樁基工程護(hù)筒氣舉清理法

李永升，王 欣

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

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樁基工程護(hù)筒氣舉清理法

李永升1，王 欣2

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

本文以某集裝箱碼頭樁基工程為例，通過樁基工程鋼護(hù)筒清砂工藝的方案選擇過程，采用“氣舉法”進(jìn)行護(hù)筒的清泥砂工藝，該工藝具有投入小，效率高，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，為打樁施工的順利實(shí)施提供了保障。

高樁碼頭；氣舉法；護(hù)筒

引 言

港口水工項(xiàng)目采用陸上打樁施工，樁基工程的施工進(jìn)度直接決定了碼頭總工期，為保證樁基的進(jìn)行速度，直樁打設(shè)由于鋼管樁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為避免振動(dòng)錘直接起吊立樁時(shí)，連接鋼管樁與振動(dòng)錘的單側(cè)鋼絲繩受剪發(fā)生破壞，需在直樁區(qū)域打設(shè)護(hù)筒先進(jìn)行立樁后振動(dòng)錘進(jìn)行拿樁?？刹捎谩皻馀e法”將護(hù)筒內(nèi)泥沙沖起，利用大氣壓差將泥沙等排至樁外的工藝，操作簡(jiǎn)便，效率高，為打樁施工的安全、順利實(shí)施提供了保障。

1 工程概述

示例工程碼頭結(jié)構(gòu)形式為梁板式高樁碼頭，碼頭全長(zhǎng)320 m，寬48 m，碼頭樁基為φ700 mm、φ800 mm和φ900 mm三種規(guī)格的鋼管樁，最大樁長(zhǎng)為45 m，總數(shù)626根，其中斜樁為152根，直樁474根，斜樁采用150T履帶吊配導(dǎo)向架吊沖擊錘直接打設(shè)工藝，直樁采取吊打工藝。

樁基工程為碼頭工程的第一步，其施工進(jìn)度直接決定了碼頭整體的施工進(jìn)度，直樁打設(shè)由于鋼管樁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，打設(shè)時(shí)，為避免出現(xiàn)振動(dòng)錘夾樁直接起吊立樁，起吊角度過大，振動(dòng)錘夾具受力過大，與鋼管樁接觸面發(fā)生滑移，導(dǎo)致連接鋼管樁與振動(dòng)錘的單側(cè)鋼絲繩受剪發(fā)生破壞的情況［1］，需要在周邊非樁位位置采用先打設(shè)臨時(shí)護(hù)筒，再將護(hù)筒內(nèi)泥沙清理后在樁內(nèi)立樁的方式，以便于使用振動(dòng)錘夾樁后進(jìn)行插樁。通過計(jì)算，最大樁徑900 mm的鋼管樁插入護(hù)筒內(nèi)7 m時(shí)，即可滿足穩(wěn)定性要求，即鋼管樁立樁后不可能傾覆。因?yàn)槿绾吻謇碜o(hù)筒內(nèi)超過7 m深度的泥沙以滿足立樁條件，是制約直樁打樁安全、按期完工的關(guān)鍵。

2 清孔方案比選

2.1 鉆孔清孔法

由于護(hù)筒內(nèi)土質(zhì)為泥沙，從鉆孔資料反映的物理力學(xué)指標(biāo)看，強(qiáng)度較低，比較松散。可以使用回旋鉆或者旋挖鉆等設(shè)備，先將護(hù)筒內(nèi)的泥沙鉸碎，然后通過泥漿循環(huán)的方式進(jìn)行清孔，此方案需調(diào)遣各種設(shè)備，投入費(fèi)用大，施工較為復(fù)雜，施工時(shí)間長(zhǎng)，且循環(huán)清孔不容易達(dá)到海外工程的環(huán)保要求。

2.2 氣舉清理法

使用離心泵、空壓機(jī)等小型設(shè)備，將護(hù)筒內(nèi)土質(zhì)沖起，利用大氣壓差將泥沙等排至樁外。采用“氣舉法”進(jìn)行護(hù)筒的清泥砂工藝，該工藝具有投入小，效率高，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

通過比選，確定采用氣舉法進(jìn)行樁內(nèi)清孔施工。

3 技術(shù)原理及性能指標(biāo)

通過空壓機(jī)排氣來(lái)降低出氣孔的風(fēng)壓，通過水的壓力使管口形成井噴的方法（見圖1）。離心泵抽取海水通過沖水管引入莊內(nèi)形成高壓射流，將泥砂沖起，同時(shí)補(bǔ)充樁內(nèi)海水，保持水位差?？諌簷C(jī)供氣孔通過軟管連接高壓鋼管進(jìn)入排砂管下口附近，在管內(nèi)和管外形成強(qiáng)大氣壓差，泥砂順管被沖出樁外［2］。

圖1　氣舉法施工示意

3.1 驗(yàn)算依據(jù)［3］

吸砂設(shè)備匹配合理性驗(yàn)算取臨界值：管內(nèi)外壓力平衡時(shí)存在如下關(guān)系：

式中：ρ混為正常吸砂過程中排砂管內(nèi)混合物密度；hf為沿程水頭損失；hb為彎頭局部水頭損失。

式中：m混為混合物質(zhì)量；v混為混合物獲得的平均速度。

3.2 驗(yàn)算過程

1）混合物的平均流速

式中：V混為每分鐘排出混合物的流量。

經(jīng)施工分析，吸砂過程中，設(shè)備排出的混合物流量為 1.2 m3/min。排砂管直徑為 125 mm，r=0.062 5 m，則混合物的平均流速為：v混=1.2/（3.14×0.125×0.125×60）=0.41 m/s。

2）混合物密度ρ混

式中：泥漿密度取ρ砂=2 g/cm3；海水密度為ρ海水=1.03 g/cm3；離心泵流量為 70 m3/h；v海水=70/60=1.17 m3/min；V砂=V混-V海水=1.2-1.17=0.03 m3/min。

空壓機(jī)供氣系數(shù)取 0.8，帶入（4）式中，得ρ混=0.15 g/cm3。

3）求沿程水頭損失hf

管斷面為圓形，用公式：

式中：hf為沿程水頭損失，f為圓管摩阻系數(shù)，f=8gn2/R1/3，R1為水力半徑，R=D/4，n為糙率系數(shù)，查表取0.014；D為圓管直徑，取125 mm；L為沿程長(zhǎng)度，取L=10 m。

把以上數(shù)值帶入（5）中，求得 hf=0.033 m。

4）求彎頭局部水頭損失hb

式中：fb1、fb2為損失系數(shù)，fb1查表取0.32，彎管角度θ=90o時(shí)，fb2=1。

把相關(guān)數(shù)值帶入式（6）得 hb=0.003 m，故hf+hb=0.036 m。

把h0和hf+hb帶入壓力平衡公式得：

因此，h水位差=0.15（10+0.036）/1.03=1.46 m。

在一臺(tái)9 m3空壓機(jī)供氣、1臺(tái)70 m3/h離心泵供水情況下，當(dāng)樁內(nèi)水位高差大于1.46 m時(shí)，抽砂高度可達(dá)到10 m，可以滿足超過7 m深度要求。

4 工藝流程及操作要點(diǎn)

4.1 主要工藝流程

設(shè)備準(zhǔn)備、護(hù)筒加工→護(hù)筒打設(shè)→清孔→立樁及插樁→鋼管樁打設(shè)施工→護(hù)筒拆除。

4.2 操作要點(diǎn)

1）護(hù)筒打設(shè)

根據(jù)整個(gè)碼頭的所有樁位的平面位置，需在樁位周邊不同位置打設(shè)共 30次臨時(shí)護(hù)筒（見圖2），然后進(jìn)行清孔，以滿足所有直樁立樁要求。使用振動(dòng)錘進(jìn)行護(hù)筒打設(shè)，將10 m長(zhǎng)鋼護(hù)筒直接打設(shè)至少7 m深度。

圖2　臨時(shí)護(hù)筒位置布置

2）清孔作業(yè)

安裝空壓機(jī)導(dǎo)管及出水管。空壓機(jī)導(dǎo)管伸進(jìn)出水管中，將空壓機(jī)管與出水管綁扎在一起，使用吊機(jī)將出水管送入打好的護(hù)筒內(nèi)，將離心泵管道安裝在導(dǎo)管內(nèi)。使出水管距離底面約30 cm，排泥砂效果最好。

啟動(dòng)離心泵向套筒內(nèi)沖水，啟動(dòng)空壓機(jī)使設(shè)備開始工作，當(dāng)出水管不斷有砂輸出是則說(shuō)明開始工作。出水管隨著砂面的降低同時(shí)降低高度，保證砂能與水一同噴出出水管道。氣舉法現(xiàn)場(chǎng)施工工況（見圖3）。

圖3　氣舉法清孔工作

3）立樁及插樁

護(hù)筒內(nèi)砂清除完成后，100T履帶吊起吊鋼管樁，緩慢下放至護(hù)筒內(nèi)，使鋼管樁處于垂直，并使用導(dǎo)向架上設(shè)置的螺旋螺栓，將鋼管樁固定，此時(shí)解除100 t起吊鋼絲繩，開始起吊振動(dòng)錘，緩慢起吊振動(dòng)錘至鋼管樁頂部，使鋼管樁頂部進(jìn)入夾具，校核垂直度，無(wú)問題后進(jìn)行夾頭加壓，直至鋼管樁垂直穩(wěn)定（見圖4）。

圖4　使用100T履帶吊將鋼管樁插入護(hù)筒內(nèi)

4）鋼管樁打設(shè)

插樁穩(wěn)定后，可進(jìn)行鋼管樁沉樁作業(yè)。直樁采用吊打工藝，150T履帶吊吊液壓沖擊錘進(jìn)行定位壓錘后進(jìn)行錘擊，滿足設(shè)計(jì)要求的停錘標(biāo)準(zhǔn)后完成錘擊作業(yè)［4］。

5）護(hù)筒拆除

當(dāng)周邊直樁全部完成打設(shè)后，可進(jìn)行護(hù)筒拆除。護(hù)筒拆除時(shí)，使用振動(dòng)錘夾住鋼護(hù)筒，慢慢振動(dòng)拔出，完成拆除作業(yè)。

5 實(shí)施效果及應(yīng)注意問題

5.1 實(shí)施效果

1）該項(xiàng)目采用氣舉法完成了整個(gè)項(xiàng)目樁基工程30次臨時(shí)護(hù)筒清孔工作，為所有474根鋼管樁直樁的立樁、插樁以及打樁施工提供了保障，加快了清孔施工進(jìn)度，與回旋鉆、旋挖鉆或人工清理相比，可縮短工期1/5。

2）該項(xiàng)目采用氣舉法進(jìn)行樁基工程護(hù)筒清孔，該方法施工容易，操作簡(jiǎn)單，安全性好。

3）該項(xiàng)目采用氣舉法進(jìn)行樁基工程臨時(shí)護(hù)筒清孔，共完成30次清孔工作，該施工方法投入小，效率高，與使用回旋鉆或旋挖鉆等大型設(shè)備清孔相比，節(jié)約費(fèi)用約10萬(wàn)美元。

5.2 施工中需注意的問題

1）高壓進(jìn)氣管在最端部最好不使用開口供氣，改為多個(gè)透氣孔，以免護(hù)筒內(nèi)的珊瑚等固狀塊體落入管口，將管口封堵，改為氣孔后，供氣孔被堵的幾率降低，但偶爾也會(huì)被泥漿顆粒堵住，堵住后，需吊離出護(hù)筒進(jìn)行清理。

2）出水管為鐵管，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在吊入吊出時(shí)護(hù)筒時(shí)需注意避免發(fā)生磕碰，以免造成出水管變形，影響排泥沙效率。

3）清孔完成后，需及時(shí)清理出水管內(nèi)壁附著物，防止淤泥干硬后影響下次清孔效率，其他設(shè)備需及時(shí)維護(hù)到位，以便下次使用。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過某集裝箱碼頭的打樁施工實(shí)踐，驗(yàn)證了氣舉法施工清孔工藝在打樁工藝實(shí)施中的有效作用，在沒有投入大量設(shè)備的情況下完成了護(hù)筒清孔工作，為所有直樁的立樁、插樁、沉樁施工提供了保障，節(jié)約了施工成本，且大大提高了施工效率，保證了項(xiàng)目按期履約，工程質(zhì)量得到了業(yè)主和監(jiān)理的一致認(rèn)可。

經(jīng)過綜合比較，采用“氣舉法”進(jìn)行護(hù)筒的清泥砂工藝更具有優(yōu)勢(shì)，該工藝具有投入小，效率高，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，相對(duì)于人工清理，更具有安全性；相對(duì)于回旋鉆、旋挖鉆清理，更具有操作性，為打樁施工的順利實(shí)施提供了保障。使用“氣舉法”進(jìn)行護(hù)筒的清泥砂工藝是完全可行的，今后可以廣泛應(yīng)用到高樁碼頭及其他類似工程樁基施工領(lǐng)域。

［1]交通部第一航務(wù)工程局. 港口工程施工手冊(cè)［M］. 北京: 人民交通出版社， 1994.

［2]唐研， 蘇桂全， 楊建嶺. 氣舉法在曹妃甸礦石碼頭大直徑超深鋼管樁清除樁心土中的應(yīng)用［J］. 中國(guó)港灣建設(shè)， 2006（02）: 53-56.

［3]朱明有. 空壓機(jī)反吸泥法在洋山深水港工程中的應(yīng)用［J］. 水運(yùn)工程， 2003（11）: 28-32.

［4]JTS167-4-2012 港口工程樁基規(guī)范［S］.

Air-Lift Method for Casing Interior Cleaning During Pile Construction

Li Yongsheng1，Wang Xin2
（1.No.2 Engineering Co.， Ltd. of CCCC First Harbor Engineering Co.， Ltd.， Qingdao Shandong 266071， China；2.CCCC First Harbor Engineering Co.， Ltd.， Tianjin 300461， China）

The “gas lift disposal method” is determined for clearing silt in casing during the method selection process in the container terminal project. The method has a small investment， high efficiency， easy to operate features for the smooth implementation of piling construction and to provide a guarantee for smooth construction progress.

high pile wharf； gas lift method； casings

U655.4

A

1004-9592（2016）03-0067-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160317

2016-04-07

李永升（1983-），男，工程師，主要從事港口碼頭、內(nèi)河船閘、公路橋梁建設(shè)等工作。