一种钢护筒分节装置在钻孔灌注桩中的应用

刘金秋，郭东

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.天津深基工程有限公司，天津 300222）

0 引言

随着钻孔灌注桩（本文简称“灌注桩”）作为一种成熟工艺大量应用于市政、建筑以及水工工程基础主体，如何在软弱土层上方成桩而不发生塌孔、缩颈等情况逐渐成为钻孔灌注桩施工质量控制的重点之一，同时降低工程造价也是施工单位需考虑的因素。传统的钻孔灌注桩成孔一般采用常规的钢护筒进行施工，成孔结束、混凝土灌注完成后直接将钢护筒拔除即可成桩。但如果遇到深度较大的软弱土层如淤泥质黏土、流砂层等不良地质，同时需要将钢护筒预留在最终开挖面以上时，继续采用传统工艺会出现以下问题：

1）需要用较长的钢护筒进行打设，垂直度不易控制；

2）成孔结束、混凝土灌注完成后，传统工艺会将钢护筒预留在开挖面以上，增加较高的工程费用；

3）后续开挖至设计桩顶标高时，桩头凿除前需要先进行钢护筒的切割工作，增加了施工工序，延长了施工工期，桩头凿除工效明显降低；

4）分层开挖至设计桩顶标高进行桩头凿除时，因需要进行钢护筒切割工作，延长了作业时间，增加了桩间土对桩基外露部分的挤桩风险，灌注桩质量不易控制。

为解决上述灌注桩施工中存在的问题，本文结合工程实例，提供一种灌注桩钢护筒分节施工装置和工艺方法。

1 工程概况

唐山港丰南港区河口码头区某通用码头工程位于唐山市丰南区黑沿子镇附近，建设规模为4个5 000吨级通用散货泊位、4个5 000吨级多用途泊位和2个工作船泊位，采用高桩梁板式结构和高桩墩台式结构形式，岸线长度1 113 m，码头面高程6.2 m。前方桩台宽17.25 m，基桩采用φ1 000 mm灌注桩，排架间距7 m，每榀排架布置5根直桩，桩底高程-58 m，桩顶高程2.91 m。后方桩台宽9.75 m，基桩采用φ800 mm灌注桩，排架间距3.5 m，每榀排架布置2根直桩，桩底高程-45 m，桩顶高程3.11 m。φ1 000 mm灌注桩数量为891根，φ800 mm灌注桩数量为608根。

根据地勘报告和设计断面图，地坪标高至设计岸坡开挖面主要地层为①1素填土、于1淤泥质黏土和于2淤泥质粉质黏土，且设计要求桩帽下底标高至岸坡开挖面以下50 cm处采用钢护筒防护，设计断面见图1。正式开工前对施工场地进行了试挖作业，于1淤泥质黏土和于2淤泥质粉质黏土基本呈流塑状态，天然含水量ω高达39.5%，地基承载力差；地下水位埋深0.3～0.6 m，水位较高，且岸线临近河口区，地下水补给充分。

图1 设计方案典型断面图（mm）Fig.1 Typical section of design scheme(mm)

2 方案比选

2.1 方案1

项目前期，设计单位主推施工方案为：先基坑开挖至-2 m后进行灌注桩施工，再进行接桩施工，断面见图2（深大基坑内先成桩，后接桩）。此方案存在一定的优缺点，优点包括：

1）解决了桩间土开挖难的问题；

2）解决了原泥面灌注桩施工后接岸结构无法振冲难题。

缺点包括：

1）延长施工工期60 d，完工日期由7月31日变为9月30日（建设方要求7月31日前必须完工），无法满足建设方“公路运输转水路运输”环评需求；

2）增加7 m深基坑施工，属超规模危大工程，方案需要专项设计和专家论证，时间不可控，影响开工时间；

3）前期通过施打降水井，发现码头前沿存在380 m范围于2粉砂透水层，开挖基坑存在极大的管涌风险；

4）增加建设方基坑降水、支护、监测及接桩费用，经专项设计核算约为3 300万元。

图2方案1示意图（mm）Fig.2 Schematic diagram of program 1(mm)

2.2 方案2

针对方案1的缺点，通过与设计单位、专家研究，推出了“先成桩后开挖”的解决方案。为解决于1淤泥质黏土、于2淤泥质粉质黏土等不良地质对灌注桩的影响，保证桩基完整性，避免接桩施工，设计桩顶标高至岸坡开挖面以下50 cm范围增加8 mm厚钢护筒，原泥面进行灌注桩施工，再进行桩间土开挖，断面见图3（原泥面成桩，顶部钢护筒循环利用）。通过咨询国内多家专业设计单位，一致认为该方案优于方案1，经建设方、设计方、监理方和多位专家论证，最终采用此方案施工。

图3方案2示意图（mm）Fig.3 Schematic diagram of program 2(mm)

2.3 方案优化

根据设计图纸要求，结合现场实际情况，发明了一种钢护筒分节装置和工艺方法，解决了在深大基坑成桩的风险问题，节约了大量钢材，保证了桩基质量，并在实际工程中得到了验证和改进，总结出了一套钢护筒分节装置的使用方法[3]。

3 分节装置发明内容

3.1 分节装置结构

为解决上述问题，提供一种钢护筒分节装置，该装置包括加劲板、吊装孔、卷板护筒、螺旋焊管护筒、连接点加劲肋、连接点外侧加劲板、连接点内侧加劲板和连接点焊缝8部分。其中加劲板、卷板护筒均由整体钢板卷成圆筒形状后，牢固焊接在一起；吊装孔在加劲板和卷板护筒焊接在一起后进行二次切割成孔，单个护筒对称布置2个；螺旋焊管护筒采用钢带螺旋焊接加固而成，内径与卷板护筒相等；连接点加劲肋、连接点外侧加劲板、连接点内侧加劲板均采用高强度低合金锰板制作加工，三者先焊接成整体，最后与卷板护筒焊接加固成一个整体；连接点焊缝主要是加固内侧、外侧加劲板[4]。分节装置结构见图4。

图4 分节装置结构图Fig.4 Sectional view of segmentation device

3.2 设计思想

分节装置的设计思想是先将螺旋焊管护筒通过双点夹振动锤沿桩中心施打，缓慢下沉后，顶部外露约10 cm，然后使用双点夹振动锤夹取卷板护筒，使连接点外侧加劲板、连接点内侧加劲板之间的空隙对准螺旋焊管护筒，缓慢振动下沉，直至螺旋焊管顶部到达设计标高位置，且卷板护筒外露高度h≥30 cm[5]。然后进行成孔、钢筋笼吊装和混凝土灌注，待混凝土达到初凝点，使用双点夹振动锤将上部卷板护筒拆除。

3.3 加工制作要点

在钢护筒施打前，需要提前加工制作卷板护筒和螺旋焊管护筒，尤其是卷板护筒，该部件是此工艺的核心装置，在加工、使用过程中注意如下要点：

1）刚度和强度要求。卷板护筒和螺旋焊管护筒的材质均为Q235B，强度不能低于屈服强度σs=235 MPa。分节装置施工过程中，能量传递和应力集中点主要位于卷板护筒顶部和连接点位置，故此处对加固材料有特殊要求。顶部加劲板、连接点加劲肋、内外侧加劲板等应力集中部位材质均为低合金锰板Q335B。相应的弹性模量E、剪切模量G和屈服强度σs必须满足规范要求，具体要求见表1。

表1 分节装置结构材料表Table 1 Structural material list of segmentation device

2）尺寸要求。卷板护筒和螺旋焊管护筒内径尺寸偏差控制在-1～+3 mm，尽量控制在正误差，卷板护筒和螺旋焊管护筒上下内径尺寸偏差一致，不允许偏心，以免影响护筒下沉时的垂直度。上下护筒的两端头横截面应在同一水平面，误差控制±1 mm。卷板护筒顶端加劲板和底端连接件与卷板护筒焊接为一个整体，除图4中节点处焊缝标注为10 mm外，其余焊缝高度均不小于15 mm。卷板护筒加工时，充分考虑地坪标高与设计桩顶标高位置，连接点位置一定要位于设计桩顶标高H以下10 cm，螺旋焊管护筒不得嵌入后续上部结构桩帽混凝土内，以免形成腐蚀通道。连接点位置外侧加劲板、内侧加劲板之间的空隙宽度需充分考虑下部螺旋焊管护筒的壁厚δ和富余量Δ[7]，正常情况下富余量Δ宽度控制在4～6 mm。

3）护筒形式。为便于振动下沉，螺旋焊管护筒底端设置为坡口形式；为便于与上部连接件连接和达到止水功能，顶部设置为平口形式。卷板护筒上下两端均设置为平口形式，一方面是为了便于后续测量，另一方面为了与螺旋焊管护筒顶部紧密连接达到止水功能。平口形式横截面平整度误差控制在±1 mm。

4）卷板护筒焊接要求。卷板护筒壁厚t≤6 mm的拼接要求为留2 mm间隙，双面焊接，焊缝高度为高出母材1 mm；壁厚t≥8 mm的拼接要求为留2 mm的间隙。

4 效益分析

该分节装置使用后取得了如下效益：

1）保证了7月31日完工工期，目前该项目已按时完工、交工，满足了建设方“公路运输转水路运输”环评要求；

2）设计开挖泥面以上部分由钢护筒保护，在保证灌注桩质量的同时，提高桩基抗浮冰撞击破坏的能力，提升码头耐久性；

3）无大量人员、机械设备在危大基坑内施工情况，避免发生重大安全事故的可能性；

4）建设投资增加费用由“先开挖后成桩”施工的3 300万减少至1 300万元（钢护筒及防腐费用），追加部分减少2 000万元；

5）上部卷板钢护筒可循环利用，符合国家环保要求。

通过对比发现，使用分节装置后，钢护筒使用量减少779 t，按市场采购价5 500元/t计算，直接减少工程成本约428万元，经济效益可观。

5 结语

本文所述的新型钢护筒分节装置和使用方法操作简单，上部钢护筒拆卸方便且可重复循环利用，符合国家环保要求，有效节约大量钢材和资金。该工艺适用于存在较厚的不良土层地质条件下的灌注桩成桩施工，特别是灌注桩设计桩顶标高距离地坪标高较大处，可以在不开挖不良土层地质的前提下提前施工钻孔灌注桩，减少了在深大基坑成桩的风险；尤其适用于表层土如淤泥质黏土、流砂层等不良地质情况，可有效减少塌孔、缩颈等成孔问题，保证桩基施工质量。桩基施工完成后，可减少桩头凿除钢护筒切割工序，有效提高了桩头凿除工效。在市政、建筑以及水工工程类似项目中应用前景广阔。