某橋梁深水基礎施工中鋼護筒變形原因分析及對策

姚帥彪, 商朋朋, 李浩師, 趙 磊

(長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064)

目前在橋梁工程、港口工程中,鉆孔灌注樁的應用十分普遍.由于受橋位處水文地質條件的影響,在深水大跨徑橋梁樁基的施工中[1],上部結構隨跨度增大,自重增加,導致樁徑不斷增大,鋼護筒直徑也越來越大[2].因此需要埋入一定土層深度的較長的大直徑鋼護筒.由于長度大、直徑大的鉆孔樁鋼護筒質量大,容易出現各種原因引起的變形.此類鋼護筒[3]變形原因主要有:鋼護筒的剛度相對不足[4];下沉過程中鋼護筒存在不均衡的內外土壓力[5];當地地質條件比較復雜[6].相對于具體的工程,在施工過程中容易受到自然條件和地質條件影響[7],一旦鋼護筒發生變形,項目成本就會陡然增加.當樁基施工正處在項目的關鍵環節時,如果鋼護筒發生變形,應及時找出鋼護筒變形的原因,并針對變形原因做出妥善處理;如果處理不當,不僅會影響整個墩的樁基礎施工,延誤工期,甚者會出現重大的質量事故[1].因此有必要對出現變形的鋼護筒進行具體分析.本文以某渡改橋實際工程為例,對鉆孔灌注樁鋼護筒在水中部分變形的原因進行詳細分析,以此指導今后施工.

1 工程概況

本工程跨越長江支流,由于河流較寬,采用三跨斜拉橋[8],見圖1.三跨斜拉橋全長651 m,主橋為(45+100+320+100+45) m雙主塔雙索面混凝土梁斜拉橋,引橋為30 m跨徑預應力混凝土現澆箱梁;采用群樁基礎,主塔墩各鉆孔樁包括11根主樁,主樁為端承樁設計,樁徑2.8 m,樁長63 m.其中③-2#樁基設計樁頂標高143.27 m,設計樁底標高80.27 m.

圖1 雙索面混凝土梁斜拉橋(跨度單位:cm,高程單位:m)Fig.1 Double cable plane concrete beam cable-stayed bridge(span unit:cm,altitude unit:m)

③-2#墩整體地質情況分為3層:第1層為2.4 m的覆蓋層,主要為碎石土,成分為泥質粉砂巖;第2層為6 m的強風化巖層,主要為強風化的泥質粉砂巖,裂隙極其發育,巖芯多為碎塊狀;第3層約為43.4 m為中風化巖層,主要為中風化泥質粉砂巖夾細砂巖,巖體中裂隙較發育,裂隙角度較陡,巖體較破碎.

2 鋼護筒制作施工及變形情況

2.1 鋼護筒的制作

鋼護筒采用Q235B鋼材,鋼板之間采用焊接連接使其連接成一個整體[9].鋼護筒在工廠分節制造,采用長線法用螺旋板卷制,對每節鋼護筒編號,并在每2節鋼護筒接頭處設置臨時螺栓匹配件,進行試拼裝.最后運輸至墩位處接長.

為保證鋼護筒在運輸過程中不變形,在每節鋼護筒兩端安裝2道十字形內支撐.護筒頂口內支撐的位置對應安裝鋼護筒打梢裝置,兼做鋼護筒起吊吊點.此外,在底節鋼護筒底口增加加勁環箍鋼板,增加鋼護筒剛度,防止鋼護筒在插打時發生卷邊現象.

③-2#樁基鋼護筒從下往上分6節,5道焊縫.第1道焊縫位于深度46.25 m,標高130.67 m處;第2道焊縫位于深度35.25 m,標高141.67 m處;第3道焊縫位于深度25.25 m,標高151.67 m處;第4道焊縫位于深度13.50 m,標高163.67 m處;第5道焊縫位于深度10.15 m,標高166.77 m處.節長分別為11.00、11.00、10.00、12.00、3.10、10.15 m.

2.2 鋼護筒施工

由于鉆孔平面將作為吊箱圍堰底龍骨進行下放,為此需嚴格控制鋼護筒插打垂直度.根據實際垂直度要求進行鋼護筒插打導向架設計,測量人員在導向架安裝、鋼護筒插打過程中利用全站儀對導向架垂直度、鋼護筒插打垂直度及在插打過程中的平臺平面位置等進行全程監控,確保鋼護筒施工質量.

(1) 導向架制作安裝.鉆孔平臺精確定位后,放樣角樁樁位中心線,安裝鋼立柱定位導向架,測量人員嚴格檢查導向架平面位置偏差.導向架與型鋼骨架連接牢固.

(2) 鋼護筒插打.鋼護筒插打采用APE400型液壓振動打樁錘.根據U型河谷特點,為避免在插打過程中,護筒底口在斜坡面上產生的水平分力對平臺平面位置造成影響,施工時,先插打靠岸側2根輔助樁鋼護筒,再插打河中側2根鋼護筒,將平臺在橋軸線反向做好限位,以利鋼護筒平面精確定位,再施工剩余鋼護筒.

鋼護筒插打前,在右岸岸邊類似地層進行工藝試驗,以確定振動錘施工工藝參數選擇.鋼護筒插打時,運輸船裝載鋼管停靠在拼裝船處,浮吊的主鉤吊住鋼管柱上口、副鉤吊住下口,同時提升使其懸空,然后主鉤繼續提升,直至鋼管柱垂直,最后松脫副鉤.

吊運鋼護筒從定位架導向孔插入后緩慢下放.整根鋼管柱長度較長,需要邊吊裝邊分段接長.鋼護筒接長時,先將已插入的節段利用打梢裝置吊掛在平臺上,然后將接長段起吊對位焊接.對接時控制好鋼管立柱垂直度,接頭采用開坡口熔透焊接,接頭處利用12塊鋼板補強.鋼管柱對接完成后,浮吊配合進行下放,直至鋼管柱下端進入河床不沉為止.

鋼護筒進入河床后,用浮吊主鉤吊起APE400液壓振動錘到樁頭,用錘夾夾緊樁壁.為了防止對鋼管柱變形的破壞,在夾緊器范圍對鋼管柱頭安裝加強裝置.啟動振動錘沉樁,插打鋼管柱,直至達到設計深度,記錄下此時鋼管柱長度并計算柱底標高.插打過程中要同步松長吊機的起重繩,控制錘身與樁身保持垂直狀態,鋼管柱要求垂直度≤0.35%,且偏移量≤15 mm,護筒平面位置偏差不超過20 mm.

移開振動錘,安裝吸泥機,將鋼管柱底河床覆蓋層從管內吸出,再安裝沖擊鉆機鉆孔施工.

2.3 鋼護筒變形情況

在③-2#主墩樁基孔鉆進到位后開始清孔,1 h 后準備測量孔深時,現場出現異響.現場人員隨即對鋼護筒探測,發現③-2#鋼護筒發生變形,其余鋼護筒并未變形.③-2#鋼護筒變形情況如圖2所示.

圖2 鋼護筒變形情況Fig.2 The deformation status of steel casing

經過分析可知,鋼護筒連接處焊縫未撕裂,僅發生變形,變形情況如下.

(1) 水下6 m(即標高163.92 m)處變形嚴重.

(2) 水深約28 m(即標高141.92 m)處變形逐漸還原.

(3) 水深約37 m(即標高131.92 m)處變形還原,護筒無破裂.

鋼護筒變形情況以及清理平臺后對樁基使用檢孔器進行檢孔,結果如圖3所示.

圖3 成孔質量報告和變形情況Fig.3 The quality report of pore-forming and deformation condition

根據圖3可知,在護筒頂口向下69～74 m(標高為107.92～102.92 m)、79～83 m(標高為97.92～93.92 m)處存在局部塌孔現象.護筒變形較大區域在護筒頂口向下36 m左右,河床面上10 m范圍護筒變形很小或沒有變形.③-2#護筒的最大埋深9.2 m,最小埋深6.5 m.疑似鉆機錘頭位置在護筒頂下30～32 m(標高為146.92～144.92 m)處,與現場量測鉆機鋼絲繩長度驗算錘頭位置基本一致,可確定錘頭位于護筒頂下(30±1) m位置,即鉆機錘頭在鋼護筒內.由于鋼護筒變形較大,錘頭被卡住,上下移動困難.

3 鋼護筒變形分析

3.1 初步分析

綜合考慮多種情況,鋼護筒出現變形的原因主要有以下幾個方面.

(1) 鋼護筒制作精度導致鋼護筒出現變形.大量的工程實踐表明,鋼護筒的不圓度對鋼護筒的受力影響較大.沒有經過加工的鋼護筒其臨界應力只有計算值的15%～60%.在插打過程中,鋼護筒的不圓度逐漸增大,鋼護筒出現變形的風險逐漸增大.

(2) 鋼護筒受環向應力較大,導致鋼護筒變形.在施工過程中,鋼護筒底部軸向應力較小,而環向應力較大.在鋼護筒下沉過程中,內側土體較少,一般為泥漿,大部分土體被擠出鋼護筒外,由此形成較大的壓力差.當出現的環向應力大于鋼護筒非彈性屈曲環向臨界應力值時,鋼護筒會發生變形.

(3) 鋼護筒承受較大的豎向應力導致鋼護筒變形.在清孔過程中,孔內發生塌孔,鋼護筒承受向下的作用力,在焊縫處發生撕裂,進而使鋼護筒承受集中力,導致護筒出現變形.

(1)、(2)兩個原因一般會導致鋼護筒底部出現變形,而本工程鋼護筒變形發生在水中.結合成孔檢測儀對孔道的整體掃描結果,鋼護筒變形情況初步判斷如下:孔內局部坍塌對周圍巖層產生擾動,影響了護筒與巖層摩阻力,使護筒內應力相應增大,在護筒焊縫薄弱處撕裂,進而使護筒瞬間變形.

3.2 有限元分析

本文采用midas FEA對鋼護筒進行有限元建模分析.樁基鋼為Q235B鋼材,規格為直徑3 140 mm,鋼板厚度20 mm,護筒長度57.25 m.采用殼單元模擬護筒.計算工況如表1所示.

表1 建模工況Table 1 The modeling condition

(1) 工況1作用下的有限元分析分析結果如圖4所示.

圖4鋼護筒承受自重載荷計算結果圖

Fig.4 The calculation result diagram of steel casing bearing deadweight load

由圖4可知,在護筒吊耳處取得最大位移,最大位移為44.8 mm.

(2) 工況2作用下的有限元分析結果如圖5所示.

由圖5可知,撕裂點作用在吊耳下方時,吊耳附近的最大位移為53.9 mm;撕裂點在垂直于吊耳的連線的下方時,吊耳附近位移約84.6 mm,護筒口傾斜,垂直吊耳連線方向上最大位移約465.7 mm.

(3) 工況3作用下的有限元分析分析結果如圖6所示.

由圖6可知,撕裂點作用在吊耳下方時,吊耳附近的最大位移為43.5 mm;撕裂點在垂直于吊耳的連線的下方時,吊耳附件的位移約195.0 mm,護筒口傾斜.所以垂直吊耳連線方向上的最大位移約1 075.2 mm.

圖5 鋼護筒第1道焊縫撕裂圖

(4) 工況4作用下的有限元分析分析結果如圖7所示.

由圖7可知,撕裂點作用在吊耳下方時,吊耳附近的最大位移為309.0 mm;撕裂點在垂直于吊耳的連線的下方時,吊耳附近的位移約354.0 mm,護筒可能發現較大變形.所以垂直吊耳連線方向上的最大位移約1 946.0 mm.

圖6 鋼護筒第2道焊縫撕裂圖

圖7 鋼護筒第3道焊縫撕裂圖

通過4個工況的分析比較可知:在工況2的作用下,鋼護筒第2道焊縫撕裂,撕裂點垂直于吊點下方;在工況3的作用下,護筒第3道焊縫撕裂,撕裂點垂直于吊點下方,所產生的變形與現場實際護筒產生的變形最為接近.由此判斷,護筒可能在第2道焊縫或第3道焊縫處撕裂.

4 變形鋼護筒處理對策

4.1 處理方案的選用

根據③-2#墩實際情況,處理變形鋼護筒方案有以下2種.

(1) 拔除變形鋼護筒,重新插打鋼護筒.其優點是減少水下處理的工作量,操作簡單,不留后患.缺點是自重-浮力+側摩阻力=673 t,整體拔出難度大,拔出后插打無法完全切入原插打孔位,鉆孔時錘頭受力不均,鉆孔難度大.

(2) 切除變形鋼護筒,部分更換新鋼護筒.其優點是不影響已成孔孔位,只需清孔即可.缺點是:受底龍骨空間限制,如切割后護筒仍有變形,將大護筒套上難度大;③-2#樁基鋼護筒作為圍堰封底的主要受力點,必須確保對接質量,難度大.

考慮到鋼護筒整體拔出難度極大,因此采取方案(2)切除變形鋼護筒,部分更換新鋼護筒.

4.2 施工設備

處理變形鋼護筒需要直流電焊機、潛水電話、水下割鉗、切割電焊條、氧氣瓶、潛水用品等設備.

4.3 處理流程

③-2#樁基護筒處理根據水位下落情況可與圍堰施工同步進行,事先做好孔內回填等預處理措施.在做好③-2#樁基護筒的保護措施的前提下,率先完成③#墩剩余2根鉆孔樁施工,采取水下切割變形鋼護筒,重新對接新制鋼護筒完成沖擊成孔.變形鋼護筒處理流程如下.

(1) 剩余樁基施工:剩余樁基③-9#、③-8#樁基繼續施工完成.

(2) 固定鉆頭、切割鋼護筒.將鉆機鋼絲繩收緊,使鉆頭由鋼絲繩受力,防止切割護筒后鉆頭突然受力下落.在變形護筒頂部焊接4個掛樁并在護筒上焊接4個吊點,割除原已變形掛樁,使護筒處于自由狀態.利用150 t浮吊吊鉤下掛設4根φ32鋼絲繩,吊掛在鋼護筒吊點上,收緊,保持鋼絲繩處于繃直狀態,潛水員下潛至標高131.92 m處,將鋼護筒在此處橫向切割,切割完成后150 t浮吊將切割下來的鋼護筒吊出,鉆機鋼絲繩同步收緊,將鉆頭提出.

(3) 水下對接變徑鋼護筒.在工廠加工變徑鋼護筒,變徑鋼護筒上面直徑為3 100 mm,段長45 m,下面直徑為3 400 mm,段長6 m,最下部設置導向裝置,方便鋼護筒對接.將工廠加工的變徑鋼護筒運至施工現場,檢查驗收合格后,分段對接下放,變徑段作為最底節,底部下放至標高131.92 m處時,潛水員下水查看對接情況.根據潛水員查看的對接情況,調整鋼護筒平面位置,使新制鋼護筒能順利套上預留的原鋼護筒,套進原鋼護筒后,鋼護筒繼續下放,將新制鋼護筒落至河床面上,新制鋼護筒的重量由河床面承擔.

(4) 鋼護筒夾縫內注漿.鋼護筒位置調整后,頂口焊接限位并與平臺焊接固定,在新舊鋼護筒夾縫內拋填粒徑為5～10 mm的碎石,直至填充至變徑處,碎石填充完成后,通過預先安裝的注漿管進行注漿,并制作試件.

(5) 清孔、澆筑等強度混凝土.注漿完成之后,等待混凝土強度達到設計強度后,進行③-2#樁基的后續施工.

4.4 注意事項

(1) 加強潛水摸排工作,確定鋼護筒未變形處的位置,確保割除后新制鋼護筒能順利套入原護筒.

(2) 加強工廠加工變徑鋼護筒質量控制,確保鋼護筒加工精度.

(3) 加強導向裝置、注漿管安裝質量控制,以免對鋼護筒的對接及注漿工作造成影響.

(4) 加強注漿質量控制,③-2#樁基鋼護筒作為圍堰封底的重要支撐體系的一部分,確保其結構受力.

(5) 加強鋼護筒姿態調整,確保后期圍堰能順利下放.

5 結 論

根據模型計算及現場實測分析認為,樁基鋼護筒變形多數是由于塌孔造成的.其中明顯的細節為施工單位并未持續進行施工,中間存在一段時間的空白期,存在塌孔變化不可控因素,并且由于塌孔造成鋼護筒受力變化,導致土體對鋼護筒產生向下的作用力,使鋼護筒焊接薄弱處產生撕裂,使撕裂上部鋼護筒受向下的集中力的作用,從而產生變形.

通過以下5個步驟可以有效解決鋼護筒變形問題:①固定鉆頭,切割鋼護筒;②提出鉆頭及變形鋼護筒;③水下對接變徑鋼護筒;④鋼護筒夾縫內注漿;⑤清孔、澆筑等強度混凝土.實踐證明,水下電氣法切割鋼護筒投入少,設備簡單,操作可行.此外應連續施工,避免間斷施工,以減少施工中發生鋼護筒變形的不確定因素.