陡坡裸岩全断面植入嵌岩钢管桩施工关键技术

吴姚平，易　晓，涂伟成

(中交二航局第一工程有限公司，武汉 430012)



陡坡裸岩全断面植入嵌岩钢管桩施工关键技术

吴姚平，易晓，涂伟成

(中交二航局第一工程有限公司，武汉 430012)

摘要：依托富春江船闸扩建改造工程，针对断航库区深水、裸岩、坡陡且无大型起重设备的条件，进行大直径独立式钢管嵌岩桩全断面植入施工，有效解决了裸岩稳桩、深水钻孔、起重及如何在砼灌注过程中保证钢管桩与孔壁之间空隙的密实度等难题。

关键词：断航库区；裸岩；浮式固定钻孔平台；起重平台；孔壁灌浆

富春江船闸扩建改造工程上游引航道平面布置基本采用原有引航道布置形式，引航道宽度为50 m，引航道底设计高程为+18.0 m。左侧为防止船舶在横流作用下偏航误入船闸左侧溢洪道水域，威胁船舶及大坝安全，在上游引航道左侧原有隔流墩上游延伸设置长度为227.6 m的浮箱导航设施。浮式导航设施共布置6座浮箱，导航浮箱由嵌岩钢管桩固定：钢管桩布置在导航浮箱端部，桩与桩之间中心距为38.5 m，数量共7根。钢管桩直径2.5 m，壁厚25 mm，钢管桩全断面嵌入中风化岩7 m以上。钢管桩内部填充C25混凝土，桩顶高程为+30.5 m。

1施工难点及特点

1)起重难度大。钢管嵌岩桩长度较长(最长达40.5 m)，重量较重(最重达61.771 t)，且因原有船闸已封航，施工区域内大型浮吊无法进入。

2)平台搭设难度大。嵌岩桩桩芯间距为38.5 m，共7根，为独立布置型桩基，采用传统工艺搭设满堂固定式钻孔平台成本较高；采用普通浮式平台进行钻孔时，因设备自重及冲击荷载较大，钻孔过程中平台稳定性难以保证；同时覆盖层较薄,水上设备抛锚定位困难。

3)孔壁密实度难以保证。设计桩径为2 500 mm，孔径为2 800 mm，钢管桩全断面植入，孔壁与钢管桩之间只有15 cm间隙，若孔壁不密实，桩基承受水平荷载时容易晃动。

2关键施工技术

2.1　起重平台设计

鉴于断航库区内无法调遣大型水上起重设备，该研究拟在上游自行设计拼装一条浮式起重平台，该浮式起重平台吊高12 m，采用固定式扒杆，利用4根锚缆进行定位，船头设前进缆，船尾设尾锚控制船体小幅度前进、后退。

起重平台由1个20 m×10 m浮箱及2根19 m桅杆组成。桅杆采用两根φ50 mm钢丝绳固定。所有浮箱采用∠150×150×10 mm角钢进行包边，浮箱与浮箱之间采用10 mm厚钢板进行包边，桅杆采用φ480 mm钢管。经专业检测单位检测，该浮式起重平台最大起重量为50 t。起重平台示意图见图1。

2.2　钻孔平台搭设方案比选

2.2.1方案1：采用固定式钻孔平台

1)平台设计

该平台采用15根钢管支腿与上部支撑型钢搭设成“板凳型”结构。支腿横向间距4 000 mm，纵向间距4 500 mm，支腿采用振动锤下沉至基岩面以下。桩腿顶部横向设工36主梁,主梁顶高程为+24.0 m，钻机前后支点处设工25分配梁，间距为500 mm。其他位置铺设250 mm×250 mm桁架，用于铺设人行走道。整个平面尺寸为16 000 mm×9 000 mm。分配梁与主梁相接处设加强腹板，以提高平台的整体性。护筒侧边沿主梁采用装配式，待护筒吊运完成后再安装。固定平台结构图见图2。

2.2.2方案2：采用浮式固定钻孔平台

1)钻孔平台设计

钻孔平台由浮箱平台和4条φ720×14 mm定位钢管支腿组成。浮箱平台长度为13 m，宽度为6 m，高度为1.35 m。浮箱一端设置一U型缺口，U型槽口宽度不小于3.25 m，以便沉放钢护筒。

钻孔平台由平台主体及支腿两部分组成，两部分结构形式如下：

①平台主体

平台主体由上下两层槽钢构成基本骨架，骨架间通过槽钢增加其整体性；通过侧壁横肋、竖肋及分配承重梁构成平台主体顶层受力系统；底层由底板横肋、纵肋构成；底部及侧壁焊接钢板使平台主体构成上端开口的密封箱体，以便于水上转移；平台主体四个角上分别设有绞关，与绞关所连缆绳用以固定其水平位置。

②支腿

浮式平台设有四个平台支腿，平台支腿由上下两层槽钢构成基本骨架，上层槽钢与平台主体连接部分需焊接加固；上下层骨架以槽钢连接，构成“井”字型结构；在“井”字型机构内设有上下两侧钢抱箍，钢抱箍与定位桩通过螺栓松紧，用以安装或拆卸平台；每个支腿顶部设有千斤顶，千斤顶底部搁置与定位桩封头钢板上，顶部顶在水平工字钢上，用以承受竖向荷载及调节平台面标高。

钻孔平台结构图见图3。

2) 钻孔平台使用

①定位

a.初步定位。初测桩位，抛下浮标，距离桩中心80 m处，前后左右八字形抛下4只300 kg铁锚，用6×24Φ18.5钢丝绳作缆绳，绳长各100 m，现场根据实际地质条件进行增长或减短。

b.精确定位。浮式平台移至桩位处，将四根锚绳与浮式平台上四只绞关相连，用绞关移动平台定好桩位，固定绞关。

c.定位钢管桩就位沉放。利用水上起重平台将钢管桩吊至已固定的浮式平台的定位装置内，利用振动锤将定位钢管沉放至基岩(在就位前，潜水员先进行水下探摸，对于起伏较大的区域进行抛填碎石预先找平)。当定位钢管高出水面高度不能使用浮式平台调整高度时，用割管法或接管法以达到使用高度。沉放完成后，锁紧钢抱箍，使其与平台连接。

②高度调正

调高装置高出平台顶面1 150 mm，调整范围约50 cm。每个支腿设100 t油压千斤顶一个，油压千斤顶底部放在定位钢管封头板上，顶部顶在定位桩横梁上。安装好后，调整平台顶。

③平台移位

钻孔作业完成后，起锚取出钻锤；松开抱箍后4只千斤顶均匀卸力，使平台缓慢入水；利用水上起重平台配合振动锤将定位钢管取出。定位钢管提升足够高度后锁紧抱箍，使支腿钢管临时与平台连接，避免其底部在移动过程中碰触河床；铁驳就位，利用钢缆与平台绞关连接，拖曳整个钻孔平台至下一桩位。

2.2.3方案比选

钻孔搭设方案比选见表1，经比选，选定方案2中平台作为该工程桩基施工平台。

表1　钻孔平台搭设方案比选表

2.3　成孔施工

钢管桩施工采用全断面植入法，施工共分为护筒沉放、钻孔、清孔栽桩、混凝土浇筑四个过程。钢管桩施工示意图见图4。

2.3.1护筒沉放

工程所在地地质情况为中风化凝灰岩，属于高强度岩基，且岩面倾斜，钢护筒在沉设过程中底部易滑移，难以定位。故在护筒沉放前，利用冲击锤自由冲击将斜岩凿平。

因该工程钢护筒长度较长，最长钢护筒近30 m，自主设计起重平台起重高度受限，故采用两艘自主设计的水上起重平台抬吊作业。1号起重船侧设吊耳2个，2号起重船侧设吊耳1个。1号起重船打钩与2号起重船打钩各吊钢管桩一端使钢管桩入水。入水后，1号起重船小钩上提，2号起重船松钩。1号起重平台将钢护筒拖运至桩位处。通过1号起重平台将钢护筒喂入浮式固定平台“U”型槽内，通过全站仪反复调整护筒中心位置，使其中心位置偏差小于100 mm。位置调整完成后，通过型钢连接平台使钢护筒四周固定。钢护筒吊装示意图见图5。

2.3.2冲击钻进

冲击钻进采用低锤密击开孔，待成孔深度大于冲锤与冲程长度之和后便可进行正常冲程冲击。钻进过程中利用50 kW振动锤使护筒跟进。

2.3.3钢管桩栽立

每根钢管桩分两节进行安装，首先安装分节1钢管，安装完成后，进行钢筋笼安装、二次清孔并浇筑砼。待砼达到设计强度80%以后，将分节2钢管对接至分节1钢管上面。

分节1钢管栽立具体步骤如下：

a.潜水员水下割除距离泥面1 m以上钢护筒。

b.钢管栽立采用50 t起重工作平台进行吊装，将分节1钢管桩吊装至钻好的2.8 m直径的孔中。对于7#锚桩，单节重量53.4 t，已有起重船额定荷载为50 t，按照最不利情况，该工程最重钢管桩为53.6 t。在钢管桩内部焊接2块圆形钢板，与钢管桩焊牢，使用压缩机抽出其中空气，形成5 m3真空，并进行气密性试验。待钢管桩安装到位后，潜水员用水下切割的方式割除钢板。

故在钢护筒内设浮箱以减小起重船吊重。水的密度为1 000 kg/m3,故浮箱提供浮力为：

F浮=3.6×10=36 kN

浮箱自重取2 kN。

浮箱内容体积为：V=(36+2)÷1 000÷10÷1 000=3.8 m3。

该工程内置浮箱为5 m3>3.8 m3，符合要求。

2.3.4孔壁灌浆

在钢管下口，距离底部3 m范围内开30 cm×80 cm(宽×高)16只缺口，每圈8个，孔位成梅花形布置，便于在浇筑过程中混凝土能从孔壁间上翻。

为保证孔壁密实度，提高桩基在水平荷载下的稳定性，在底部缺口中间埋设直径48 mm压浆钢管，压浆管从底口连接至桩顶，钢管底口8 m范围内每10 cm间距钻4 mm小孔，每圈钻4个，成梅花状布置。混凝土浇筑完成后，潜水员水下将碎石抛填至孔壁内，然后将压浆管连接压浆设备进行压浆处理，以使孔壁密实。

3结语

富春江船闸上游引航道库区在断航情况下，通过浮箱拼装方案，有效解决了水上起重施工难题；针对深水、裸岩、库区水位变动及独立桩基特点，自主研究与设计出了浮式固定钻孔平台，在满足平台稳定性的同时，加快了平台周转速度，提高了生产效率，极大节约了施工成本；钢管桩孔壁灌浆技术等先进施工工艺的运用也提高了桩基质量。该工程的顺利实施，为我国一大批类似改扩建船闸施工积累了宝贵经验。

参考文献

[1]中华人民共和国交通运输部行业标准. JTS 257—2008 水运工程质量检验标准[S].

[2]中华人民共和国交通运输部行业标准. JTS 167—4—2012 港口工程桩基规范[S].

[3]徐维钧.桩基施工手册[M].北京:人民交通出版社,2007.

[4]蒋正荣,朱国良.简明施工计算手册[M].2005.

Uncovered Rock Full Steep Section of Rock-socketed Implanted Key

Techniques for Construction of Steel Pipe Piles

WUYao-ping,YIXiao,TUWei-cheng

(The First Construction Company of CCCC Second Harbor Engineering Co,Ltd, Wuhan 430012,China)

Abstract:Relying on Fuchun River lock expansion renovation project,in the conditions of reservoir under unnavigable for deepwater bare rock, steep slopes and no large-scale lifting equipment, full construction of large diameter section of the implant freestanding steel socketed pile was done.And this is an effective solution to the uncovered rock steady pile, deepwater drilling, lifting and how to ensure that the density of the gap between the steel pipe piles and holes in the concrete wall of the infusion process and other problems.

Key words:unnavigable reservoir;uncovered rock;fixed floating drilling platform;lifting platform;filling the hole wall

作者简介：吴姚平(1981-)，工程师.E-mail:120460775@qq.com

收稿日期：2015-10-03.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.014