强潮急流河段大直径桩基钢护筒沉放关键技术

摘 要：嘉绍大桥地处世界闻名的钱塘江涌潮河段，桥位区水文条件复杂，河床宽浅，潮强流急，冲淤剧烈。在强涌潮区进行桩基础施工是大桥建设的一个技术难点，而钢护筒的沉放是否顺利是桩基础施工的关键所在。通过选择合理的钢护筒下沉时机，采用大刚度的简支导向架进行导向定位，配合大功率振动锤振动下沉，分析桥位区水文特点，有针对性的采取防冲刷和纠偏措施并实时进行监控等，顺利完成了114根大直径桩基钢护筒的施工，下沉精度全部达到设计要求。

关键词：强潮急流河段；钢护筒 下沉；导向架；振动锤

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）07-0087-02

1 工程概述

嘉绍跨江大桥主航道桥为六塔独柱四索面钢箱梁斜拉桥，其跨径为70+200+5×428+200+70=2680m。大桥北岸主通航孔桥共114根桩基础，中塔承台设置有32根桩基，边塔承台设置有30根桩基，索塔基础桩顶标高均为-10.5m，桩长108～113m不等；辅助墩及过渡墩各设置10根桩基，桩顶标高均为-9m，桩长92m；所有桩基础均为直径φ2.5m的摩擦桩。

依据施工期实测资料，桥位处的钱塘江河口尖山河段实测最大潮差8.59m，涌潮试验得到桥位附近涌潮流速可达9.0～10.0m/s，桥位处100a一遇设计涌潮高度为3.0m，涌潮压力为70kPa。施工前河床标高-5m左右，最大水深可达10m，根据水槽模型试验，施工期河床局部冲刷可达19m。桩基钢护筒需沉放到极限摩阻力为35～55kPa的淤泥质亚粘土或亚粘土层。根据规范要求并结合施工实际，采用δ20mm的Q235A钢板卷制成φ2.8m直径的桩基钢护筒，每根总长45m，分段加工、运输及沉放，经计算取首节长度28m，重40t；第2节长度为17m，重24t，总重64t。

2 强潮急流河段桩基钢护筒的沉放工序

针对钱塘江的强潮影响，选择在接近平潮时进行首节桩基钢护筒沉放的施工工艺。经测量定位安装固定多功能导向架，并在导向架上精确放样桩位后调整固定顶推装置；起吊钢护筒到导向架上相应孔位，测量监控钢护筒垂直度满足要求后，将钢护筒缓缓下沉至距河床面0.5m左右，用千斤顶顶推装置精确调整护筒垂直度和平面位置后快速下沉。

3 强潮急流河段桩基钢护筒沉放的难点

在强潮急流河段的水文条件以及河床急剧变化的地质条件下，如何快速、安全、精确的进行桩基钢护筒的沉放成为下部构造的难点。具体体现在以下几个方面：

3.1 护筒沉放的作业时间极短

在潮强流急的水文条件下，为保证钢护筒的沉放安全及精度，必须选择在每个潮汛的平潮期进行首节桩基钢护筒的沉放，并在下个潮汛来临之前完成钢护筒的垂直度及平面位置调整、对接及整体沉放，在有限的时间内为完成复杂的多工序施工带来严峻的考验。

3.2 流及涌潮压力大

在长时间的现场实测中积累水流及涌潮速度数据，并结合附近的河口水利研究院的常年数据，经过计算分析得出最大急流产生的水平压力约90kPa，涌潮产生的瞬时水平压力约70kPa。持续的强大水平荷载对钢护筒的安全及桩位精度的保证带来极大的挑战。

3.3 强潮引起河床的冲刷变化

首节钢护筒下沉后在后续的对接及振动沉放过程中，可能经历下一次潮汛的来临，钢护筒沉放至河床后，水流形态及流向会发生极大改变，局部冲刷急剧增加，前期下沉后的桩基钢护筒在冲刷的过程中将引起附近桩位的河床变化。通过对沉放过程的实时测量，一个潮讯的局部冲刷最深的达到3.2m，水流对河床的冲刷可能掏空护筒脚的泥沙，从而导致护筒严重偏位及导向架的受力不均，造成无法下沉甚至引发安全事故。

4 强潮急流河段桩基钢护筒下沉关键技术

大桥水域具有作业时间短、水流急、冲刷大的特点，为了解决这些难题并确保桩基钢护筒的下沉过程安全，并保证其能顺利下沉到位且平面位置、垂直度等指标满足规范要求，必须通过选择合理的下沉时机、通过大刚度的多功能导向架的临时固定及导向作用、监控及纠偏措施、选择合适的振动设备等方法对桩基钢护筒的整个下沉过程及精度进行控制。

通过选择在每个潮汛的平潮或小潮汛期进行首节钢护筒的下沉，尽量避开涨潮时的强大水流力及涌潮力的影响。

通过大刚度导向架的导向及临时固定作用来抵抗流水压力的水平力，承受冲刷后首节钢护筒的部分自重，在下沉过程中约束因振动锤产生的钢护筒的巨大晃动。

通过实时测量对桩基钢护筒的垂直度及平面位置进行监控，对河床冲刷进行测量，指导钢护筒的下沉及纠偏施工。

通过选择大功率的ICE振动沉桩设备，来保证将大直径超长桩基钢护筒振动下沉到位，同时确保护筒脚不会因持续的巨大的激振力而产生变形。

4.1 合理选择钢护筒下沉时机

为应对潮汛来临时的水流及涌潮影响，避免钢护筒下沉时的严重偏位，确保下沉的顺利安全，在无法改变潮水外部条件的情况下，选取每个潮汛时的高、低平潮或流速小于1m以内的时间段作为首节钢护筒的下沉时机。每个高平潮有约2h的作业时间，低平潮有约3h的作业时间。

4.2 采用大刚度多功能简支导向架

为抵抗护筒沉放过程中的涌潮力和水流力，保证在振动锤的强大激振力下钢护筒不会产生偏移，以及在钢护筒开始产生偏移时可以对护筒进行纠偏，根据平台间的跨度，加工适宜振动锤下沉的大刚度多功能简支导向架。

4.2.1 导向架的组成

导向架主要由型钢垫梁、钢管主桁及顶推调节装置组成。导向架跨度一般不宜超过30m，如超过则宜考虑增加支撑点减少跨度，有效高度3.0m以上，孔口尺寸应保证振动锤能通过导向架。在架体孔口上、下两层各设置4个顶推调节装置，顶推调节装置由20t千斤顶和限位滚轮组成。特别要注意导向架的两个主桁片必须垂直，否则会影响钢护筒定位时的垂直度。

4.2.2 导向架的定位

导向架的定位分粗定位和精确定位。先将桩位的中心线通过测量放样在平台上，计算好导向架垫梁中心至孔位处的距离，使导向架中线与桩位中线重合，距离相等，再将垫梁断续焊接固定至平台钢板上，完成导向架的粗定位。粗定位后，在导向架的顶推限位装置处放出桩位周边四点的坐标，根据顶推装置上固定点和桩位坐标之间的关系和钢护筒直径，即可求出固定点和钢护筒外壁之间的距离，并由此控制钢护筒的平面位置和垂直度，钢护筒平面位置放样完成后，将顶推装置上的千斤顶锁定，完成导向架的精确定位。

4.2.3 导向架的导向及纠偏

钢护筒起吊到导向架上相应孔位，用两台经纬仪从两互相垂直的方向测量监控，并用顶推限位装置调整护筒初始垂直度至满足要求，将钢护筒缓缓垂直下沉至海床泥面，到深入泥面0.5～1.0m时，测量重新监控确认垂直度符合要求后快速下沉，保证护筒垂直下沉稳定；如入泥0.5～1.0m时垂直度或平面位置偏差较大，则应进行钢护筒的纠偏。纠偏方法如下：

适当提高护筒，根据偏位数据在相应偏位侧方向松开限位装置，并在偏位相反方向利用导向架上下两层顶推限位装置进行调节纠偏直至垂直度满足要求，再将所有限位顶推装置顶紧护筒，快速松钩下沉。待钢护筒靠自重下沉稳定并调整平面位置和垂直度至满足要求后，用振动锤点振继续下沉，直至钢护筒顶面到高出导向架顶面1.0～1.5m的位置停锤。在振动下沉过程中要随时动态观测钢护筒垂直度和限位滚轮，如垂直度超标或者限位滚轮松动，采用相同方法及时进行纠偏。

若不在完全平潮时沉放首节钢护筒，可根据流速情况在背离水流方向对钢护筒进行2～5cm左右的垂直度的预偏，待护筒入水后在水流力作用下，钢护筒底口偏向流水方向，从而保证钢护筒入水后的垂直度和平面位置，减少护筒入泥时的纠偏。

通过导向架的导向及纠偏，并采用预偏法进行沉放后，实现了钢护筒下沉到位后的平面偏位控制在20mm以内；垂直度控制在1/500以内，远远优于《嘉绍大桥专用施工技术规范》中“平面允许误差为50mm，竖直线倾斜不大于0.5%”的要求。

4.3 局部冲刷的监控及解决措施

每根桩基钢护筒的沉放均会经历一个涨、落潮的过程，其下沉过程必须考虑水流对河床的冲刷影响。通过流速仪和测深仪连续观测水流速度及河床的冲刷变化，并采取一系列的措施防止冲刷对护筒下沉造成大的影响，保证钢护筒顺利、安全的下沉到位。

5 结语

通过选择平潮期下沉首节钢护筒，依靠大刚度简支导向架的导向及纠偏，并采用合适的大功率振动沉桩设备以及对局部冲刷和涌潮压力的深入分析等一系列措施的应用，在强涌潮、大冲刷、深水高流速的钱塘江水文条件和极限摩阻力在35～55kPa的淤泥质亚粘土的地质条件下，顺利完成了大直径桩基钢护筒的沉放施工，同时保证了沉放精度优于《嘉绍大桥专用施工技术规范》的要求。为以后类似水域的钢护筒沉放提供参考。

参考文献

[1] 韩海骞，吴辉，郦丽娟，等.嘉兴至绍兴跨江公路通道杭州湾大桥桥墩局部冲刷模型试验研究报告[R].杭州：浙江省水利河口研究院，2008（2）.

[2] 崔雪梅，吴泽和.大直径钢护筒下沉施工设备及其应用[J].桥梁建设，2006（s1）.

[3] 屈国.桥梁钢护筒参与桩基础受力探讨[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2011（05）.

[4] 程海琴，兰其平，邓少锋.椒江二桥主塔桩基钢护筒施沉技术[J].城市道路与防洪，2011（08）.

作者简介：李嘉明（1981-），男，工程师， 2004年毕业于长沙理工大学土木工程专业，工学学士。研究方向：桥梁施工管理及技术。