某桥梁深水基础施工中钢护筒变形原因分析及对策

姚帅彪, 商朋朋, 李浩师, 赵 磊

(长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

目前在桥梁工程、港口工程中,钻孔灌注桩的应用十分普遍.由于受桥位处水文地质条件的影响,在深水大跨径桥梁桩基的施工中[1],上部结构随跨度增大,自重增加,导致桩径不断增大,钢护筒直径也越来越大[2].因此需要埋入一定土层深度的较长的大直径钢护筒.由于长度大、直径大的钻孔桩钢护筒质量大,容易出现各种原因引起的变形.此类钢护筒[3]变形原因主要有:钢护筒的刚度相对不足[4];下沉过程中钢护筒存在不均衡的内外土压力[5];当地地质条件比较复杂[6].相对于具体的工程,在施工过程中容易受到自然条件和地质条件影响[7],一旦钢护筒发生变形,项目成本就会陡然增加.当桩基施工正处在项目的关键环节时,如果钢护筒发生变形,应及时找出钢护筒变形的原因,并针对变形原因做出妥善处理;如果处理不当,不仅会影响整个墩的桩基础施工,延误工期,甚者会出现重大的质量事故[1].因此有必要对出现变形的钢护筒进行具体分析.本文以某渡改桥实际工程为例,对钻孔灌注桩钢护筒在水中部分变形的原因进行详细分析,以此指导今后施工.

1 工程概况

本工程跨越长江支流,由于河流较宽,采用三跨斜拉桥[8],见图1.三跨斜拉桥全长651 m,主桥为(45+100+320+100+45) m双主塔双索面混凝土梁斜拉桥,引桥为30 m跨径预应力混凝土现浇箱梁;采用群桩基础,主塔墩各钻孔桩包括11根主桩,主桩为端承桩设计,桩径2.8 m,桩长63 m.其中③-2#桩基设计桩顶标高143.27 m,设计桩底标高80.27 m.

图1 双索面混凝土梁斜拉桥(跨度单位:cm,高程单位:m)Fig.1 Double cable plane concrete beam cable-stayed bridge(span unit:cm,altitude unit:m)

③-2#墩整体地质情况分为3层:第1层为2.4 m的覆盖层,主要为碎石土,成分为泥质粉砂岩;第2层为6 m的强风化岩层,主要为强风化的泥质粉砂岩,裂隙极其发育,岩芯多为碎块状;第3层约为43.4 m为中风化岩层,主要为中风化泥质粉砂岩夹细砂岩,岩体中裂隙较发育,裂隙角度较陡,岩体较破碎.

2 钢护筒制作施工及变形情况

2.1 钢护筒的制作

钢护筒采用Q235B钢材,钢板之间采用焊接连接使其连接成一个整体[9].钢护筒在工厂分节制造,采用长线法用螺旋板卷制,对每节钢护筒编号,并在每2节钢护筒接头处设置临时螺栓匹配件,进行试拼装.最后运输至墩位处接长.

为保证钢护筒在运输过程中不变形,在每节钢护筒两端安装2道十字形内支撑.护筒顶口内支撑的位置对应安装钢护筒打梢装置,兼做钢护筒起吊吊点.此外,在底节钢护筒底口增加加劲环箍钢板,增加钢护筒刚度,防止钢护筒在插打时发生卷边现象.

③-2#桩基钢护筒从下往上分6节,5道焊缝.第1道焊缝位于深度46.25 m,标高130.67 m处;第2道焊缝位于深度35.25 m,标高141.67 m处;第3道焊缝位于深度25.25 m,标高151.67 m处;第4道焊缝位于深度13.50 m,标高163.67 m处;第5道焊缝位于深度10.15 m,标高166.77 m处.节长分别为11.00、11.00、10.00、12.00、3.10、10.15 m.

2.2 钢护筒施工

由于钻孔平面将作为吊箱围堰底龙骨进行下放,为此需严格控制钢护筒插打垂直度.根据实际垂直度要求进行钢护筒插打导向架设计,测量人员在导向架安装、钢护筒插打过程中利用全站仪对导向架垂直度、钢护筒插打垂直度及在插打过程中的平台平面位置等进行全程监控,确保钢护筒施工质量.

(1) 导向架制作安装.钻孔平台精确定位后,放样角桩桩位中心线,安装钢立柱定位导向架,测量人员严格检查导向架平面位置偏差.导向架与型钢骨架连接牢固.

(2) 钢护筒插打.钢护筒插打采用APE400型液压振动打桩锤.根据U型河谷特点,为避免在插打过程中,护筒底口在斜坡面上产生的水平分力对平台平面位置造成影响,施工时,先插打靠岸侧2根辅助桩钢护筒,再插打河中侧2根钢护筒,将平台在桥轴线反向做好限位,以利钢护筒平面精确定位,再施工剩余钢护筒.

钢护筒插打前,在右岸岸边类似地层进行工艺试验,以确定振动锤施工工艺参数选择.钢护筒插打时,运输船装载钢管停靠在拼装船处,浮吊的主钩吊住钢管柱上口、副钩吊住下口,同时提升使其悬空,然后主钩继续提升,直至钢管柱垂直,最后松脱副钩.

吊运钢护筒从定位架导向孔插入后缓慢下放.整根钢管柱长度较长,需要边吊装边分段接长.钢护筒接长时,先将已插入的节段利用打梢装置吊挂在平台上,然后将接长段起吊对位焊接.对接时控制好钢管立柱垂直度,接头采用开坡口熔透焊接,接头处利用12块钢板补强.钢管柱对接完成后,浮吊配合进行下放,直至钢管柱下端进入河床不沉为止.

钢护筒进入河床后,用浮吊主钩吊起APE400液压振动锤到桩头,用锤夹夹紧桩壁.为了防止对钢管柱变形的破坏,在夹紧器范围对钢管柱头安装加强装置.启动振动锤沉桩,插打钢管柱,直至达到设计深度,记录下此时钢管柱长度并计算柱底标高.插打过程中要同步松长吊机的起重绳,控制锤身与桩身保持垂直状态,钢管柱要求垂直度≤0.35%,且偏移量≤15 mm,护筒平面位置偏差不超过20 mm.

移开振动锤,安装吸泥机,将钢管柱底河床覆盖层从管内吸出,再安装冲击钻机钻孔施工.

2.3 钢护筒变形情况

在③-2#主墩桩基孔钻进到位后开始清孔,1 h 后准备测量孔深时,现场出现异响.现场人员随即对钢护筒探测,发现③-2#钢护筒发生变形,其余钢护筒并未变形.③-2#钢护筒变形情况如图2所示.

图2 钢护筒变形情况Fig.2 The deformation status of steel casing

经过分析可知,钢护筒连接处焊缝未撕裂,仅发生变形,变形情况如下.

(1) 水下6 m(即标高163.92 m)处变形严重.

(2) 水深约28 m(即标高141.92 m)处变形逐渐还原.

(3) 水深约37 m(即标高131.92 m)处变形还原,护筒无破裂.

钢护筒变形情况以及清理平台后对桩基使用检孔器进行检孔,结果如图3所示.

图3 成孔质量报告和变形情况Fig.3 The quality report of pore-forming and deformation condition

根据图3可知,在护筒顶口向下69～74 m(标高为107.92～102.92 m)、79～83 m(标高为97.92～93.92 m)处存在局部塌孔现象.护筒变形较大区域在护筒顶口向下36 m左右,河床面上10 m范围护筒变形很小或没有变形.③-2#护筒的最大埋深9.2 m,最小埋深6.5 m.疑似钻机锤头位置在护筒顶下30～32 m(标高为146.92～144.92 m)处,与现场量测钻机钢丝绳长度验算锤头位置基本一致,可确定锤头位于护筒顶下(30±1) m位置,即钻机锤头在钢护筒内.由于钢护筒变形较大,锤头被卡住,上下移动困难.

3 钢护筒变形分析

3.1 初步分析

综合考虑多种情况,钢护筒出现变形的原因主要有以下几个方面.

(1) 钢护筒制作精度导致钢护筒出现变形.大量的工程实践表明,钢护筒的不圆度对钢护筒的受力影响较大.没有经过加工的钢护筒其临界应力只有计算值的15%～60%.在插打过程中,钢护筒的不圆度逐渐增大,钢护筒出现变形的风险逐渐增大.

(2) 钢护筒受环向应力较大,导致钢护筒变形.在施工过程中,钢护筒底部轴向应力较小,而环向应力较大.在钢护筒下沉过程中,内侧土体较少,一般为泥浆,大部分土体被挤出钢护筒外,由此形成较大的压力差.当出现的环向应力大于钢护筒非弹性屈曲环向临界应力值时,钢护筒会发生变形.

(3) 钢护筒承受较大的竖向应力导致钢护筒变形.在清孔过程中,孔内发生塌孔,钢护筒承受向下的作用力,在焊缝处发生撕裂,进而使钢护筒承受集中力,导致护筒出现变形.

(1)、(2)两个原因一般会导致钢护筒底部出现变形,而本工程钢护筒变形发生在水中.结合成孔检测仪对孔道的整体扫描结果,钢护筒变形情况初步判断如下:孔内局部坍塌对周围岩层产生扰动,影响了护筒与岩层摩阻力,使护筒内应力相应增大,在护筒焊缝薄弱处撕裂,进而使护筒瞬间变形.

3.2 有限元分析

本文采用midas FEA对钢护筒进行有限元建模分析.桩基钢为Q235B钢材,规格为直径3 140 mm,钢板厚度20 mm,护筒长度57.25 m.采用壳单元模拟护筒.计算工况如表1所示.

表1 建模工况Table 1 The modeling condition

(1) 工况1作用下的有限元分析分析结果如图4所示.

图4钢护筒承受自重载荷计算结果图

Fig.4 The calculation result diagram of steel casing bearing deadweight load

由图4可知,在护筒吊耳处取得最大位移,最大位移为44.8 mm.

(2) 工况2作用下的有限元分析结果如图5所示.

由图5可知,撕裂点作用在吊耳下方时,吊耳附近的最大位移为53.9 mm;撕裂点在垂直于吊耳的连线的下方时,吊耳附近位移约84.6 mm,护筒口倾斜,垂直吊耳连线方向上最大位移约465.7 mm.

(3) 工况3作用下的有限元分析分析结果如图6所示.

由图6可知,撕裂点作用在吊耳下方时,吊耳附近的最大位移为43.5 mm;撕裂点在垂直于吊耳的连线的下方时,吊耳附件的位移约195.0 mm,护筒口倾斜.所以垂直吊耳连线方向上的最大位移约1 075.2 mm.

图5 钢护筒第1道焊缝撕裂图

(4) 工况4作用下的有限元分析分析结果如图7所示.

由图7可知,撕裂点作用在吊耳下方时,吊耳附近的最大位移为309.0 mm;撕裂点在垂直于吊耳的连线的下方时,吊耳附近的位移约354.0 mm,护筒可能发现较大变形.所以垂直吊耳连线方向上的最大位移约1 946.0 mm.

图6 钢护筒第2道焊缝撕裂图

图7 钢护筒第3道焊缝撕裂图

通过4个工况的分析比较可知:在工况2的作用下,钢护筒第2道焊缝撕裂,撕裂点垂直于吊点下方;在工况3的作用下,护筒第3道焊缝撕裂,撕裂点垂直于吊点下方,所产生的变形与现场实际护筒产生的变形最为接近.由此判断,护筒可能在第2道焊缝或第3道焊缝处撕裂.

4 变形钢护筒处理对策

4.1 处理方案的选用

根据③-2#墩实际情况,处理变形钢护筒方案有以下2种.

(1) 拔除变形钢护筒,重新插打钢护筒.其优点是减少水下处理的工作量,操作简单,不留后患.缺点是自重-浮力+侧摩阻力=673 t,整体拔出难度大,拔出后插打无法完全切入原插打孔位,钻孔时锤头受力不均,钻孔难度大.

(2) 切除变形钢护筒,部分更换新钢护筒.其优点是不影响已成孔孔位,只需清孔即可.缺点是:受底龙骨空间限制,如切割后护筒仍有变形,将大护筒套上难度大;③-2#桩基钢护筒作为围堰封底的主要受力点,必须确保对接质量,难度大.

考虑到钢护筒整体拔出难度极大,因此采取方案(2)切除变形钢护筒,部分更换新钢护筒.

4.2 施工设备

处理变形钢护筒需要直流电焊机、潜水电话、水下割钳、切割电焊条、氧气瓶、潜水用品等设备.

4.3 处理流程

③-2#桩基护筒处理根据水位下落情况可与围堰施工同步进行,事先做好孔内回填等预处理措施.在做好③-2#桩基护筒的保护措施的前提下,率先完成③#墩剩余2根钻孔桩施工,采取水下切割变形钢护筒,重新对接新制钢护筒完成冲击成孔.变形钢护筒处理流程如下.

(1) 剩余桩基施工:剩余桩基③-9#、③-8#桩基继续施工完成.

(2) 固定钻头、切割钢护筒.将钻机钢丝绳收紧,使钻头由钢丝绳受力,防止切割护筒后钻头突然受力下落.在变形护筒顶部焊接4个挂桩并在护筒上焊接4个吊点,割除原已变形挂桩,使护筒处于自由状态.利用150 t浮吊吊钩下挂设4根φ32钢丝绳,吊挂在钢护筒吊点上,收紧,保持钢丝绳处于绷直状态,潜水员下潜至标高131.92 m处,将钢护筒在此处横向切割,切割完成后150 t浮吊将切割下来的钢护筒吊出,钻机钢丝绳同步收紧,将钻头提出.

(3) 水下对接变径钢护筒.在工厂加工变径钢护筒,变径钢护筒上面直径为3 100 mm,段长45 m,下面直径为3 400 mm,段长6 m,最下部设置导向装置,方便钢护筒对接.将工厂加工的变径钢护筒运至施工现场,检查验收合格后,分段对接下放,变径段作为最底节,底部下放至标高131.92 m处时,潜水员下水查看对接情况.根据潜水员查看的对接情况,调整钢护筒平面位置,使新制钢护筒能顺利套上预留的原钢护筒,套进原钢护筒后,钢护筒继续下放,将新制钢护筒落至河床面上,新制钢护筒的重量由河床面承担.

(4) 钢护筒夹缝内注浆.钢护筒位置调整后,顶口焊接限位并与平台焊接固定,在新旧钢护筒夹缝内抛填粒径为5～10 mm的碎石,直至填充至变径处,碎石填充完成后,通过预先安装的注浆管进行注浆,并制作试件.

(5) 清孔、浇筑等强度混凝土.注浆完成之后,等待混凝土强度达到设计强度后,进行③-2#桩基的后续施工.

4.4 注意事项

(1) 加强潜水摸排工作,确定钢护筒未变形处的位置,确保割除后新制钢护筒能顺利套入原护筒.

(2) 加强工厂加工变径钢护筒质量控制,确保钢护筒加工精度.

(3) 加强导向装置、注浆管安装质量控制,以免对钢护筒的对接及注浆工作造成影响.

(4) 加强注浆质量控制,③-2#桩基钢护筒作为围堰封底的重要支撑体系的一部分,确保其结构受力.

(5) 加强钢护筒姿态调整,确保后期围堰能顺利下放.

5 结 论

根据模型计算及现场实测分析认为,桩基钢护筒变形多数是由于塌孔造成的.其中明显的细节为施工单位并未持续进行施工,中间存在一段时间的空白期,存在塌孔变化不可控因素,并且由于塌孔造成钢护筒受力变化,导致土体对钢护筒产生向下的作用力,使钢护筒焊接薄弱处产生撕裂,使撕裂上部钢护筒受向下的集中力的作用,从而产生变形.

通过以下5个步骤可以有效解决钢护筒变形问题:①固定钻头,切割钢护筒;②提出钻头及变形钢护筒;③水下对接变径钢护筒;④钢护筒夹缝内注浆;⑤清孔、浇筑等强度混凝土.实践证明,水下电气法切割钢护筒投入少,设备简单,操作可行.此外应连续施工,避免间断施工,以减少施工中发生钢护筒变形的不确定因素.