浅析临近既有运营高速超大直径超长钢护筒插打施工技术研究

陈建伟,马贤尚

摘 要：我国大型复杂桥梁结构形式越来越多，结构新颖，下部结构基础往往采用大直径钻孔桩设计，钻孔施工过程中采用超大直径超长钢护筒。钢护筒插打设备选型复杂、平面精度控制及垂直精度控制要求高、施工难度大。本文通过对牛屯河特大桥主桥φ3.8 m桩基大直径钢护筒的加工、插打设备选型及施工工艺的介绍，总结出大直径钢护筒插打施工及质量控制要点，项目的成功实施为类似工程施工提供参考。

关键词：超大直径钢护筒加工;运输;钢护筒插打、质量控制

1 工程概况

牛屯河大桥左岸位于马鞍山市含山县铜闸镇，右岸位于芜湖市鸠江区。改扩建方案为旧桥拆除重建、右侧分离增建，左、右幅桥跨布置为：3.5 m（桥台）+（10×30）（钢板组合连续梁）+（70+3×125+70）m（变截面钢箱组合连续梁）+（14×30）（钢板组合连续梁）+3.5 m（桥台），桥梁全长1 235 m。分离式断面，单幅桥面全宽20.75 m。主桥共有桩基24根，均按照摩擦桩设计，其中11#墩～14#墩为主墩，共有桩基16根，采用φ3.8 m的大直径C30水下混凝土钻孔灌注桩，桩长为80 m，钢护筒直径φ4.1 m，单桩永久钢护筒重量为89.46 t，单桩混凝土灌注方量为907.3 m3;10#墩和15#墩为过渡墩，共有桩基8根，采用直径3 m的大直径C30水下混凝土钻孔灌注桩，桩长为42 m，钢护筒直径φ3.3 m，单桩永久钢护筒重量为72.02 t，单桩混凝土灌注方量为296.88 m3。钢护筒采用两种壁厚、两种材料，上部15 m范围采用Q235C钢材、壁厚27 mm，下部15 m范围采用Q345C钢材、壁厚32 mm，钢护筒现场加工焊接。

2 钢护筒加工及运输

2.1 钢护筒加工

（1）钢护筒分两大节制作，制作时一大节由若干个小节焊接而成。受牛屯河老桥及两岸防洪堤影响，钢护筒采用后场集中加工制作，现场焊接成整体。

（2）钢护筒制作的主要流程：材料定购→下料及切割→接缝处打磨→卷制钢护筒短节→拼缝开V型坡口→将短节组焊成长节段。

（3）钢护筒加工采用W11-40×2500高精度三辊自动卷板机和高效率的辅助焊接设备，在卷板机上滚压2～3圈成型，防止过卷失圆。

（4）钢护筒由短节拼焊成吊装节，钢护筒小节段制作采用直缝法，节段之间采用环焊缝。短节钢护筒的纵向焊缝错开布置，间距≥护筒的1/8周长。接长焊缝形式采用单边V型坡口，上节的坡口角度采用45°～55°，下节不开坡口，在内壁设有内衬套或内衬环，保证钢护筒接长处内外壁对齐。

（5）为确保钢护筒与混凝土之间的协作受力，在钢护筒内壁焊接凸起的剪力环，剪力环采用50×25 mm的扁钢，与护筒采用双面贴角焊。

（6）钢护筒制作验收通过后，为了便于钢护筒插打时测量观察其下沉情况，在钢护筒上标注刻度标线。刻度标线对称布置在护筒的两侧，与吊耳垂直，标线刻度颜色需与护筒的外表面颜色对比鲜明，便于观测读数。

2.2 钢护筒吊点的布置

钢护筒的吊点布置按牛屯河大桥主桥最大钢护筒重量计算：

（1）牛屯河大桥主桥最大钢护筒重量达89.46 t，分两大节制作，单节钢护筒最大重量达48.53 t，需要对吊点进行专门的设计以满足吊装要求。在钢护筒外周等距离焊接2块钢板，采用Q235钢材，厚30 mm，长300 mm，宽150 mm，并在钢板上开口其口径与插销一致。钢板与护筒壁采用24 mm×24 mm的直角焊缝。

（2）根据查询得知T-BW50-2型卸扣的额定荷载为50 t，插销的直径为53 mm。则4个卸扣总的额定荷载为200 t，按2倍安全系数考虑，200 t>89.46 t×2=178.92 t，能满足要求。

（3）根据钢结构设计手册得知Q235钢材24 mm×24 mm的直角焊缝的受剪承载力为26.88 kN/cm。则单个吊点允许承受的受剪承载力为806.4 kN，4个吊点可承受约为322.56 t的力，按2倍安全系数考虑，322.56 t>89.46 t×2=178.92 t，能满足要求。

（4）为方便钢护筒的竖立在钢护筒的底部也设置2个相同的对称吊点。

2.3 钢护筒运输

由于钢护筒直径较大，受既有运营高速桥梁净空影响，钢护筒由厂区加工成若干个小节，采用平板车运输至现场，进行拼接成整体。运输时护筒垂直车厢，用钢丝绳固定牢靠，防止倾覆。

3 钢护筒插打设备选择

3.1 设备选型

所选振动锤需满足以下三个基本条件，方可沉桩成功：

（1）振动锤的激振力F大于被振构件与土的动侧摩阻力Qst。

（2）振动系统的工作振幅A大于振沉到要求深度所需的最小振幅。

（3）振动系统的总质量Q0大于振沉构件的动端阻力R。

3.2 振动锤沉桩可行性验算

3.2.1 激振力验算

根据日本经验公式，振动锤沉桩所需满足的条件如下：

Fmax≥Qst=μQs

μ=μmin+（1-µmin）e-βη

式中η为振动加速度比。

根据经验推荐：砂质土：µmin=0.15，淤泥质黏土：µmin=0.06，黏土：µmin=0.13，钢材的β值为0.52。

根據YZ-400型振动锤技术参数，可计算：

μ=μmin+（1-µmin）e-βη=0.150 8

按照13#墩最长钢护筒计算动侧摩阻力值为：

Qst=系数*周长*（地址土层的长度*对应极限摩擦阻力）

=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

结论：YZ-400型振动锤激振力满足振动沉桩要求。

3.2.2 振幅验算

当激振器振幅很小时，不发生沉入，只有当振幅超过某一定值时，方可实现沉桩，这一A0称为起始振幅。在水下的砂质土壤中，起始振幅达到2 mm可以实现振沉。

工作振幅A=偏心力矩/振动质量

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

結论：YZ-400型振动锤工作振幅满足振动沉桩要求。

3.2.3 动端阻力验算

振动锤系统的总重量Q0需大于振沉构件的动端阻力R。

钢护筒外径4.1 m，端部设置加强抱箍，管体及抱箍厚度为27 mm和32 mm。则护筒端部横截面积为：

S=π（D2-d2）/4=0.21 m2

动端阻力为：

R=0.150 8*0.21*200=6.33 kN

振动锤系统总质量：

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

结论：YZ-400型振动锤动端阻力小于振动系统质量，满足振动沉桩要求。

综上所述，13#-1桩基钢护筒长度均为30 m，选用YZ-400型振动锤情况下，可满足施工需要，将钢护筒振沉到位。

4 钢护筒吊装

钢护筒吊装采用自制的吊具两点起吊，在距离钢护筒顶口30 cm处对称开孔作为起吊点，底部放置在施工作业平台上并固定好。利用翻身架使护筒由平卧转换成倾斜姿态、最后呈竖直自由状态，将钢护筒吊放到指定孔位。

5 钢护筒插打

5.1 定位导向架安装

为保证钢护筒的准确定位及竖直度，采用定位导向架，导向架采用高5 m的钢桁结构，用工字钢进行加工制作。

5.2 钢护筒插打

（1）采用150 t履带吊起吊钢护筒，缓缓放入导向架内，上下层导向架必须垂直，确保钢护筒的垂直度。

（2）护筒着床后检查平面偏差和倾斜度，如不符合要求，将护筒提起重放。护筒平面位置合格后，安装振动锤。

（3）振打。

1）通过对桩位处地层分析计算，对于超长、超大直径钢护筒沉放，宜选用大激振动振动锤，使激振力易于到达护筒底端。拟选用1台YZ-400型液压振动锤并联使用以满足要求。

2）自重下沉到位后，启动打桩机电源开关，以10 s为一振动间隔，每振打10 s，护筒下沉过程中，测量人员通过全站仪全程监测，发现偏位立即通知现场指挥人员纠偏，通过履带吊大钩移动来微调，同时观察贯入度。

3）当第一节钢护筒打设完毕后，将护筒固定在导向架上，将第二节护筒吊起现场焊接接。当钢护筒标高与贯入度双控指标达到设计要求时停止振打，测量并推算钢管桩底标高，拆除振动锤。

4）第一节钢护筒打设到位后，吊装第二节钢护筒，上下对接采用二氧化碳保护焊，通过定位挡块（底节），起吊顶节与底节护筒对位进行粗略对接;局部不平整用卡板千斤顶进行精确调整，定型后再正式焊接。对接时在钢护筒的外壁焊设“钢楔子”及“码子”，通过“钢楔子”和“码子”的契合提高对接的精度及平整度（点焊固定）。焊接完成后在焊缝外加8块δ27 mm钢板加劲。

（4）钢护筒埋设精度要求：轴线偏位小于±50 mm，倾斜度不超过1%S。

6 保障控制措施

（1）钢护筒卷制过程中应加强端头错边控制，完成后应对管节外形、相邻管节的管径进行验收。

（2）为减少钢护筒在运输及吊装过程中的局部受损及变形，需在顶口、中间位置和底口吊耳位置设置“米”字撑增加护筒的完整性，确保钢护筒不变形。

（3）振动的持续时间长短应根据不同机械和不同土质通过试验决定，一般不宜超过10 min～15 min。

（4）钢护筒下沉过程中应注意观察并控制下沉速度，速度过快可能导致钢护筒倾斜，速度过慢则可能钢护筒底口遇到障碍物。

（5）钢护筒焊接时采用缆风绳固定，缆风绳采用直径不小于φ15.5 mm的钢丝绳，一端系于于栈桥平台上，另一端系于地锚。钢丝绳方向远离既有线方向设置。

（6）钢护筒连续插打中途不得暂停，以防止停顿时间过长桩周土层摩阻力恢复造成插打困难。

（7）钢护筒在打设过程中应注意观察下沉速度，防止速度过快导致钢护筒倾斜，过程中对平面位置实时监控。

（8）临近既有线施工期间，应定期组织安全检查，将安全隐患消灭在萌芽状态。

7 结束语

牛屯河特大桥13#-1桩基基钢护筒（内径4.1 m，长度30.4 m）插打选用5.0 m导向架，利用全站仪沿互相垂直方向对钢护筒进行测量定位及复测，有效保证护钢护筒插打的垂直度，根据牛屯河现有的地形、吊重及地质条件选择150 t履带吊、YZ-400型振动锤有效的保证钢护简顺利插打至设计高程，取得良好的经济效益，为今后特大桩基施工积累了经验。

参考文献：

[1]刘宝河，边强，袁猛全.振动沉桩锤的选型及应用[J].中国港湾建设，2008（3）：38-41.