淺談振動錘插打大直徑鋼護筒的施工及應用

譚大勇

摘要： 主要介紹振動錘插打大直徑鋼管樁在青山長江大橋工程中的施工及應用實例。為解決吹填筑島鉆孔樁鋼護筒施工問題提供簡單的施工方案。

Abstract： This paper mainly introduces the construction and application of vibrating hammer to play large diameter steel pipe pile in Qingshan Yangtze River Bridge project， which provides a simple construction scheme to solve the problem of the construction of the blowing filled bored pile steel pile casing.

關鍵詞： 振動錘；大直徑鋼護筒；應用

Key words： vibration hammer；large diameter steel casing；application

中圖分類號：U443.15 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0144-02

0 引言

隨著我國橋梁向大跨度建設發展，橋梁基礎大多采用大直徑鉆孔樁，如何解決橋梁基礎大直徑鉆孔樁鋼護筒施工擺在我們面前。青山長江大橋工程主橋鉆孔樁鋼護筒施工中利用偏心力矩可調免共振電驅振動錘插打3m直徑鋼護筒，較好地解決了此問題。

1 工程概況

青山長江大橋為武漢市四環線跨越長江通道，全長7.548km，其中主橋長1.638km，主橋橋式布置為（350+938+350）m鋼箱及鋼箱結合梁斜拉橋，采用雙塔雙索面全漂浮體系。主橋19#主墩基礎采用先利用長江枯水期吹填筑島施工鉆孔樁再插打鎖口鋼管樁圍堰施工承臺的方案，基礎為60根Φ2.5m鉆孔樁，摩擦樁，梅花形行列式布置，樁長90m，上部40m采用Φ3.0m鋼護筒。

2 工程地質水文簡況

根據鉆孔資料及現場調查，場區覆蓋層主要為第四系全新統及上更新統砂土地層，基巖為白堊-第三系軟質的泥質砂巖、砂質泥巖、弱～微膠結砂巖。19#墩墩位處自上而下地層分布為粉細砂層、圓礫層、泥質粉砂巖與微弱膠結砂巖，具體如圖1。

橋址區地表水主要為長江水，水位主要受季節性影響，橋址區地下水可分為三層：第一層地下水為上層滯水，不具有統一水位，水量很小，枯季一般不含水；第二層地下水為孔隙潛水，賦存在砂類土及圓礫層中，水量豐富，該層地下水的排泄、補給主要受長江江水控制，其水位變化與長江水位變化同步，即隨著長江水位漲落而變化。第三層地下水為賦存在下伏基巖中的裂隙水，受裂隙節理、裂隙發育程度控制，水量小。

3 振動錘技術要求與施工

3.1 振動錘施工原理及參數說明

3.1.1 振動錘施工原理

振動錘插打鋼護筒就是利用振動沉管的原理，當振動錘接通電源時，其設備體內偏心重輪高速運轉產生高頻振動和激振力，高頻振動力通過液壓鉗傳遞到鋼管上，再通過鋼管作用到接觸地層，地層在擠壓、振動力的作用下液化，產生接觸面，振動錘通過液壓鉗夾持著鋼管沿著接觸面沉入地層，直至將鋼管沉入至設計承載深度。

3.1.2 振動錘參數說明

振動錘主要參數有偏心力矩、激振力F、激振頻率。

①偏心力矩M的確定。振動錘偏心力矩越大克服硬質土層的能力越強，當已知振幅和參振總重量Q（樁體重量和振動錘重量）時，可以計算偏心力矩：M=Q*A（kW）

②激振力F的確定。激振力F是反映振動錘綜合能力的參數，激振力F必須大于樁與土壤之間的靜摩擦力f，在沉樁過程匯總會在激振力作用下急劇下降。有振動作用時樁與土壤之間的摩擦力用f′表示：F≥f′=μf，式中μ為振動作用時摩擦力的降低系數，主要受振動加速度大小的支配。試驗表明，振動加速度超過10倍的重力加速度時，μ的變化非常微小，及f′趨于定值。

③激振力F的確定。激振頻率ω的確定。振動錘的激振頻率與振動系統的固有頻率密切相關，當激振頻率接近振動系數的固有頻率時振動沉樁大道最大效果。而振動系統的固有頻率不僅和振動錘參數有關，還與土壤的參數有關，不同地層土壤的自振頻率有著很大的差別。不同地層類型最佳頻率如下：

地層類型 最佳頻率ω/s

含飽和水的砂土 100～200

塑性粘土及含砂粘土 90～100

堅實粘土 70～75

含礫石粘土 60～70

含砂的礫石土 50～60

試驗表明，其他參數一定的情況下，增大振動頻率可以使得飽和砂土的液化加速，土壤阻力相應快速減少ω比起提高振幅更能有效提高樁的運動加速度，從而沉樁效率得以顯著提高。

3.2 振動錘技術要求計算

主橋19#主墩基礎為60根90m長Φ2.5m鉆孔樁，摩擦樁，梅花形行列式布置，上部采用Φ3.0m鋼護筒，護筒壁厚20mm，樁長40m，樁重60t，通過試驗知道樁尖的地質最高貫入擊數N值為50，則振動錘技術指標至少滿足以下：

①振幅A0

A0=■+0.3=0.7cm

②偏心力矩K

■=■=223.95

則K=50151≈50200（kg.cm）=502（kg*m）

③打樁錘重量QH

QH≥52■=11645kg=11.7t

④激振力P0

根據振動下沉鋼管樁經驗估算P0≥πD*L*t

式中：D——鋼管樁外直徑（m）；L——鋼管樁長度（m）；t——根據經驗，鋼管樁外表面積與土接觸部分動摩擦力每平米為10kN，即t取10kN/m2。

則P0≥3768kN=376.8t

3.3 振動錘插打管樁施工

3.3.1 設備選型配套

根據以上施工方案對振動錘的技術要求，該工程采用了EP800偏心力矩可調免共振電驅振動錘，該振動錘主要技術參數為：①電機功率P0=600kW；②靜偏心力矩K=0-560kg*m>502（kg*m），滿足要求；③振動頻率n=780r/min；④激振力F0=0-380t>376.8t；⑤空載振幅：A0=0-15.9mm>7mm，滿足要求；⑥參振質量m=45t>11.7t，滿足要求。

其他選型配套設備有：①500t履帶起重機；②500kW柴油發電機；③電液控制箱；④運輸船；⑤Φ3.0m鋼護筒，壁厚20mm；⑥測量儀器。

3.3.2 偏心力矩可調免共振電驅EP800振動錘特點

①實現在無偏心力矩條件下啟動，解決了目前大量使用的振動錘帶偏心力矩啟動而需要大容量電源的問題；②實現“零”啟動、“零”停機，克服了帶偏心力矩啟動和停機時產生的共振，防止了由共振產生的噪音和對其它設備零部件產生破壞現象的發生；③可以在機器運行過程中方便自如地調節偏心力矩，以適應不同的土層的沉拔樁要求，從而達到理想的沉拔樁速度和效率；④大型振動樁錘激振器采用臥式結構，整機重心低，穩定性好，配以橫梁式減振系統，使整機高度大為減小。

3.3.3 施工過程

①定樁位。用定位架準確確定樁位。

②吊樁、喂樁、夾樁。1）吊機吊起振動錘移動至水平放置在地面上的鋼管樁的一端處，用兩條鋼絲繩兩端分別用卸扣連接夾具兩端吊環和鋼管樁一端處的吊環；2）使鋼管樁一端至地，另一端隨振動錘上升而上升，直至垂直立起；3）稍下放振動錘，使鋼管喂進夾具夾口里；4）調整垂直度，夾緊夾具；5）吊機吊起振動錘，振動錘夾住鋼管移動在樁位上方。稍下放，使鋼管下端放在定位架里，再稍下移，利用重力使鋼管樁自沉在地里。稍松開夾具再重新夾緊，再次調整垂直度。

③振動下樁。1）開啟振動錘（偏心力矩調為零），待振動錘正常振動后逐漸增大偏心力矩；2）先使振動錘以20%-30%的偏心力矩振動；3）保持吊機上為60T-80T，緩慢釋放吊機主鉤，鋼管開始振動下沉，下沉約5m，檢查、調整垂直度；4）增大偏心力矩，使振動錘以50%的最大偏心力矩振動，同時再保持吊機上的吊力40T-50T的情況下逐漸釋放主鉤，使鋼管繼續下沉5m，檢查、調整垂直度；5）增大偏心力矩，使振動錘以80%的最大力矩振動，同時再保持吊機上的吊力20T-30T的情況下逐漸釋放主鉤，使鋼管繼續下沉；6）在鋼管上端口離地約1m時，停止振動錘振動（偏心力矩回為零），直至振動錘停止轉動；7）松開連接振動錘與鋼管的鋼絲繩卸扣，拿掉鋼絲繩，松開夾具，上提振動錘，移開鋼管位置。

④對接焊接鋼管。1）吊機吊著振動錘重復流程2的過程；2）移動振動錘，將夾具夾住第二節鋼管移至沉在地里第一節鋼管的正上方，對齊第一節鋼管上端口與第二節鋼管下端口，并使對接后的兩節鋼管在同意垂直線上；3）焊接對接口；4）焊接完畢，冷卻一小時以上。

⑤振動下樁。1）開啟振動錘（偏心力矩自動為零）待振動錘正常轉動后逐漸增大偏心力矩；2）使振動錘以80%的最大力矩振動，同時在保持吊機上吊力為20～30t逐漸釋放主卷揚，使鋼管繼續下沉5m檢查調整垂直度；3）增大偏心力矩，使振動錘以最大偏心力矩振動下沉鋼管直至鋼管全部下沉入地里，這過程可使吊機吊力為0～20t；4）松開連接振動錘、鋼管的鋼絲繩卸機拿掉鋼絲繩松開夾具夾爪，上提振動錘移開鋼管，完成鋼管下沉。

4 工藝應用效果

經過該工程施工采用偏心力矩可調免共振振動錘插打大直徑鉆孔樁鋼護筒，施工速度快、質量好、安全可靠，利用可調矩振動錘振沉，插打過程簡單而又準確，打入的鋼護筒標準而整齊，垂直達到千分之四以內，達到鉆孔灌注樁一類樁標準。通過偏心力矩可調免共振振動錘的施工，完成了所有鉆孔樁鋼護筒插打，19號主墩僅用了84天時間完成了60根超深、大直徑鉆孔樁施工任務，為后續承臺結構施工贏得了寶貴時間。

5 結束語

采用振動錘插打鋼管樁施工技術在國內大跨度橋梁施工中凸顯了廣闊應用前景，許多工程中利用振動錘插打鎖口鋼管樁圍堰、鉆孔平臺、風電施工等，該工藝不僅廣泛應用在水中基礎施工，在陸地基礎施工中同樣有廣泛用途。

參考文獻：

[1]水谷裕.鋼管樁振動下沉計算[M].日本建設機械調查株式會社，1966.

[2]振動打樁機下沉鋼管樁實用計算方法，二航局，王胤，編譯，1996.

[3] JT254-98，港口工程樁基規范[S].