深水裸巖地質(zhì)環(huán)境下鋼管樁施工技術(shù)

摘要：針對深水裸巖地質(zhì)環(huán)境下鋼管樁施工存在鋼管樁插打困難、嵌固深度不足、穩(wěn)定性差等問題，文章根據(jù)“小孔引大孔”施工工藝原理，研發(fā)了沖擊鉆懸臂引孔施工技術(shù)和旋挖樁引孔施工技術(shù)。為確保施工安全性，采用大型有限元分析軟件Midas Civil對沖擊鉆懸臂引孔施工工藝進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移和穩(wěn)定性分析，計算結(jié)果表明該方法具有較好的安全富余，可推廣應(yīng)用于實際工程。工程實踐也進一步表明該技術(shù)能有效解決傳統(tǒng)施工工藝的工期長、成本高、環(huán)境污染大等一系列問題，可為類似地質(zhì)及水文情況下鋼管樁施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：深水裸巖；鋼管樁；引孔；有限元

中圖分類號：U445.55+8 A 34 115 3

0 引言

近些年，隨著我國橋梁技術(shù)的快速發(fā)展，跨大江大河橋梁數(shù)量不斷增加，鋼棧橋作為橋梁施工物資設(shè)備運輸“生命線”，在工程中的應(yīng)用越來越多。然而，在不同的水文地質(zhì)環(huán)境下，特別是深水裸巖地質(zhì)環(huán)境下的鋼棧橋施工面臨著新的挑戰(zhàn)。采用傳統(tǒng)的“釣魚法”施工工藝，在深水裸巖地質(zhì)環(huán)境下，鋼管樁插打困難，嵌固深度難以保證，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難以保證［1］。

目前，鋼管樁引孔技術(shù)主要包括板凳樁、重力式植樁、環(huán)切嵌巖植樁法、沖孔植樁法、錨桿嵌巖植樁等。板凳樁［2］通過兩排樁橫縱相連形成板凳結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗傾覆能力，減少鋼管樁的嵌巖深度。重力式植樁［3］是先將鋼管樁與混凝土預(yù)制成整體，然后再將其整體吊運至指定位置。該方法工序簡單、施工便捷，但通常需要大型機械吊運預(yù)制構(gòu)件，導(dǎo)致施工成本高。環(huán)切嵌巖植樁法根據(jù)水井鉆機鉆井原理，預(yù)先在鋼管樁底部安裝多個鋼鉆齒，然后通過鉆桿轉(zhuǎn)動帶動鋼管樁旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)引孔。該方法理論可行，但是過程繁雜，而且鑲嵌于鋼管樁的鋼鉆齒通常無法取出，導(dǎo)致施工成本高。沖孔植樁法通過大孔引小孔施工工藝，將大鋼管吊運至指定位置，用沖擊鉆沖孔至海床以下規(guī)定距離，再通過漏斗和導(dǎo)管灌注混凝土，然后在混凝土初凝前插打鋼管樁，鋼管樁插打至指定位置時，拔出大鋼管。該工藝原理簡潔，但是對沖孔設(shè)備性能要求較高，成孔效率較低，且沖孔泥漿易污染周邊水源。此外，施工后滯留的混凝土易刮擦來往的船只，從而影響船只安全行駛。錨桿嵌巖植樁法［4］是根據(jù)預(yù)制型錨桿嵌巖樁原理進行施工，通過在鋼管樁頂部設(shè)置作業(yè)平臺，

利用地質(zhì)鉆探機在鋼管內(nèi)部鉆進，然后在里面植入錨桿并灌入混凝土形成巖層-錨桿-立柱的穩(wěn)定體系。該方法同樣存在施工過程中污染周邊環(huán)境以及施工后滯留混凝土刮擦來往船只的問題。近些年，隨著社會的發(fā)展，對環(huán)境保護提出了更高的要求，對周邊環(huán)境影響較大的傳統(tǒng)施工工藝已不允許應(yīng)用于環(huán)保要求較高的海洋或水域環(huán)境中。因此，有必要研發(fā)深水裸巖地質(zhì)條件下鋼管樁的引孔施工技術(shù)，從根源上提高深水激流裸巖地質(zhì)條件下鋼管樁的施工引孔質(zhì)量和效果。

本文基于“小孔引大孔”的原理，采用小型旋挖鉆或沖擊鉆將鋼管樁內(nèi)裸巖搗碎，再采用振動錘將鋼管樁振動下沉至指定深度，高效實現(xiàn)鋼管樁引孔，解決了傳統(tǒng)施工工藝施工工序繁雜、環(huán)境污染大、施工工期長、成本高等問題。

1 工程概況

某項目為跨海大橋，線路長達7 km，主橋由跨徑50 m和80 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁組成。為確保施工物資設(shè)備運輸和對自然生態(tài)環(huán)境的保護，在橋位灘涂以及水位區(qū)沿線修建鋼棧橋。鋼棧橋單跨為12 m，五跨一聯(lián)，橋面寬8 m，上部結(jié)構(gòu)采用貝雷片型鋼結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用鋼管樁+型鋼帽梁結(jié)構(gòu)。沿線水深多為8～12 m，最深處達20 m。鉆孔揭露的巖性有泥巖、頁巖、泥質(zhì)粉砂巖和砂巖，深水處多以裸巖（強風(fēng)化頁巖）為主。如下頁圖1所示。

為研究一種高效、無污染、低成本的鋼管樁引孔施工技術(shù)，基于“小孔引大孔”的施工原理，研發(fā)了深水裸巖地質(zhì)環(huán)境下鋼管樁懸臂引孔技術(shù)和旋挖樁引孔技術(shù)。

2 鋼管樁懸臂引孔技術(shù)

懸臂引孔法施工工藝參考“釣魚法”［2］，施工時在已搭設(shè)好的棧橋上架設(shè)導(dǎo)向架定位鋼管樁，通過振動錘初步插打固定鋼管樁，然后采用履帶吊將沖擊鉆吊運至懸臂端，采用直徑為600 mm的沖擊鉆（鋼管樁為630 mm）進行鋼管樁引孔施工，沖擊鉆引孔至指定深度后，再采用振動錘將鋼管樁插打至指定深度。

為確保懸臂引孔施工的安全性，采用大型有限元軟件Midas Civil對沖擊鉆位于懸臂端時的荷載工況開展相關(guān)計算，結(jié)構(gòu)各單元選取和邊界條件參考相關(guān)文獻［5］。沖擊鉆按照現(xiàn)場實際情況并考慮動荷載因素乘以放大系數(shù)，單個沖擊鉆按照12.5 t考慮，懸臂端按照兩套沖擊鉆同時施工考慮，即按照25 t計算。如圖2所示。

2.1 應(yīng)力計算

計算結(jié)果表明，在兩臺沖擊鉆同時作用下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為128.5 MPa，位于貝雷片下弦桿位置，貝雷片采用Q345鋼材，具有2.68的安全系數(shù)，滿足施工要求。如圖3所示。

2.2 位移

如圖4所示，在兩臺沖擊鉆作用下，結(jié)構(gòu)最大位移為48 mm，剛好滿足規(guī)范要求限值L/250=48 mm。由于現(xiàn)場施工沖擊鉆距離懸臂端本身具有2 m左右的距離，結(jié)構(gòu)建模為充分考慮施工安全，將荷載施加于懸臂端頂端，因此，結(jié)構(gòu)位移滿足規(guī)范要求。

2.3 穩(wěn)定性

進一步對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行分析，考慮4種模態(tài)，模態(tài)1的分析圖如圖5所示，計算結(jié)果如圖6所示。

由以上計算可知，懸臂引孔法施工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)最小為9.2，大于規(guī)范允許的限值4.0，表征結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好。

3 旋挖鉆引孔技術(shù)

沖擊鉆懸臂引孔施工需要事先搭設(shè)好作業(yè)平臺，然后采用“釣魚法”工藝進行施工，施工工藝原理簡潔、施工成本低，但是由于作業(yè)面受到限制，導(dǎo)致施工速度受到限制。基于此，當(dāng)工期緊、需要投入大量人力和物資設(shè)備實現(xiàn)多個作業(yè)面同時開工時，可采用旋挖樁引孔施工技術(shù)。該方法先將打樁船行駛至指定位置、拋錨固定，采用300 mm鋼管樁進行精確定位鋼管樁位置，然后根據(jù)小鋼管的位置下放大鋼管就位，并采用測量設(shè)備復(fù)核位置，位置無誤再采用振動錘固定630 mm鋼管，振動錘無法振搗下沉?xí)r，再采用小樁徑旋挖鉆（600 mm鉆徑旋挖鉆）進行引孔，當(dāng)旋挖樁引孔至規(guī)定位置，再采用振搗錘施工鋼管樁，以此實現(xiàn)鋼管樁引孔。

4 橋梁監(jiān)測

為隨時掌握鋼棧橋的安全狀況，確保鋼棧橋在施工和運營過程中的安全，對板凳樁、沖擊鉆懸臂引孔施工技術(shù)和旋挖樁引孔施工工藝下各鋼棧橋鋼管樁安裝位移計和應(yīng)變片，實時監(jiān)控鋼管樁的應(yīng)力和位移情況。實測結(jié)果表明，各方案下施工的鋼管樁位移、應(yīng)力和應(yīng)變均在安全范圍內(nèi)，各方案均是安全可行的。目前，該鋼棧橋已運行一年有余，經(jīng)長期觀測無超出規(guī)范要求的變形和應(yīng)變，整體運行良好。

5 各方案經(jīng)濟性對比

5.1 采用旋挖鉆引孔施工

需要船只輔助施工及運送材料，作為施工平臺，施工單根鋼管樁需要以下費用：500 t民用船只，租金30萬元/月；依照相關(guān)法律，船只必須配置隨船操作海員，海員薪資為3.5萬元/月；旋挖鉆為小型旋挖鉆，單臺租金為8萬元/月；旋挖鉆操作機手薪資為1萬元/月；旋挖鉆施工產(chǎn)生廢渣需運出，小型撈渣船租金為5萬元/月。

由于單根鋼管樁施工時間需1 d：半天挖孔、半天打設(shè)及船只重新定位。引孔部分工藝由旋挖鉆施工，鋼管樁打設(shè)部分按“釣魚法”施工。

故單根樁合計：（30+3.5+8+1+5）萬元/30=1.58萬元

5.2 采用懸臂引孔法施工

設(shè)備材料可于陸上完成運輸，施工單根鋼管樁包含以下費用：沖擊鉆機租金為1萬元/月；隨機操作人員薪資為0.6萬元/月；履帶吊輔助施工，租金為15萬元/月，因單臺履帶吊可同時負責(zé)兩臺沖擊鉆機施工，可計為7.5萬元/月。

單根鋼管樁施工時間需1 d：半天沖孔、半天打設(shè)鋼管樁并吊運設(shè)備。

故單根鋼管樁合計：（1+0.6+7.5）萬元/30=0.303萬元

5.3 采用板凳樁施工

采用板凳樁施工合計17萬元/月，每根樁基按照2 h計算，每天工作12 h，每個板凳樁需耗時12 h，材料費增加152.89 kg/m×18 m×3根×6 000元/t=49 536.4元。因此，一個板凳樁增加的費用為［4.953 64萬元+17萬元×12/（30×12）］/3=1.85萬元。

綜上所述，采用板凳樁施工、旋挖鉆引孔和懸臂引孔法施工，其成本分別為1.85萬元、1.58萬元和0.303萬元。因此，對比旋挖鉆引孔和懸臂引孔法施工，深水裸巖施工應(yīng)盡量考慮懸臂引孔法施工工藝；但是當(dāng)施工工期受到限制，需在海上多個作業(yè)面同時施工鋼棧橋時，旋挖鉆引孔具有獨特優(yōu)勢。

6 結(jié)語

工程實踐表明，深水裸巖地質(zhì)環(huán)境下，基于小孔引大孔原理，從施工工藝上而言采用沖擊鉆懸臂引孔法和旋挖鉆引孔法的鋼管樁施工均可行，其中采用沖擊鉆懸臂引孔法施工較旋挖引孔法施工經(jīng)濟效益更加顯著，因此，在工期允許的情況下，應(yīng)盡量考慮采用沖擊鉆懸臂引孔法施工。但是在施工工期緊張的情況下，采用旋挖鉆引孔工藝能滿足多個工作面同時施工，在投入大量人力和機械設(shè)備的情況下，可大幅度節(jié)約施工工期。

參考文獻

［1］張玉斌，王 云，徐 鐳.張灣特大橋鋼棧橋設(shè)計與施工技術(shù)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2020，50（S1）：1 153-1 155.

［2］海大鵬，呂 政，王小強，等.深厚卵石覆蓋層地基的鋼棧橋施工技術(shù)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2022，52（S1）：3 165-3 169.

［3］齊殿超，李 彬.海上裸巖區(qū)棧橋配重塊植樁施工技術(shù)［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2017，13（6）：87-89.

［4］孫海艦，喬 光.海上裸巖區(qū)棧橋錨桿植樁施工技術(shù)［J］.房地產(chǎn)導(dǎo)刊，2013（2）：56.

［5］蔣贛猷，鄭 健，李莘哲.鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析［J］.西部交通科技，2021（12）：82-84，123.

收稿日期：2023-01-26