下10 cm，螺旋焊管護筒不得嵌入后續(xù)上部結(jié)構(gòu)樁帽混凝土內(nèi)，以免形成腐蝕通道。連接點位置外側(cè)加勁板、內(nèi)側(cè)加勁板之間的空隙寬度需充分考慮下部螺旋焊管護筒的壁厚δ和富余量Δ[7]，正常情況下富余量Δ寬度控制在4～6 mm。

3）護筒形式。為便于振動下沉，螺旋焊管護筒底端設置為坡口形式；為便于與上部連接件連接和達到止水功能，頂部設置為平口形式。卷板護筒上下兩端均設置為平口形式，一方面是為了便于后續(xù)測量，另一方面為了與螺旋焊管護筒頂部緊密連接達到止水功能。平口形式橫截面平整度誤差控制在±1 mm。

4）卷板護筒焊接要求。卷板護筒壁厚t≤6 mm的拼接要求為留2 mm間隙，雙面焊接，焊縫高度為高出母材1 mm；壁厚t≥8 mm的拼接要求為留2 mm的間隙。

4 效益分析

該分節(jié)裝置使用后取得了如下效益：

1）保證了7月31日完工工期，目前該項目已按時完工、交工，滿足了建設方“公路運輸轉(zhuǎn)水路運輸”環(huán)評要求；

2）設計開挖泥面以上部分由鋼護筒保護，在保證灌注樁質(zhì)量的同時，提高樁基抗浮冰撞擊破壞的能力，提升碼頭耐久性；

3）無大量人員、機械設備在危大基坑內(nèi)施工情況，避免發(fā)生重大安全事故的可能性；

4）建設投資增加費用由“先開挖后成樁”施工的3 300萬減少至1 300萬元（鋼護筒及防腐費用），追加部分減少2 000萬元；

5）上部卷板鋼護筒可循環(huán)利用，符合國家環(huán)保要求。

通過對比發(fā)現(xiàn)，使用分節(jié)裝置后，鋼護筒使用量減少779 t，按市場采購價5 500元/t計算，直接減少工程成本約428萬元，經(jīng)濟效益可觀。

5 結(jié)語

本文所述的新型鋼護筒分節(jié)裝置和使用方法操作簡單，上部鋼護筒拆卸方便且可重復循環(huán)利用，符合國家環(huán)保要求，有效節(jié)約大量鋼材和資金。該工藝適用于存在較厚的不良土層地質(zhì)條件下的灌注樁成樁施工，特別是灌注樁設計樁頂標高距離地坪標高較大處，可以在不開挖不良土層地質(zhì)的前提下提前施工鉆孔灌注樁，減少了在深大基坑成樁的風險；尤其適用于表層土如淤泥質(zhì)黏土、流砂層等不良地質(zhì)情況，可有效減少塌孔、縮頸等成孔問題，保證樁基施工質(zhì)量。樁基施工完成后，可減少樁頭鑿除鋼護筒切割工序，有效提高了樁頭鑿除工效。在市政、建筑以及水工工程類似項目中應用前景廣闊。