大直径钢护筒气顶拔除方法

曾亿忠，张俊光，张成林

（中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武汉 430014）

0 引言

水上桥梁钻孔灌注桩常以超长钢护筒作为围护结构，钢护筒的施沉常采用振动锤击法，由于特殊原因导致施沉后钢护筒不能满足工程桩基施工，需拔除后重新施沉[1]。王家红[2]等对套管护壁拔桩法研究表明，其适用预制混凝土打入桩的拔除，且为破坏性拔除；李大勇[3]等研究的套钻成孔减摩吊拔桩法可将单根桩基一次性全部拔除；冯博[4]等研究的压力顶升拔除法，可适用于钢护筒拔除，但在护筒开始顶升移动瞬间，静摩擦力瞬间变为动摩擦力，气压控制较难，且存在安全风险。因此有必要对护筒安全高效拔除工艺进行研究，解决特殊地层大直径钢护筒拔除难题，为同类型施工提供借鉴。

1 工程背景

1.1 工程概况

漳州市金峰大桥跨九龙江，设计跨径为（75+120+75）m 变截面预应力混凝土连续箱梁，双幅设计，单幅梁宽23.5 m。2 个边墩基础分别为8根直径1.8 m 钻孔灌注桩；2 个主墩基础分别为8根直径2.5 m 钻孔灌注桩，原设计桩基均为端承桩。采用栈桥及钻孔平台法施工水上工程，采用振动锤击法施沉钢护筒，冲击钻施工钻孔灌注桩。

1.2 水文地质条件

1）九龙江位于饮用水保护区，受上下游桥梁及水闸影响，桥位段水域不通航，大型起重设备无法进入施工水域。

2）该工程所在区域，桥位处地质条件复杂，局部岩面起伏较大，地质含中砂层、粗砂层、圆砾层、花岗岩层等地层。

1.3 护筒拔除原因

在临时钢平台、钢护筒施工完成后对主桥各墩位进行了逐孔位地质补勘。14 号墩位因岩性较差，经设计单位验算后将该墩位原设计的嵌岩桩调整为摩擦桩，桩间距按照设计规范摩擦桩要求进行相应调整，已经施工完成的钢护筒需拔除后重新施沉。原设计基础结构与变更后基础结构对比图如图1，图中虚线与实线分别表示原设计与变更后基础结构。

图1 原设计基础结构与变更后基础结构对比图（cm）Fig.1 Comparison between the original design infrastructure and the modified infrastructure（cm）

14 号墩位经补勘后地质情况自上而下依次为中砂、粗砂、圆砾、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩。本墩位处16 根钢护筒已全部施沉到位，钢护筒直径φ2 900 mm，壁厚12 mm，施沉时钢护筒底标高嵌入圆砾层0.5～1.0 m 范围。

2 施工难点

1）主桥为本项目的关键线路工程，根据工期安排，钢护筒拔除工期需控制在15 d，拔除工期紧。

2）钢护筒施沉时，在钢平台上安装好导向架后，先采用80 t 履带吊下放钢护筒就位，千斤顶限位钢护筒使其垂直度满足要求后，履带吊单独起吊DZ120 型振动锤施沉。若采用履带吊和振动锤拔除钢护筒的方法，需提升履带吊型号为150 t以上，原设计的支栈桥承载力不能满足要求。

3）结合相关工程经验和地质勘探芯样，福建地区地质情况复杂多变，粗砂和圆砾层的粒径变化范围较大，侧摩阻系数无法准确估量，钢护筒拔除所需克服的摩阻力无法精确计算。

4）行业内快速拔除钢护筒的工艺案例较少，施工难度较大。

3 钢护筒拔除方案比选分析

1）方案一：加固现有支栈桥，利用大型起重设备配合振动锤拔出钢护筒。

2）方案二：封闭护筒口，向护筒内加压空气顶升钢护筒，起重设备提升拔出钢护筒。

3） 方案三：封闭护筒口，向护筒内加压空气，起重设备+振动锤辅助拔出钢护筒。

3 个方案比选见表1。

表1 钢护筒拔除方案比选分析表Table 1 Comparison and selection analysis table of steel casing removing scheme

分析认为：采用方案三，护筒内加压、起重设备与振动锤辅助的组合工艺，可降低施工成本，提高施工效率。与其他方案相比，可降低护筒拔除安全风险。

4 “气顶法+振动锤”钢护筒拔除技术

4.1 工艺原理

1）振动对土层的液化机理

振动锤带动钢护筒振动，在护筒周围被扰动的土中超孔隙水压力不断积累，土体间有效应力逐渐减小直至丧失抗剪强度，引起土体液化[5]。

2）土层液化对桩侧摩阻力性状影响机理

土体液化随时间变化，液化土层固结引起地面的沉降，从而产生负摩阻力。负摩阻力包括上覆液化土层中桩侧负摩阻力和液化土层中桩侧负摩阻力两个部分，其峰值可能高达非液化条件下桩侧摩阻力的50%以上[6]。

3）振动拔桩动摩阻力

钢护筒长度18 m，入土深度为8 m，依次穿过中砂3 m、粗砂4.5 m、圆砾0.5 m。单根钢护筒重G1=153.8 kN。根据地勘情况地层摩阻力标准值见表2；参照JGT 94—2008《建筑桩基规范》[7]与JTGD 60—2015《公路桥梁设计通用规范》[8]土层的液化折减系数取1/3。

表2 各地层侧摩阻力标准值Table 2 Standard values of lateral friction resistance for each layer kPa

静力拔钢护筒静摩阻力FV1=3 874.6 kN。

液化土层钢护筒动摩阻力FV2=3 874.6×1/3=1 291.5 kN。

4）护筒顶升气压力计算

拔桩过程中临界顶升力Tc等于钢护筒重G1与护筒动摩阻力FV2之和，即T=1 445.3 kN，进而护筒内顶升临界气压力P1=1 445.3 kN/（6.6 m2）=0.22 MPa。

5）护筒顶升过程中摩阻力与护筒内压力变化关系

在护筒内气压达到设计气压后暂停加压，履带吊缓慢起钩（过程中振动锤为压重作用），带动钢护筒出土。钢护筒内部气压对封口板向上的作用力能够克服钢护筒与周围土体间摩阻力和钢护筒自重时，随着钢护筒的顶升、入土深度的变化，内部气压对封口板的顶升力T 和动摩阻力FV 的减弱趋势如图2 所示：由图示可知，顶升力较摩阻力下降速率慢，因此需进行压重。顶升力与动摩阻力变化如图2。

图2 顶升力与动摩阻力变化简图Fig.2 Change diagram of top lift and frictional resistance

4.2 操作要点

1）泥浆制备：由于地质为透水地层，加压前进行空隙封堵，采用黄黏土制备高比重泥浆。

2）钢护筒顶口封闭：将钢护筒上口用钢板封闭形成密闭空间，预留增压孔，采用20 mm 厚钢板作封口板环向与钢护筒整体焊接，周边设加强劲板补强，在封口板1/3 和2/3 直径处再焊接2 根I20a 型钢对封口板进行补强，以增加封口板中间区域刚度，见图3。

图3 钢护筒顶口封闭结构图Fig.3 Closed structure drawing of top opening of steel casing

3） 振动锤液化土体：利用80 t 履带吊配合DZ120 振动锤夹紧钢护筒振动5 min 左右，将钢护筒周围土体充分液化。

4）空压机加压：经计算顶升临界气压为0.22 MPa，选用1.0 MPa 空气压缩机、配5 MPa 中压软管。采用软管连接空压机与护筒孔，空压机加压至临界压力。

5）停止加压并将振动锤缓慢提升：护筒开始上升时，立即停止空压机加压，振动锤夹紧钢护筒往上提升，上升时履带吊缓慢起钩，带动钢护筒出土。

6） 减压提升：钢护筒缓慢提升至埋深1 m时，空压机减压，至护筒内气压力与大气压相同，利用履带吊将护筒拔出地层。

4.3 现场实施效果

采用“气顶法+振动锤”钢护筒拔除工艺，避免了对钻孔平台及支栈桥进行加强处理，降低了对施工机械设备的要求。本工程采用此工艺仅用了7 d 时间完成了16 根钢护筒的拔除，缩短了工期，降低了施工成本。现场实施见图4。

图4 “气顶法+振动锤”钢护筒拔除工艺现场实施图Fig.4 Field implementation diagram of"gas cap method+vibration hammer"steel casing removing process

5 结语

依托漳州市金峰大桥钢护筒拔除实例，通过多方案比选、方案优化及理论分析，提出了“气顶法+振动锤”钢护筒拔除工艺，并通过现场实践验证了本工艺的安全性及经济合理性。本工艺操作简单，成本投入少，经济快速，安全可靠，可为今后类似工程施工提供借鉴。