基于船載沖孔機的深水裸巖鋼管樁施工技術(shù)分析

中圖分類號：U445. 54⁺3 文獻標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.041

文章編號：1673-4874（2025）04-0148-03

0 引言

近年來，隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，跨越大江、大河、海灣、海峽等特大型橋梁不斷涌現(xiàn)，鋼棧橋及鋼平臺作為橋梁施工物資設(shè)備運輸通道以及水上臨時作業(yè)場地，在工程中的應(yīng)用也越來越多。鋼棧橋及鋼平臺在深水裸巖地質(zhì)條件下搭設(shè)時，由于鋼管樁無法直接插打進入持力層，須先引孔后再進行鋼管樁插打。常規(guī)做法是將沖孔機放置在懸挑貝雷梁端部，采用沖孔機將鋼管樁內(nèi)的裸巖搗碎，再采用“釣魚法”將鋼管樁振動插打至指定深度[1-4]。該施工方法須逐跨引孔、逐跨搭設(shè)，因此引孔工序的快慢是影響鋼棧橋施工效率的關(guān)鍵因素。同時，深水裸巖地質(zhì)成孔孔渣多為巖石沉渣，若采用傳統(tǒng)泥漿循環(huán)清孔，則泥漿制備、沉淀池及泥漿池的設(shè)置等均因場地問題較難實現(xiàn)，且泥漿循環(huán)清孔易污染江水，造成環(huán)境問題。

S514南寧江西至壇洛公路No1標(biāo)段為解決上述兩個施工難題，將船只與沖孔機、空壓機、簡易門架、GPS定位系統(tǒng)等設(shè)備組合成一套可精確定位的船載沖孔清孔設(shè)備，將鋼管樁一部分工序的作業(yè)面從鋼棧橋轉(zhuǎn)移至船上，使得工序安排更為靈活。同時，利用氣舉反循環(huán)清孔，將高壓氣體泵入孔底，受氣壓影響孔底液體從底部快速向上流動形成負壓，將鉆渣懸浮帶出孔內(nèi)，實現(xiàn)免泥漿清孔[5-7]。

1 工程概況

S514南寧江西至壇洛公路在""處設(shè)計一座中楞左江大橋（連續(xù)剛構(gòu)橋）跨越左江，見圖1。擬建中楞左江特大橋位于南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)壇洛鎮(zhèn)上中村附近，在縣道X005中楞渡口上游650m處，路線 K7+720 處跨越左江。全橋跨徑布置為 （115+210+115）m+4x 30m+4×30m ，橋梁主橋長440m，引橋長240m，整橋全長 690.0m 1^?，2^?"主墩承臺尺寸為18 m×18m ，原河床線水深為 8～16m ，炸礁后常水位水深為 16.5～16.8m 所處地層主要為中風(fēng)化角礫狀灰?guī)r（鈣質(zhì)膠結(jié)）和中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r。中風(fēng)化角礫狀灰?guī)r（鈣質(zhì)膠結(jié)）為灰白色，角礫狀結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，角礫成分單一，主要為灰?guī)r；中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r為灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，裂隙稍發(fā)育，局部有溶蝕現(xiàn)象，裂隙多為方解石脈閉合充填，巖質(zhì)較堅硬，巖體較完整。

該工程設(shè)置兩座鋼棧橋，分別為江西岸的 $＼harpoonleft$ 鋼棧橋和壇洛岸的 2^? 鋼棧橋。 1^? 鋼棧橋搭設(shè)長度為 64m，2^? 鋼棧橋搭設(shè)長度為58m。主墩墩柱及上構(gòu)搭設(shè)水上鋼平臺輔助施工。鋼平臺主要作為樁基施工、承臺施工、拼裝掛籃場地及主墩澆筑的施工場地，主要活荷載為50t混凝土運輸車、25t汽車吊及50t履帶吊作業(yè)荷載。

圖1中楞左江特大橋立面圖

2關(guān)鍵技術(shù)路線及操作要點

2.1關(guān)鍵技術(shù)路線（圖2）

圖2關(guān)鍵技術(shù)路線圖

2.2船載沖孔機設(shè)計及加工

2.2.1設(shè)備選用

采用船寬為 7.5m ，長為22.1m，凈噸位為49t的自有可移動支座鏟斗挖泥船進行改裝，船舶上原配置336D挖掘機整機工作重量約35t。根據(jù)船舶允許載重和鋼管樁最大直徑，引孔設(shè)備采用 CK900 沖孔機，沖錘直徑選擇 .530mm ，整機質(zhì)量為6t，沖錘質(zhì)量為1t，外形尺寸為60×2m×6.3m

根據(jù)船舶尺寸、空船重量、滿載排水量、重心坐標(biāo)、初始穩(wěn)定性高度，引孔設(shè)備重量、尺寸、重心位置等參數(shù)，進行船舶安裝設(shè)備后總重量、船舶新吃水深度、結(jié)構(gòu)強度驗證及穩(wěn)定性分析計算。船載沖孔機模型見圖3。

圖3船載沖孔機模型圖

2.2.2龍門架設(shè)計及加工

根據(jù)龍門架需要承受的荷載，即吊裝最長鋼護筒工況，采用有限元分析軟件MidasCivil進行桿件設(shè)計及選型，確保龍門架承載力能夠滿足安全要求。龍門架前端屬于懸挑結(jié)構(gòu)，豎向荷載施加在前端，應(yīng)著重對龍門架后端錨固焊接的焊縫進行計算分析，確定安全的焊縫尺寸。

龍門架利用雙拼25a工字鋼作為框架，長4m，寬3.65m，高3. 4m ，龍門架橫梁對稱設(shè)置兩個手拉葫蘆吊點，吊點間距為60cm，契合鋼護筒尺寸，用以吊裝鋼護筒。龍門架雙拼工字鋼采用上下翼緣板跳焊拼接，焊縫長度為10cm，焊縫間距為1m，豎桿、斜桿、水平桿、鋼板以及加勁板之間采用滿焊連接。龍門架設(shè)計圖見圖4。

圖4龍門架設(shè)計圖

2.2.3鋼護筒導(dǎo)向架

為防止鋼護筒頂部左右移動，在船設(shè)置鋼護筒導(dǎo)向架。導(dǎo)向架由2根槽鋼組成，兩根槽鋼間距為所用鋼護筒的外徑尺寸，即630mm；槽鋼整體長度為 1.6m ，懸挑長度為0.6m，固定段為1m。固定段與船體甲板焊接固定。

2.2.4船載沖孔機設(shè)備安裝

先將船上挖掘機拆卸吊至岸上，然后用履帶吊將沖孔機吊至船上進行安裝，調(diào)整就位后將沖孔機點焊固定在甲板上。采用履帶吊將加工好的龍門架、導(dǎo)向架依次吊裝，均采用點焊連接船體固定。將空壓機吊裝至船上，將輸氣管連接至空壓機。

2.3 鋼護筒設(shè)計加工

鋼護筒采用 ?630mm×9 mm的Q235鋼管，為了適配船載沖孔機，對鋼護筒下列細節(jié)進行設(shè)計加工。

2.3.1接長設(shè)計

距離鋼護筒頂部20cm向下每間隔2m設(shè)置鋼棒孔預(yù)留孔，孔徑為 10cm ，在鋼護筒接長時起臨時支撐作用，鋼護筒提升至鋼棒孔，高于導(dǎo)向架，用鋼棒穿過鋼護筒預(yù)留孔，可將鋼護筒臨時架設(shè)在導(dǎo)向架上，以便松解手拉葫蘆。利用手拉葫蘆起吊接長節(jié)段至護筒頂上進行護筒接長，接長采用4塊 10cm×20cm×1 cm鋼板滿焊在兩節(jié)對接部位的四周。

2.3.2底部防位移設(shè)計

鋼護筒底部設(shè)計為鋸齒狀，以便嵌入巖石，防正護筒底部滑動，鋸齒深度 35 cm。先采用石筆在鋼護筒上畫出鋸齒狀，采用氧割按照畫線進行切割，為增大鋼護筒對巖層咬合作用，對鋸齒頭部進行打磨削尖處理。

2.3.3氣體輸入設(shè)計

距鋼護筒底部1m位置設(shè)氣體輸送管接頭，用于連接空壓機輸氣管。采用手持電鉆按照接頭直徑尺寸在鋼護筒側(cè)壁進行鉆孔，將接頭插入孔洞后進行滿焊，防止漏氣。

2.4鋼護筒吊裝

鋼護筒加工完成后，利用岸上履帶吊將鋼護筒豎直吊起，輸氣管末端連接至鋼護筒的底部，緩慢吊裝鋼護筒至引孔船上，利用船載龍門架手拉葫蘆連接鋼護筒吊耳后，岸上履帶吊緩慢將護筒轉(zhuǎn)移至船載龍門架上。

2.5移船拋錨

由拖船把沖孔打樁船舶拖至作業(yè)區(qū)域后拋錨，共設(shè)置4個錨點，分別設(shè)置在引孔工作面區(qū)域的四個角之外3m，錨纜長度根據(jù)實際工作面確定，通過船上卷揚機收放纜繩移動船舶。采用RTK定位系統(tǒng)將引孔船移動至樁位，船舶就位后收緊纜繩穩(wěn)固船身，下放船舶定位鋼樁，防止沖孔過程中發(fā)生較大位移。見圖5、圖6。

圖5船體位移示意圖

圖6引孔樁位順序示意圖

2.6 下放鋼護筒

利用GPS定位系統(tǒng)確定樁位，將引孔船上的沖孔機沖錘中心置于樁位正上方，通過龍門架設(shè)置的手拉葫蘆調(diào)整鋼護筒的高度及位置，使鋼護筒中心對準沖孔機沖錘中心后，開始下放鋼護筒。鋼護筒下放接觸河床后，利用自重嵌入巖層。若鋼護筒長度不足，則將鋼護筒臨時固定在導(dǎo)向架上進行接長處理。

2.7 船載沖孔機引孔

采用船上的沖孔機進行沖孔。根據(jù)地質(zhì)條件確定沖程，針對該工程中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，選用 3～4m 沖程，當(dāng)沖進速度明顯下降時，表示孔底存有大量碎屑，無法再繼續(xù)保持高效沖進，應(yīng)及時進行清孔，排除孔內(nèi)石屑。

2.8氣舉反循環(huán)清孔

沖孔后利用船舶上的螺旋式空壓機，通過輸氣管將高壓氣接入鋼護筒底部輸出，空氣混合液體快速向上移動，在導(dǎo)管底部形成負壓，將孔底的巖屑連續(xù)不斷吸出。清孔后應(yīng)采用吊錘敲擊孔底，確保孔底無較厚沉渣。

2.9 測量孔深

清孔后采用測繩測量孔內(nèi)深度，判斷是否達到設(shè)計要求，若達到設(shè)計要求，可終孔拔出鋼護筒，進行下一樁位引孔施工，否則應(yīng)繼續(xù)沖進。

2. 10 提升鋼護筒

當(dāng)孔深滿足設(shè)計要求后，利用船載龍門架上的手拉葫蘆，緩慢提起水下鋼護筒，使其脫離河床面1m以上，移船至下一引孔點位進行作業(yè)。

2. 11 插打鋼管樁

待沖孔打樁機船舶移出樁位后，方可進行鋼管樁插打。履帶吊起吊振動錘，振動錘夾緊鋼管樁，在引孔后的孔內(nèi)進行鋼管樁的插打，插打過程記錄好插入深度，當(dāng)插入深度滿足要求且進尺緩慢時，可判斷鋼管樁插打完成。

2.12 檢查驗收

通過全站儀復(fù)核驗收鋼管樁坐標(biāo)，通過查看插打記錄確認鋼管樁嵌巖深度以及觸底情況。

3效益分析

相比于傳統(tǒng)施工方法，采用引孔船舶進行水下鋼管樁引孔作業(yè)，可將引孔提前完成，不占用棧橋施工總工期。以該工程132根鋼管樁為例，共計節(jié)約工期 30d 相比于傳統(tǒng)施工方法，增加1個月的船舶攤銷使用費用0.2萬元，增加引孔設(shè)備加工費0.3萬元，減少1個月的50t履帶吊租賃費用4.8萬元，減少1個月的人工費用（8個人）7.2萬元，共計節(jié)約 4.8+7.2-0.2-0.3=11.5 （萬元），平均每根樁節(jié)約 11.5÷132=0 087（萬元）。

4結(jié)語

4.1鋼管樁引孔與棧橋上部結(jié)構(gòu)平行作業(yè)，提高施工效率

區(qū)別于傳統(tǒng)先棧橋后鋼管樁的流水施工工序，采用船上引孔技術(shù)，可實現(xiàn)鋼管樁引孔作業(yè)與棧橋上部結(jié)構(gòu)搭設(shè)平行作業(yè)，且船載精確定位沖孔清孔協(xié)同施工，能夠大幅度提高沖擊引孔施工效率，從而大幅縮短了鋼棧橋施工工期。

4.2高壓氣舉法清孔底沉渣，成孔質(zhì)量佳

沖孔后利用氣舉原理在鋼護筒底部形成負壓，及時將孔內(nèi)巖石碎屑不斷從鋼護筒頂口懸浮排出，有效減少孔底巖屑厚度，減少沖孔阻力，有利于沖錘持續(xù)沖進，保證成孔深度滿足設(shè)計要求。

4.3免泥漿循環(huán)，綠色環(huán)保

傳統(tǒng)泥漿循環(huán)清孔工藝往往伴隨著泥漿排放問題，對鄰近的江河帶存在污染風(fēng)險。采用氣舉反循環(huán)清孔替換常規(guī)泥漿循環(huán)清孔，不僅提高了清孔效率，還從根本上消除了泥漿對江河水質(zhì)造成污染的可能性。

參考文獻

[1李雪芬.深水裸巖地質(zhì)環(huán)境下鋼管樁施工技術(shù)[J].西部交通科技，2023（2）：115-117.

[2]凡林，姜圣東，羅麗.深水硬質(zhì)河床區(qū)棧橋鋼管樁懸臂引孔施工技術(shù)研究[J].工程技術(shù)研究，2023，8（11）：78-80

[3王燎原.六景郁江特大橋裸巖地層棧橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究LJ」.鐵道建筑技術(shù)，2023（9）：158-160，202

[4]羅明祥.港航作業(yè)區(qū)泊位鋼棧橋安裝技術(shù)要點研究[J].珠江水運，2024（6）：84-86.

[5程林，王克虎，齊新超，等.氣舉反循環(huán)鉆進工藝在嚴重漏失地層施工中的應(yīng)用[J.地質(zhì)裝備，2025，26（1）：44-48

6鄧立雄，賀禮，李海成.氣舉反循環(huán)清孔工藝在深厚沙層鉆孔灌注樁工程中的應(yīng)用[C].中國水利學(xué)會地基與基礎(chǔ)工程專業(yè)委員會.2023水利水電地基與基礎(chǔ)工程技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展.南昌：中國水利學(xué)會地基與基礎(chǔ)工程專業(yè)委員會，2023：343-347.

[7林文寶.氣舉反循環(huán)清孔在橋梁樁基工程中的應(yīng)用[J].交通世界，2022（20）：120－122.