深水主航道大直径钢管桩拔除施工技术

汤忠国

（中铁大桥局集团第二工程有限公司，江苏南京210015）

0 引言

深水主航道大直径钢管桩拔除施工实属一项施工技术难题，目前尚无经验可循，计算理论、拔桩工艺、设备选型还属于探索阶段。本文结合沪苏通长江大桥主航道沉井钢锚桩、防撞桩拔除施工，对位于深水主航道大直径钢管桩拔除施工工艺、设备选型及施工方案等进行详细介绍，为深水主航道大直径管桩拔除作业积累经验。

1 工程概况

沪苏通长江大桥主航道桥采用双塔五跨钢桁梁斜拉桥方案，孔跨布置为：（140+462+1092+462+140）=2296m。桥式布置如图1所示。

26#墩～31#墩桥墩基础均采用沉井结构，沉井上部为钢筋混凝土，下部为钢沉井，其中28#墩主墩钢沉井采用工厂整体制造、浮运至墩位的施工方案，钢沉井定位着床采用“大直径钢锚桩+混凝土重力锚”的锚碇系统，主锚为直径φ3.5m、壁厚δ32mm 钢管桩；后续为确保主桥施工阶段安全，在锚桩位置增加直径φ2.5m、壁厚δ20mm 钢管桩及连接系形成防撞体系。钢管桩插打时间2014年，桩周土沉积固化6年。沉井锚桩、防撞桩布置图如图2所示。

此次需要拔除钢管桩数量15 根，结构特点及规格型号如表1所示。

表1 钢管桩结构特点及规格型号

2 施工方案比选

2.1 管桩摩阻力计算

2.1.1 钢管桩周围地质情况

沉井钢锚桩、防撞桩主要穿入细砂、粉砂层，桩周土与管桩侧模阻力及各土层标高如表2所示。

表2 管桩位置地质情况表

2.1.2 钢管桩侧摩阻力计算

根据管桩贯入土层深度及桩周土与钢管桩摩阻特性计算钢管桩的侧摩阻力Tv：

式（1）中：Tv—管桩侧模阻力和；

D—钢管桩直径；

fi—桩周土与钢管桩之间的摩阻力标准值；

Hi—贯入土层深度。

计算原则如下：

桩外摩阻力fi取值参照表2：管桩地质情况表内桩周土与钢管桩之间的极限摩阻力值；

桩内摩阻力不得大于桩内土层自重；

钢管桩侧摩阻力。计算结果如表3所示。

表3 钢管桩摩阻力计算结果

2.2 施工方案比选

管桩摩阻力最大约24000kN，且管桩位于深水主航道内，综合考虑管桩摩阻力、施工工期及安全性及经济性，经过方案比选（表4），选用方案5：桩内外吸砂+振动液压锤拔桩进行大直径钢管桩拔除施工。

表4 方案比选

3 设备选型

3.1 吸泥机

桩内吸砂采用空气吸泥机，最大深度距离水面60m，根据空气负压计算，吸泥管采用φ299mm，壁厚10mm 钢管，配备一台23m3/min 的空气压缩机，同时为了保证吸泥效果，配置高压射水管，高压射水冲破积压硬土层或者砂石块，达到快速吸泥效果，提高清理速度，高压水泵采用10～20MPa 高压泵，射水压力控制在1.5～2.5MPa。空气吸泥机结构如图3所示。

3.2 液压振动锤

为使钢管桩周围土层快速“液化”，振动设备要综合考虑激振力、拔桩力、夹持力的要求，具体如下：

3.2.1 在钢管桩采用浮吊配合振动液压锤振动拔除施工中，当选择振动打桩锤时，要求管桩静侧摩阻力之和Tv=πD∑fiHi＜1.3×激振力F1 时，液压振动锤夹持管桩振动后可快速将土层快速液化，管桩吸砂后，Tvmax=12710kN，因此要求液压振动锤激振力F1＞9776.9kN。

3.2.2 钢管桩在上拔过程中，要求振动锤拔桩力F2 主要克服管桩的动侧摩阻力、管桩及振动锤自重，F2＞μTv+G1+G2，其中动摩擦系数μ=0.1～0.2，根据以往施工经验取值μ=0.18。因此要求振动锤拔桩力F2＞0.18×12710+2006.4+G2=4294.2kN+G2。

综上所述，选用YZ-400B×2 双联动振动锤，激振力F1=10740kN，拔桩力F2=5000kN。YZ-400B×2 双联动振动锤参数如图4 和表5所示。

表5 YZ-400B×2 两台联动振动锤主要技术性能表

3.3 浮吊船选型

主墩沉井φ3.5m 钢管桩最大重量200.6t，YZ-400B×2 最大拔桩力5000kN、振动锤重量65.05t，因此要求浮吊吊重≥765.66t。根据设备需求及档期，现场选用稳强3 号1300t 浮吊船，参数如图5所示。

4 施工技术

4.1 工艺流程

施工准备—管内吸砂至桩底—浮吊船、振动锤、驳船就位—振动锤振动拔桩—钢管桩截断—竖直旋转平放至驳船上—运输至码头—进入下一循环直至管桩全部拔除。

4.2 桩内吸砂

钢管桩内吸砂时，先在管桩顶部搭设吸泥平台，安装吸泥机及管路，启动空气吸泥机进行桩内吸砂，同时做好管内补水，确保管内管外水差一致。吸泥过程每间隔2h 测量一下桩内泥面，确定吸泥效果。管内吸泥整体布置如图6所示。

4.3 船舶站位

钢管桩拔除施工，位于长江大桥深水主航道内，往来船舶众多，受船舶、涨落潮影响较大，存在较大安全风险，因此需要提前规划船舶站位、抛锚要求，并上报海事单位报批，发布通航公告，做好施工区域安全警戒。现场施工时，浮吊船、机驳船系缆连接在一起，浮吊船“‘八’字锚”抛锚定位，抛锚距离150m，角度成30o，同时航道前方设置警戒船，高频喇叭循环播放施工信息，通知过完船舶远离施工区域航行。船机布置图如图7所示。

4.4 管桩拔除

沉井锚桩、防撞桩大直径钢管桩按照先上游后下游的顺序拔除，具体拔除工序如下：

第1 步：浮吊船、运输船舶、振动液压锤、吊具钢丝绳等设备全部就位，检查验收各设备运转及结构安全情况，并办理检查签证。

第2 步：启动振动锤，振动锤夹具4 点夹持钢管桩，单点夹持面积为长220mm×高220mm。YZ-400B×2 最大激振力F=10740kN，此时夹持面积钢管受力如下：

σ =Fy / 4A=10470 × 103/(4 × 220 × 3 × 32) =123.9MPa＜[σ]=300MPa，夹持面满足受力要求，但是为防止夹头位置钢板高温损坏，要求在夹持范围增设δ20mm 钢板。

第3 步：浮吊缓慢松钩，将带力降至最小。然后开启振动锤，缓慢增加振动锤激震频率，振动管桩周围土层，降低土层与管桩摩阻力。

第4 步：待管桩开始振动下沉后，继续振动管桩，此时浮吊起钩，边振动边将管桩缓慢拔除。管桩拔出过程，做好浮吊船起吊重力观察，要求浮吊吊重示数＜振动锤最大拔桩力F1+管桩自重G1+振动锤自重G2。

第5 步：管桩拔升高度预计20m，此时管桩入土深度＞10m，暂停拔桩施工，将管桩固定在船头导向架内。然后在距离导向架上方1.5m 位置开始火焰切割管桩，将管桩一分为二，上部长度20m，下部长度约45m，如图8所示。

第6 步：管桩截断后，在距离管桩端口20cm 位置开φ75 销轴孔，并焊接φ（200-75），δ20mm 的补强板，防止钢板撕裂。然后吊耳孔内安装55t 卸扣，2 根6*36WS+1WR-1870-56mm，L=12m 的镀锌钢丝绳，形成竖向旋转吊点，然后与1300t 浮吊副钩连接。

第7 步：浮吊船主钩、副钩配合旋转管桩，副钩起吊管桩底部保持吊高不变，主钩夹持振动锤缓慢下落，下落过程注意各钢丝绳带力观测，要确保吊耳、卸扣、钢丝绳各吊点受力均匀。待管桩下落是水平后，旋转浮吊扒杆，将管桩平稳放在运输驳船固定支座上，并做好限位固定，然后解除吊具钢丝绳、振动锤与管桩之前的连接。

第8 步：浮吊船、振动锤夹持剩余段管桩继续拔桩，竖向旋转平放至运输驳船，循环施工，完成剩余管桩拔除施工。

4.5 拔桩预案

若锚桩、防撞桩拆除过程中，拔桩阻力过大，施工困难时，可考虑利用空气吸泥机对管桩桩周外围进行扫吸，减少管桩的侧摩阻力，经计算φ3.5m 管桩桩外每吸泥1m，摩阻力减小329.7kN。

5 结语

沪苏通长江大桥深水主航道大直径钢管，通过采用桩内吸砂，浮吊船配合YZ-400B×2 双联动液压振动锤拔桩施工技术，已顺利完成φ3.5m、φ2.5m 大直径钢管桩拔除施工，经过现场拔桩施工验证，管桩摩阻力计算、设备选项、施工工艺均较好满足现场施工要求，可为后续深水主航道、超大埋深、大直径钢管桩拔除施工提供参考借鉴。