深水裸岩大直径钻孔灌注桩护筒及作业平台施工技术

王勤荣 （中铁二十四局集团有限公司，上海 310000）

0 前言

随着当前我国公路交通运输建设迅速健康的发展,在长江、各类大型河流上已经修建了大量的大型小跨径公路桥梁,各种类型桥梁的基础施工对桩基结构要求越来越高,其中在松软土边坡地区主要就是采用钻孔式的灌注桩技术进行桩基施工[1],钻孔式灌注桩主要具有相比单桩施工承载力大、安全性高、适应于各种松软土层和硬质基岩等特点,被大量地运用于公路工程建设实际中,但采用钻孔灌注桩施工时成孔效果难以得到控制，成孔过程中孔壁容易出现塌孔等安全问题[2-6],因此钻孔灌注桩成孔保护中，主要采用了膨润土泥浆挤压护壁工法进行桩基础成孔施工。然而在一些基岩地区进行钻孔灌注桩施工时虽然不会出塌孔的危险，但在基岩地质条件下桩基施工中护筒安装难以稳定，给施工带来较大的难题。本项目泰和赣江特大桥桩基施工中，下部地质为裸露基岩，传统护筒安装技术无法满足要求，采用了裸露基岩桩基护筒锤击跟进二次下沉施工技术，有效保证护筒稳定性，确保后期桩基施工顺利进行。

1 工程概况

泰和赣江主桥1#～5#墩位于水中，桥位最高处两岸河面宽730m,桥面中轴线与两岸河道中轴线为88°斜交。桥址处常年施工最大水位58.74m，2#～3#墩位处平均水深14～15m,水流流动速度3.68m/s。由于长江水流河道冲刷严重,2#墩处的强风化基岩全部裸露,形成光板河床；3#墩段的河床主体表面为灰色砂砾覆盖层。地层分布从河床由上往下排布分别为:砾砂(200kPa)、强风性变化砂0岩(300kPa)、弱碱性风化变质砂岩(400kPa)。墩位处赣江河床上表面地势起伏不大,基面较平整。

2 总体施工方案及重难点

2.1 总体施工方案

为了方便水中各桥墩桩基的施工,达到“变水上为陆上施工”的施工目的,特大桥水中桥墩桩基均采用分别自长江两岸向江中方向搭设钻孔钢结构栈桥和水上固定钻孔桩平台方式进行钻孔桩基础的施工,在2#～3#墩间均预留出112m宽的横向通航间距作为航道。栈桥整体布置在水中桥位上游,在各水中墩部位栈桥与下游钻孔平台连接成一体。桩基施工时首先进行护筒安装，再利用钢护筒进行导向定位，然后通过采用水下泥浆挤压护壁方法结合重力冲击方法成孔，最后采用导管水下灌注混凝土的施工方案。

2.2 施工重难点

要有效保证钻孔桩作业的顺利实施，必须先解决几个关键难题:①桩基施工作业时的平台和桩基础如何在埋入河床下的裸岩上平稳立足落地生根,并在巨大水流量的冲击下始终保持稳定；②桩基施工作业时的平台和桩基础如何在埋入河床下的裸岩上，且平稳立足落地生根,并在巨大水流量的冲击下始终保持稳定。

3 桩基作业平台施工

针对河床为深水裸露基岩的情况，先利用“板凳”桩成桥，再采用植桩法替换临时桩，经体系转换后完成平台施工。结合承台、围堰尺寸及施工场地等综合因素确定主墩桩基作业平台的尺寸为23m×30m（布置如图1所示）。

桩基作业支撑平台的主体下部结构主体采用30根直径φ630×10mm的螺旋钢管作为架立柱,按照顺桥向6根,横桥向5根的群桩作业形式进行布置,支撑在砂质岩层上。施工时首先由上游向下游插打临时用的板凳钢管桩,搭设一个上部平台结构,待上部平台基本结构成型后,在临时板凳桩旁边处打入一个直径为1.0m的永久钢管桩护筒,采用压力冲击钻头经冲击而形成孔,钻孔时在入口的强风岩层钻孔超过3m后立即进行清孔，随后施工中采用水下导管法浇筑C30混凝土至原工程河床面以上，然后将永久钢管桩振动插打至设计标高，拔出钢护筒，最后进行体系转换完成平台搭设。植桩后的锚固长度应不小于3m，以保证钢管桩基础的承载力和整体稳定性，提高平台横向抗倾覆能力，抵抗洪水期水流冲击。钢管桩间距根据钢护筒的间距和钢围堰尺寸确定，钢管桩间采用［20槽钢作联结系，钢管顶纵向布置双拼I40a工字钢作为承重梁。

上部结构采用6组普通型单层双片式贝雷梁，每两片通过0.9m支撑架连接为一组，横桥向搁置于承重梁上，并用U型卡焊接固定；贝雷梁上按中心间距75cm放置I22a工字钢分配梁，并采用“U”型螺栓固定；分配梁上按净间距5cm扣放［20a槽钢封顶，形成作业平台，并在邻水周边设高1.2m防护栏杆（平台结构见图2）。

图1 栈桥及桩基作业平台布置（单位：cm）

图2 桩基作业平台1/4平面结构图（单位：cm）

4 钢护筒制作及下沉

4.1 钢护筒制作

2#、3#墩钻孔桩直径2.5m，采用外径为280cm、壁厚16mm钢护筒。2#墩钢护筒长 18.4m，3#墩钢护筒长17.8m，为便于运输，在加工厂分2节制作，然后运到现场焊接。护筒主体采用大型A3钢板卷制而成，焊接采用坡口双面焊，以便于保证整个护筒能够承受足够的水压力。为有效加强铸钢护筒的横向整体焊接刚度,在护筒横向两端焊接接头处分别加设厚16mm宽200mm的补强钢带进行补强。护筒底脚处加设厚16mm宽300mm的16M n钢带作为刃脚，护筒顶焊接一道加强肋，并配置一对吊耳。筒内两端头用角钢制十字撑保持护筒圆度。

4.2 钢护筒下沉

4.2.1 护筒定位

钢护筒顶面高度应尽量高出最高作业施工平台水位1.5～2.0m,并且应高出大型钻机移动作业施工平台0.3m,即该钢护筒顶面目标高度应为63.8m(2#墩)和61.1m(3#墩)。护筒的安装定位工作采用十字边桩定位交汇法方式进行,在插打护筒祖业前平台上应安设好导向架（如图3所示），导向架材料采用I22b工字钢焊接而成，在上下分别设置定位框，在导向架制作时保证内径比护筒外径大5cm。

4.2.2 护筒一次下沉

钢护筒自栈桥侧开始逐排从上游向下游进行插打，护筒下方过程中主要使用用50T履带吊将护筒吊入至导向架内部并下放，下方后对护筒位置进行调整，以此确保护筒中心与桩中心偏位控制在5cm，位置调整后将护筒焊接固定在导向架上。

第一节护筒与导向架固定后，在其上吊放第二节，校正位置后再将两节护筒连接处用缀板加强并焊牢，然后将第一节护筒和导向架连接部位割除，再次采用履带吊将整个护筒下放到河床表面，下放过程中必须保证垂直度在0.5%以内，然后采用DZ90型振动锤开始第一次下沉护筒锤击，使得护筒底部刃脚缓慢嵌入河床表面岩层（振动下沉施工见图4），如此重复上述步骤完成钢管桩第一次下沉。

图3 护筒定位导向架

图4 护筒振动下沉施工

4.2.3 护筒锤击跟进二次下沉

因2#墩处为裸露基岩河床，护筒一次下沉难以生根立足，初次振沉虽然贯入度达到要求，但嵌岩深度仅为0.2～0.8m，致使护筒底部严密性较差，且面对深水大流速环境更是无法保证其稳定性。为避免护筒底出现“穿孔”现象，护筒底应进入稳定岩层不少于3m。采取护筒锤击跟进法施工可以保证护筒有足够嵌岩深度，防止高液面泥浆因压力过大在护筒底部挤压泄漏，导致无法进行泥浆循环和钻孔施工，有效降低桩基施工风险，提升成孔质量。钻孔过程中主要采用冲击钻进行施工，在临时作业平台上布置6台钻机，同时需要对冲击钻锤头进行加工，锤头直径加焊至2.7m（见图5），钻机就位后先采用小冲程进行冲击钻孔，在进尺达到4m后方可移开钻机，解除护筒与周边连接件的连接，用50T履带吊车将DZ90型振动锤起作业，实现护筒振动下沉的目的，待护筒第一次跟进完成以后，将其与平台管桩用[20槽钢连成整体，然后钻机重新就位，将开始2.7m的锤头直径改为2.5m，冲击钻进2m后解除护筒与周边连接，再次进行护筒跟进，从而保证嵌岩稳固，最后将护筒锁定后进行正常钻进。待此6根钻孔桩施工完成后，再进行剩下6根钻孔桩的护筒跟进和钻孔施工。经锤击跟进二次下沉后的护筒有效嵌岩深度均在3～4m，满足施工要求。

图5 加焊锤头，增大钻孔直径至2.7m

5 结论

①针对桩基施工平台在裸露基岩上搭设困难，支撑钢管桩无法固定在河床上的难题，采用在临时桩旁打入钢护筒，用冲击钻冲击成孔，利用水下导管法浇筑混凝土至原河床面以上，然后将永久钢管桩振动插打至设计标高的方法解决裸露基岩支架搭设难题，为今后类似施工提供参考；

②裸露基岩河床桩基护筒难以生根立足，护筒施工中初次振沉深度无法达到要求，致使护筒底部严密性较差，且面对深水大流速环境更是无法保证其稳定性，据此提出裸露基岩桩基护筒锤击跟进二次下沉施工技术，采取护筒锤击跟进法施工可以保证护筒有足够嵌岩深度，防止高液面泥浆因压力过大在护筒底部挤压泄漏，导致无法进行泥浆循环和钻孔施工，有效降低桩基施工风险，提升成孔质量。