深中通道東人工島內(nèi)高速橋墩保護(hù)鋼管樁施工研究

劉坤，李云超，祝阿龍，侯禹辰，熊昊翔，尚世力，談颋

（1.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東 深圳 518000；2.深中通道管理中心，廣東 中山528400 ；3.珠海科技學(xué)院，廣東 珠海 519000；4.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東 珠海 519082）

1 工程概況

人工島填筑施工對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的許多橋梁造成影響，深中通道東人工島內(nèi)的沿江高速橋中某些橋墩基礎(chǔ)在東人工島施工期間采用鋼管樁進(jìn)行保護(hù)。本文以72 號(hào)橋墩基礎(chǔ)防護(hù)鋼管樁施工為例，研究該橋墩基礎(chǔ)的保護(hù)。

根據(jù)沿江高速地質(zhì)詳勘資料顯示，72 號(hào)橋墩區(qū)域水深約3.00 m。地層自上而下依次為淤泥層6.80 m，粉質(zhì)黏土1.90 m，全風(fēng)化混合花崗巖637.00 m，強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖96.00 m，以下為中風(fēng)化混合花崗巖。鋼管樁底位于全風(fēng)化花崗巖層，地質(zhì)剖面圖如圖1 所示。

圖1 工程所在位置地質(zhì)剖面

2 工程施工

2.1 施工流程及準(zhǔn)備

鋼管樁廣泛使用在深水工程中，鋼管樁的施工難度大，需要根據(jù)不同的工程采用相應(yīng)的施工方法[1-3]。本工程鋼管樁施工流程準(zhǔn)備涉及的內(nèi)容有：導(dǎo)向架制作、導(dǎo)向架安裝、測(cè)量定位、沉管安裝、焊縫檢測(cè)等內(nèi)容。

根據(jù)工程當(dāng)時(shí)現(xiàn)行規(guī)范JTS167-4—2012 《港口工程樁基規(guī)范》[4]要求“管節(jié)對(duì)口拼裝時(shí)，相鄰管節(jié)的焊縫錯(cuò)開1/8 周長(zhǎng)以上”，72 號(hào)橋墩保護(hù)鋼管樁周長(zhǎng)為4.71 m，故接頭錯(cuò)開長(zhǎng)度為60 cm，根據(jù)橋下凈空、設(shè)備及吊車的情況，鋼管分為兩節(jié)，長(zhǎng)度分別為13.50 m+6.00 m、12.90 m+6.60 m，施工時(shí)長(zhǎng)節(jié)為底節(jié)。

2.2 鋼管樁施工

靜壓植樁施工分為兩個(gè)步驟：鋼管樁導(dǎo)向架施工和沉樁施工。

2.2.1 導(dǎo)向架安裝

鋼管樁導(dǎo)向架施工分為兩種。第一種為常規(guī)導(dǎo)向架，采用鋼管基礎(chǔ)加操作平臺(tái)的方式進(jìn)行定位樁的施工，主要由鋼管基礎(chǔ)、導(dǎo)向梁、導(dǎo)向板組成；第二種導(dǎo)向架采用工裝方式進(jìn)行施工，使導(dǎo)向架達(dá)到兼施工、安全、防風(fēng)、可循環(huán)使用于一體綜合性多功能導(dǎo)向焊接防風(fēng)操作平臺(tái)，進(jìn)行大面積鋼管樁的施工，主要由固定端、導(dǎo)向梁、防風(fēng)板組成，本導(dǎo)向架主要是將成品導(dǎo)向架固定在已經(jīng)施打鋼管樁上提供導(dǎo)向作用。

常規(guī)導(dǎo)向架安裝：首先進(jìn)行船舶定位，鋼管樁定位樁導(dǎo)向架采用平板駁船施工，固定采用四角交叉錨纜；接著進(jìn)行導(dǎo)向架基礎(chǔ)施工，定位樁導(dǎo)向架基礎(chǔ)采用400 mm×400 mm H 型鋼作為固定樁，使用船吊吊裝到位，插打固定樁時(shí)采用全站儀定位；最后進(jìn)行導(dǎo)向梁和導(dǎo)向板的施工，固定樁插打完成后，在兩側(cè)安裝700 mm×500 mm 導(dǎo)向梁，間距1.70 m，導(dǎo)向梁標(biāo)高為1.50 m，導(dǎo)向梁安裝完成后，安裝滑動(dòng)導(dǎo)向板，固定好后用螺絲擰緊。

工裝式導(dǎo)向架施工。該項(xiàng)目安裝分為3 步：導(dǎo)向架加工、導(dǎo)向架吊裝和導(dǎo)向架固定。在工廠將導(dǎo)向架制作好，采用平板駁船進(jìn)行吊裝作業(yè)，在吊裝過程中用全站儀進(jìn)行定位，最后將導(dǎo)向架底座固定在前一根的鋼管樁上，利用鎖口將導(dǎo)向架牢牢地固定在鋼管樁上，利用懸挑部分進(jìn)行導(dǎo)向。

2.2.2 沉樁施工

本項(xiàng)目起始樁為沿江高速橋72 號(hào)橋墩北側(cè)西端，樁號(hào)為72-1。施工船舶位于71 號(hào)墩與72 號(hào)墩之間，船舶垂直于橋墩中線方向。

鋼管樁施工分為兩部分：第一部分為定位樁施工，定位樁采用常規(guī)性導(dǎo)向架施工；第二部分為正式樁的施工，采用工裝式導(dǎo)向架施工。首先鋼管樁通過導(dǎo)向架靠自重沉入，當(dāng)依靠自重?zé)o法繼續(xù)沉入時(shí)，使用EP270 免共振錘插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。鋼管樁插打采用船吊加人工輔助的方式進(jìn)行施工，導(dǎo)向架安裝完成后定位無誤后，開始進(jìn)行鋼管樁沉樁作業(yè)。

1）定位樁施工。用平板接駁船的履帶吊將第一節(jié)鋼管樁吊至導(dǎo)向架位置，在施工過程中全程采用全站儀進(jìn)行定位和糾偏。第一節(jié)鋼管樁沉入后，鋼管樁頂部高出導(dǎo)向架50～100 cm，將鋼管樁和導(dǎo)向架焊牢后，吊裝第二節(jié)鋼管樁，鋼管樁對(duì)接完成后，對(duì)接頭、垂直度檢驗(yàn)合格后采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行人工焊接，焊接完成檢查合格后，通過導(dǎo)向板下放鋼管樁，前期鋼管樁依靠自身重力下沉，直到鋼管樁無法通過自重下沉，通過振動(dòng)將鋼管樁插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高，后續(xù)的鋼管樁施工重復(fù)此施工步驟。

2）正式樁施工。將第一節(jié)鋼管樁吊至導(dǎo)向架位置，用全站儀進(jìn)行定位和糾偏，第一節(jié)沉管樁完成后安裝內(nèi)襯環(huán)，將鋼管與導(dǎo)向架焊接固定牢固，接著吊裝第二節(jié)鋼管樁，對(duì)接完成后焊縫監(jiān)測(cè)合格繼續(xù)下放鋼管樁，前期鋼管樁依靠自身重力下沉，直到鋼管樁無法通過自重下沉，通過振動(dòng)將鋼管樁插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高，后續(xù)的鋼管樁施工重復(fù)此施工步驟。施工現(xiàn)場(chǎng)情況見圖2。

圖2 正式樁施工

2.3 鋼管樁焊接

鋼管樁焊接采用豎向環(huán)形全自動(dòng)焊接工藝+人工焊接輔助施工。豎向環(huán)形全自動(dòng)焊接在管道相對(duì)固定的情況下，焊接小車帶動(dòng)焊槍沿軌道圍繞管壁運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)豎向環(huán)形自動(dòng)焊接。

3 數(shù)據(jù)采集及分析

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方案

本次項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：鋼管樁施工進(jìn)度、橋墩水平位移和沉降、橋墩傾斜和振動(dòng)監(jiān)測(cè)。鋼管樁施工進(jìn)度采用人工記錄的辦法，記錄項(xiàng)目包括樁號(hào)、施工日期、開始和結(jié)束時(shí)間、進(jìn)尺長(zhǎng)度、累計(jì)深度、樁底標(biāo)高和對(duì)應(yīng)地層以及其他需要記錄的情況。橋墩水平位移、橋墩傾斜和振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用相關(guān)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)施工各階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的采集和記錄。鋼管樁施工進(jìn)度方面，鋼管樁施工第一節(jié)鋼管樁插打最長(zhǎng)時(shí)間為80 min，最短時(shí)間為15 min，平均時(shí)間為32.15 min；每道焊縫焊接時(shí)間最長(zhǎng)時(shí)間為200 min，最短時(shí)間為50 min，平均時(shí)間96.46 min；第二節(jié)鋼管樁插打最長(zhǎng)時(shí)間為60 min，最短時(shí)間為10 min，平均時(shí)間為25.26 min。

施工期間對(duì)72 號(hào)橋墩進(jìn)行了振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)，以測(cè)定免共振錘打樁過程中對(duì)橋墩、承臺(tái)的振動(dòng)影響。施工期間監(jiān)測(cè)到最大振動(dòng)加速度為0.023g。

施工期間對(duì)橋墩的豎向位移、東西方向水平位移和南北方向的水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以測(cè)定免共振錘打樁過程中對(duì)橋墩、承臺(tái)的影響。橋墩變形監(jiān)測(cè)歷時(shí)曲線圖見圖3。

圖3 橋墩變形監(jiān)測(cè)歷時(shí)曲線圖

通過施工前后連續(xù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在施工前的靜止?fàn)顟B(tài)下各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仍有±0.5 mm 幅度的波動(dòng)，其除了受儀器本身的精度影響外還與氣象條件、橋面沖擊荷載的作用有關(guān)。施工期間沿江高速橋墩的東西向位移最大值為1.2 mm，南北向位移最大值為1.0 mm，小于設(shè)計(jì)值(±6mm)；沉降最大值為-1.6 mm，小于設(shè)計(jì)值（-10 mm），表明施工對(duì)橋墩臺(tái)穩(wěn)定性影響較小，安全可控。

4 結(jié)論

沿江高速保護(hù)鋼管樁施工嚴(yán)格按照審批的方案實(shí)施，綜合72 號(hào)橋墩保護(hù)鋼管樁施工情況，樁錘、打樁起吊船舶等設(shè)備選型、配置科學(xué)，施工工效高。沉樁施工方法合理，對(duì)本工程鋼管樁土質(zhì)條件、鋼管樁品種、斷面、沉入深度適應(yīng)強(qiáng)。沉樁施工過程中沿江高速橋墩沉降、水平位移及傾斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均未超過設(shè)計(jì)控制值，橋墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全。沿江高速保護(hù)鋼管樁典型施工方案總體可行，能確保施工安全、質(zhì)量及施工進(jìn)度，施工過程安全可控，可為以后類似的工程施工提供參考。