钢管钻环切法在裸岩区跨海桥梁钢管桩施工中的应用

(中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁 大连 116000)

大连市政府为了缓解中山西路的交通压力，投资建设一条平行于中山路与黄浦路的东西向主干道——南部滨海大道。南部滨海大道东起金沙滩东侧的金银山，向西跨越星海湾，在高新园区填海区域登陆。滨海大道东端经隧道连接东北路及规划中的南部快速路；西端通过高新园区的地面道路，可以连通旅顺南路及河革路。该工程是大连市未来交通网“七纵七横”中的重要一横，也是大连环城快速路南环的重要组成部分，它的建设对完善城市路网结构、改善城市功能，提升城市景观发展和促进大连经济繁荣具有积极的作用。

跨海大桥全长6 km，总投资约33亿元。大桥主跨中心位于星海广场的中轴线上，使得游人可以在广场上获得最佳的观景视角，线路距离星海广场著名景观“百年城雕”的距离为1 000 km[1]。

跨海大桥东段工程由东连接线、东引桥和东侧大跨径混凝土引桥3部分组成，其中东引桥和东连接线桥位范围内靠岸边一带海床存在较多的水下暗礁，大部均为裸露基岩，无淤泥覆盖层。根据地质勘察资料显示，海床裸露的岩石主要为弱(强)风化石灰岩、石英岩板岩互层、弱(强)风化辉绿岩，地基基本承载力达到1 200 kPa，采用普通的振动锤沉桩工艺根本无法进行钢栈桥钢管桩基施工。2012年5月，中铁十九局集团第五工程有限公司跨海大桥第三标段项目部组织成立了科技攻关小组，经过1个多月的反复试验，最终成功研发出采用振动锤结合一种自制钢管钻以及高压水泵形成一套环切系统，直接在海床裸露的基岩上进行“环切”钻进成孔，并利用高压射水实现清水排渣，然后在环形孔位内植入钢管桩。

1 钢管钻“环切法”工艺原理

本施工方法是以振动锤(拆除夹具，换上可连接钢管钻的法兰板)连接特制“钢管钻”，利用履带吊起吊振动锤，将钻头对准需要施工的孔位，然后开启振动锤，振动力通过钢管钻管身传递至钻头高频冲击岩石成孔，钻渣通过高压水泵形成于钢管钻管身内的急速水流被冲至孔外。持续施钻至设计孔底标高后，拔出钢管钻，形成一个环形孔位，最后将钢管桩“植”入孔位形成钢栈桥桩基。“环切法”施工示意图见图1，实际成孔效果见图2。

需要注意的是, “环切”钻进的深度需要根据施工海域实际地质情况，经过桩基承载力和结构整体稳定性验算得出。

图1 钢管钻“环切法”施工示意图

图2 钢管钻“环切法”成孔示意图

2 施工工艺流程及操作要点

2.1 施工工艺流程

施工工艺流程如图3所示。

图3 “环切法”施工工艺流程图

2.2 施工操作要点

2.2.1 准备工作

2.2.1.1 人员准备

现场作业人员按照预先安排好的分工各自就位。劳动力配置情况详见表1。

表1 劳动力配置表

2.2.1.2 机具准备

所有机具按照施工要求就位，操作手负责做好运转前的各项检查，包括设备性能、电路、油路等，确保所需机具能正常运转。除“钢管钻”外，其余均为桥梁施工所需的常规设备，详见表2。

表2 机械设备配置表

钢管钻为自行加工改装制成。钢管钻外径与栈桥使用的钢管桩相同，为无缝钢管，壁厚30 mm。

首先在无缝钢管底部等分切割32个深度为30 mm，宽度为30 mm的槽口，然后将长度为60 mm、宽度为30 mm的风枪钻头铆进槽口内满焊。在无缝钢管顶部焊接一个厚度30 mm、直径为800 mm的法兰板。钢管钻的全身长度视实际施工情况而定，节段之间采用焊接或法兰连接。见图4。

(a)顶部法兰板 (b)侧视图 (c)钻头

2.2.1.3 机具安装

首先将卸去夹具的振动锤[2]与钢管钻通过法兰盘连接好，然后用水管将高压水泵和钢管钻身预留的进水孔连接固定。专职电工将振动锤、水泵的电路与发电机安全连通，现场安全员自检，自检合格后向电气专业监理报验，报验通过方可进行下一道工序。

2.2.2 桩位对中

在安全员的指挥下，履带吊起吊振动锤。现场测量人员根据GPS定位仪RTK流动站带着履带吊将钢管钻缓慢移位至设计桩位处，然后人工配合对桩位的平面位置(误差：(±5)cm)和管钻的垂直度(误差：1%)进行精确调整和校核。

2.2.3 “环切”钻进

经过精确定位后，在管钻上用醒目的油漆作好刻度标志，并选择刻度参照物，以最终确定实际钻进的深度。启动发电机，开启振动锤和水泵，开始“环切”钻进。

根据实践经验，如果采用“钓鱼法”[3]施工工艺搭设钢栈桥，那么采用钢管钻“环切法”施工浅滩区、裸岩区钢管桩基础的时候，可以采取在已经施工完成的栈桥墩位上“悬挑”出贝雷片，然后在对应桩位上方的贝雷片上横向安装2根型钢的措施，形成一个“#”型临时导向框，将钢管钻自“#”框内插入定位。“#”型导向框和钓鱼法施工工艺如图5、6所示。

图5 “#”型导向框

图6 “钓鱼法”

振动锤开启以后，钻孔进尺通过振动力的大小控制。钢管钻的垂直度通过吊车进行控制，即利用吊车的力量克服钢管钻的自重可能产生的倾斜以保证垂直钻进。注水的方向为从钢管钻顶部流向孔底，于孔内产生一定的水压力，并通过它与管钻外壁形成的压力差随着钻渣一起被“压”出孔外，实现清水排渣。需要注意的是，在“环切”钻进过程中，如果遇到“斜岩”或者软、硬度不均的岩石，钢管钻仍有出现“偏钻”现象的可能；因此，在钻进过程中，要随时进行管钻的垂直度监测，如遇偏钻，及时“牵引”校正。如果“偏钻”现象太严重，倾斜度超限，则该孔作废，须重新核定孔位，重新开孔钻进。

2.2.4 提移钻具

持续“环切”钻进至设计深度后，现场质检人员参照管身标出的刻度计算出实际的钻进深度，并向驻现场监理工程师进行终孔报验，然后停止钻进，关闭发电机。

如果用履带吊提钻具，不能直接提出，便启动振动锤采用“振动拔桩”，拔出之后将钢管钻缓慢平移至不影响后续施工的地方安全放置，将履带吊的挂钩从振动锤上脱钩。

2.2.5 “植”入钢管桩

人工配合履带吊起吊钢管桩，并将其“植”入环形孔位中，然后起吊普通振动锤(带夹具)，“夹”住钢管桩，启动振动锤适当施振，确保钢管桩插入至孔底。

3 施工控制关键点

3.1 工程质量控制标准

钢管桩的制作、焊接、吊运、存放和运输均遵照国家交通运输部颁《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)执行。

3.2 工程质量保证措施

1)在开钻之前需要精确定位桩孔的位置，不得偏离设计过大，控制误差((±5)cm)。

2)钢管桩贯入海(河)床岩石的深度必须满足施工要求，需要通过桩基承载力和结构整体稳定性验算得出。经过计算，本工程钢管桩植入深度不得小于1.5 m[4]。

3)在施工过程中，要严格控制成孔的垂直度，控制误差(1%)。施工时在垂直于桩位的90°两个方向各架设一台经纬仪观测垂直度。通常比较简便的方法是在垂直于桩位的90°两个方向各站1人，采用吊线垂目测的方法控制。由于钢管桩一般用于临时结构，上述2种方法均可根据实际情况选择使用。

4 首例应用效果验证

星海湾跨海大桥东段栈桥126#墩到129#墩的钢管桩均采用钢管钻“环切法”施工，实际贯入强风化辉绿岩的平均深度为1.8 m。根据施工现场实际统计，“环切”成孔1.8 m的平均施工时间为3 h，平均钻进速度为0.6 m/h，施工效率高，成桩质量好。栈桥投入使用后，整体结构稳定，完全满足施工要求。成桥效果见图7、图8。

图7 裸岩区栈桥某墩位

图8 裸岩区栈桥效果

5 结论

裸岩区钢管钻“环切法”施工工艺，经过在大连星海湾跨海大桥钢栈桥搭设施工中的实际应用，被证明是一种高效、实用、环保而且操作简单的新型施工方法。2012年11月，经过国务院国有资产监督管理委员会中国铁道建筑总公司鉴定，其技术达到国内领先水平，具有广泛的推广应用价值。2013年2月，国家知识产权局批准“桩孔环切系统及桩孔环切方法”为发明专利，专利号：CN 201210454188.8。

[1]潘盛山.大连南部滨海大道工程设计文件[D].大连:大连理工大学,2011.

[2]梁成华.浅谈振动锤插打钢管桩的施工及应用[J].西部探矿工程，2002(4)：107-108.

[3]胡晓伦,杨江虎. 杭州湾大桥钢管桩沉桩施工工艺[J]. 桥梁建设，2006(1)：52-55.

[4]周水兴,何兆益,周毅松,等.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2001：432-452.