淺析臨近既有運營高速超大直徑超長鋼護筒插打施工技術研究

陳建偉,馬賢尚

摘 要：我國大型復雜橋梁結構形式越來越多，結構新穎，下部結構基礎往往采用大直徑鉆孔樁設計，鉆孔施工過程中采用超大直徑超長鋼護筒。鋼護筒插打設備選型復雜、平面精度控制及垂直精度控制要求高、施工難度大。本文通過對牛屯河特大橋主橋φ3.8 m樁基大直徑鋼護筒的加工、插打設備選型及施工工藝的介紹，總結出大直徑鋼護筒插打施工及質量控制要點，項目的成功實施為類似工程施工提供參考。

關鍵詞：超大直徑鋼護筒加工;運輸;鋼護筒插打、質量控制

1 工程概況

牛屯河大橋左岸位于馬鞍山市含山縣銅閘鎮，右岸位于蕪湖市鳩江區。改擴建方案為舊橋拆除重建、右側分離增建，左、右幅橋跨布置為：3.5 m（橋臺）+（10×30）（鋼板組合連續梁）+（70+3×125+70）m（變截面鋼箱組合連續梁）+（14×30）（鋼板組合連續梁）+3.5 m（橋臺），橋梁全長1 235 m。分離式斷面，單幅橋面全寬20.75 m。主橋共有樁基24根，均按照摩擦樁設計，其中11#墩～14#墩為主墩，共有樁基16根，采用φ3.8 m的大直徑C30水下混凝土鉆孔灌注樁，樁長為80 m，鋼護筒直徑φ4.1 m，單樁永久鋼護筒重量為89.46 t，單樁混凝土灌注方量為907.3 m3;10#墩和15#墩為過渡墩，共有樁基8根，采用直徑3 m的大直徑C30水下混凝土鉆孔灌注樁，樁長為42 m，鋼護筒直徑φ3.3 m，單樁永久鋼護筒重量為72.02 t，單樁混凝土灌注方量為296.88 m3。鋼護筒采用兩種壁厚、兩種材料，上部15 m范圍采用Q235C鋼材、壁厚27 mm，下部15 m范圍采用Q345C鋼材、壁厚32 mm，鋼護筒現場加工焊接。

2 鋼護筒加工及運輸

2.1 鋼護筒加工

（1）鋼護筒分兩大節制作，制作時一大節由若干個小節焊接而成。受牛屯河老橋及兩岸防洪堤影響，鋼護筒采用后場集中加工制作，現場焊接成整體。

（2）鋼護筒制作的主要流程：材料定購→下料及切割→接縫處打磨→卷制鋼護筒短節→拼縫開V型坡口→將短節組焊成長節段。

（3）鋼護筒加工采用W11-40×2500高精度三輥自動卷板機和高效率的輔助焊接設備，在卷板機上滾壓2～3圈成型，防止過卷失圓。

（4）鋼護筒由短節拼焊成吊裝節，鋼護筒小節段制作采用直縫法，節段之間采用環焊縫。短節鋼護筒的縱向焊縫錯開布置，間距≥護筒的1/8周長。接長焊縫形式采用單邊V型坡口，上節的坡口角度采用45°～55°，下節不開坡口，在內壁設有內襯套或內襯環，保證鋼護筒接長處內外壁對齊。

（5）為確保鋼護筒與混凝土之間的協作受力，在鋼護筒內壁焊接凸起的剪力環，剪力環采用50×25 mm的扁鋼，與護筒采用雙面貼角焊。

（6）鋼護筒制作驗收通過后，為了便于鋼護筒插打時測量觀察其下沉情況，在鋼護筒上標注刻度標線。刻度標線對稱布置在護筒的兩側，與吊耳垂直，標線刻度顏色需與護筒的外表面顏色對比鮮明，便于觀測讀數。

2.2 鋼護筒吊點的布置

鋼護筒的吊點布置按牛屯河大橋主橋最大鋼護筒重量計算：

（1）牛屯河大橋主橋最大鋼護筒重量達89.46 t，分兩大節制作，單節鋼護筒最大重量達48.53 t，需要對吊點進行專門的設計以滿足吊裝要求。在鋼護筒外周等距離焊接2塊鋼板，采用Q235鋼材，厚30 mm，長300 mm，寬150 mm，并在鋼板上開口其口徑與插銷一致。鋼板與護筒壁采用24 mm×24 mm的直角焊縫。

（2）根據查詢得知T-BW50-2型卸扣的額定荷載為50 t，插銷的直徑為53 mm。則4個卸扣總的額定荷載為200 t，按2倍安全系數考慮，200 t>89.46 t×2=178.92 t，能滿足要求。

（3）根據鋼結構設計手冊得知Q235鋼材24 mm×24 mm的直角焊縫的受剪承載力為26.88 kN/cm。則單個吊點允許承受的受剪承載力為806.4 kN，4個吊點可承受約為322.56 t的力，按2倍安全系數考慮，322.56 t>89.46 t×2=178.92 t，能滿足要求。

（4）為方便鋼護筒的豎立在鋼護筒的底部也設置2個相同的對稱吊點。

2.3 鋼護筒運輸

由于鋼護筒直徑較大，受既有運營高速橋梁凈空影響，鋼護筒由廠區加工成若干個小節，采用平板車運輸至現場，進行拼接成整體。運輸時護筒垂直車廂，用鋼絲繩固定牢靠，防止傾覆。

3 鋼護筒插打設備選擇

3.1 設備選型

所選振動錘需滿足以下三個基本條件，方可沉樁成功：

（1）振動錘的激振力F大于被振構件與土的動側摩阻力Qst。

（2）振動系統的工作振幅A大于振沉到要求深度所需的最小振幅。

（3）振動系統的總質量Q0大于振沉構件的動端阻力R。

3.2 振動錘沉樁可行性驗算

3.2.1 激振力驗算

根據日本經驗公式，振動錘沉樁所需滿足的條件如下：

Fmax≥Qst=μQs

μ=μmin+（1-μmin）e-βη

式中η為振動加速度比。

根據經驗推薦：砂質土：μmin=0.15，淤泥質黏土：μmin=0.06，黏土：μmin=0.13，鋼材的β值為0.52。

根據YZ-400型振動錘技術參數，可計算：

μ=μmin+（1-μmin）e-βη=0.150 8

按照13#墩最長鋼護筒計算動側摩阻力值為：

Qst=系數*周長*（地址土層的長度*對應極限摩擦阻力）

=0.150 8*3.14*4.1*（7*70+8*200+2.5*180+1.1*400+1.4*300+4.6*400+5.4*500）/10=1 541.47 kN

結論：YZ-400型振動錘激振力滿足振動沉樁要求。

3.2.2 振幅驗算

當激振器振幅很小時，不發生沉入，只有當振幅超過某一定值時，方可實現沉樁，這一A0稱為起始振幅。在水下的砂質土壤中，起始振幅達到2 mm可以實現振沉。

工作振幅A=偏心力矩/振動質量

=2 260*103/89.46*104=2.53 mm>A0=2 mm

結論：YZ-400型振動錘工作振幅滿足振動沉樁要求。

3.2.3 動端阻力驗算

振動錘系統的總重量Q0需大于振沉構件的動端阻力R。

鋼護筒外徑4.1 m，端部設置加強抱箍，管體及抱箍厚度為27 mm和32 mm。則護筒端部橫截面積為：

S=π（D2-d2）/4=0.21 m2

動端阻力為：

R=0.150 8*0.21*200=6.33 kN

振動錘系統總質量：

Q0=18.5 t=185 kN>R=6.33 kN

結論：YZ-400型振動錘動端阻力小于振動系統質量，滿足振動沉樁要求。

綜上所述，13#-1樁基鋼護筒長度均為30 m，選用YZ-400型振動錘情況下，可滿足施工需要，將鋼護筒振沉到位。

4 鋼護筒吊裝

鋼護筒吊裝采用自制的吊具兩點起吊，在距離鋼護筒頂口30 cm處對稱開孔作為起吊點，底部放置在施工作業平臺上并固定好。利用翻身架使護筒由平臥轉換成傾斜姿態、最后呈豎直自由狀態，將鋼護筒吊放到指定孔位。

5 鋼護筒插打

5.1 定位導向架安裝

為保證鋼護筒的準確定位及豎直度，采用定位導向架，導向架采用高5 m的鋼桁結構，用工字鋼進行加工制作。

5.2 鋼護筒插打

（1）采用150 t履帶吊起吊鋼護筒，緩緩放入導向架內，上下層導向架必須垂直，確保鋼護筒的垂直度。

（2）護筒著床后檢查平面偏差和傾斜度，如不符合要求，將護筒提起重放。護筒平面位置合格后，安裝振動錘。

（3）振打。

1）通過對樁位處地層分析計算，對于超長、超大直徑鋼護筒沉放，宜選用大激振動振動錘，使激振力易于到達護筒底端。擬選用1臺YZ-400型液壓振動錘并聯使用以滿足要求。

2）自重下沉到位后，啟動打樁機電源開關，以10 s為一振動間隔，每振打10 s，護筒下沉過程中，測量人員通過全站儀全程監測，發現偏位立即通知現場指揮人員糾偏，通過履帶吊大鉤移動來微調，同時觀察貫入度。

3）當第一節鋼護筒打設完畢后，將護筒固定在導向架上，將第二節護筒吊起現場焊接接。當鋼護筒標高與貫入度雙控指標達到設計要求時停止振打，測量并推算鋼管樁底標高，拆除振動錘。

4）第一節鋼護筒打設到位后，吊裝第二節鋼護筒，上下對接采用二氧化碳保護焊，通過定位擋塊（底節），起吊頂節與底節護筒對位進行粗略對接;局部不平整用卡板千斤頂進行精確調整，定型后再正式焊接。對接時在鋼護筒的外壁焊設“鋼楔子”及“碼子”，通過“鋼楔子”和“碼子”的契合提高對接的精度及平整度（點焊固定）。焊接完成后在焊縫外加8塊δ27 mm鋼板加勁。

（4）鋼護筒埋設精度要求：軸線偏位小于±50 mm，傾斜度不超過1%S。

6 保障控制措施

（1）鋼護筒卷制過程中應加強端頭錯邊控制，完成后應對管節外形、相鄰管節的管徑進行驗收。

（2）為減少鋼護筒在運輸及吊裝過程中的局部受損及變形，需在頂口、中間位置和底口吊耳位置設置“米”字撐增加護筒的完整性，確保鋼護筒不變形。

（3）振動的持續時間長短應根據不同機械和不同土質通過試驗決定，一般不宜超過10 min～15 min。

（4）鋼護筒下沉過程中應注意觀察并控制下沉速度，速度過快可能導致鋼護筒傾斜，速度過慢則可能鋼護筒底口遇到障礙物。

（5）鋼護筒焊接時采用纜風繩固定，纜風繩采用直徑不小于φ15.5 mm的鋼絲繩，一端系于于棧橋平臺上，另一端系于地錨。鋼絲繩方向遠離既有線方向設置。

（6）鋼護筒連續插打中途不得暫停，以防止停頓時間過長樁周土層摩阻力恢復造成插打困難。

（7）鋼護筒在打設過程中應注意觀察下沉速度，防止速度過快導致鋼護筒傾斜，過程中對平面位置實時監控。

（8）臨近既有線施工期間，應定期組織安全檢查，將安全隱患消滅在萌芽狀態。

7 結束語

牛屯河特大橋13#-1樁基基鋼護筒（內徑4.1 m，長度30.4 m）插打選用5.0 m導向架，利用全站儀沿互相垂直方向對鋼護筒進行測量定位及復測，有效保證護鋼護筒插打的垂直度，根據牛屯河現有的地形、吊重及地質條件選擇150 t履帶吊、YZ-400型振動錘有效的保證鋼護簡順利插打至設計高程，取得良好的經濟效益，為今后特大樁基施工積累了經驗。

參考文獻：

[1]劉寶河，邊強，袁猛全.振動沉樁錘的選型及應用[J].中國港灣建設，2008（3）：38-41.