水下倾斜裸岩面埋设超大直径桩基钢护筒的施工方法

文／中交北疆工程咨询有限公司 章孝建

关键字:水下；倾斜；裸岩面；超大直径；桩基；钢护筒；埋设

1 工程概况

湖南省祁东归阳至常宁蓬塘高速公路石潭湘江大桥横跨湘江河道，桥位湘江水面宽约464m，常年水深约12m（上下游均有航电枢纽船闸，常水位及流速较稳定），汛期最大流速为2.2m/s，通航等级为内河Ⅲ级。

全桥桥跨布置为（24×30+67+3×110+67）m 预应力砼小箱梁+预应力混凝土悬浇连续箱梁。主桥桩基共20 根，均为端承桩，其中24#墩为水中过渡墩设置4 根D2.8m 桩基；25#、26#、27#、28#墩均为D3.6m 桩基。

本文以27#墩为例，设计桩长58.5m，墩位处河床为少量卵石，多为裸露中风化泥质粉砂岩，单轴饱和抗压强度为8.33MPa，岩体较完整。该墩0#、1#和2#桩基岩面最大高差为2.91m，最大坡度22°。

该类桩基的施工难点和关键先决条件在于钢护筒的埋设效果。直接下沉护筒，护筒底脚有缺口且定位很难；即使在护筒和围挡间浇筑混凝土进行稳固，混凝土也极不稳定，效果也不理想。通过认真研究地勘资料和实地水下探测，经过多方论证、方案比选，钢护筒埋设方案采用“祼岩斜面初平+钢护筒四周浇筑水下混凝土封底固定”工艺，27#墩钢护筒埋设方案见图1。

图1 27#墩钢护筒埋设方案

2 钢护筒制作方案

钢护筒制作设计

本桥主墩桩基均为超大直径桩，依据设计与《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011），计算得出钢护筒内径不得小于 3.897m，取3.9m。采用公式：d ≥（D/2+h×i+d′)×2 =（3.6/2+19.7×0.5%+0.05)×2=3.897m

式中：D——为设计桩径（m），取值为 3.6m；

h——为钢护筒长度（m），按最长的19.7m 计算；

i——钢护筒设置倾斜率（%）

d′——钢护筒平面位置允许误差（m）

钢护筒拟采用12mm 厚Q235C 钢板卷制拼焊而成，加工内钢护筒顶、底节端部均满焊50m 高的加强段，壁厚为20mm，与钢护筒材质相同，防止变形。钢护筒顶口低于钻孔平台标高20cm，推算钢护筒长度依次为19.2m、18.0m、19.7m 和19.6m，单根桩钢护筒重分别为29.43t、27.60t、30.20t 和30.05t。

加工工艺及质量控制要点

钢护筒加工在祁东岸临建场地内专设的钢结构加工场进行，先制作小管节，再焊接接长，焊缝均采用直焊缝型式，要求不低于二级焊缝标准。加工场内配置1 台高精度三辊自动卷板机，2 套高效率的辅助焊接组拼设备及2 台50t 汽车吊。现场加工流程为：材料检验、焊接工艺试验、工艺指导书编制、划线号料、板边处理、卷制成形、单件焊接等。钢护筒加工质量控制要点为：

（1）采用定制尺寸钢板，以方便施工，减少损耗。

（2)钢护筒节段卷制时，先将四面开好坡口的板料置于卷板机上滚弯，为了防止歪扭，先对整板对中，纵向中心线与轴轮线保持严格的平行，并用挡板挡紧。由于护筒直径太大，上口需要一直用吊车辅吊稳位。

（3)每一节钢护筒节段卷制成形后，点焊固定纵缝，再下卷板机，置于台座上施焊纵缝，采用半自动埋弧焊机进行。为了消散焊接应力，焊接好的钢护筒节段可再上卷板机重复卷压多遍，直至整体线形圆顺。

（4)根据类似工程经验，钢护筒的加工质量直接影响到沉放质量，如 由于焊缝质量问题造成的钻孔时泥浆大量渗漏；由于椭圆度超标造成沉放过程中护筒壁局部失稳；由于弯曲矢高超标造成沉放就位偏差过大；由于管端倾斜度严重超标造成护筒竖直度不满足要求等。

3 对祼岩的倾斜面盲打初平

3.1 通过放样确定桩位，用测绳将桩中心4m 范围内的地势进行初测，然后由潜水员下水摸清岩面情况。

3.2 在27#墩位搭设水中钻孔平台，由上而下采用钢板+型钢+贝雷架+钢管桩组合结构（钢管桩采用引孔栽桩法施工）。

通过钻孔平台，在桩孔处用大直径冲击钻(直径2.5m)进行盲打，初步将高处斜面锤平，使其与低处相大致平齐，水下盲打范围应大于护筒直径约1m 左右(约为5m 范围)；在初平过程中，要反复用测绳量测深度，基本平齐后，用掏渣筒将破碎岩石清除。

解决难题：由于桩位处为斜坡岩面，钻头接触面积不足1/2，容易侧滑，难以钻进。故对钻头进行微改，将钻头一侧增加配重，使钻头重心发生偏移，能让整个钻进的力量集中锤打到斜面上。

4 钢护筒的就位

4.1 在祁东岸设置钢结构加工场，配备50t 汽车吊方便钢结构拼装、焊接及运输。单件钢护筒加工并验收合格后，通过24#墩的下河码头下水，利用平板驳船运送至墩位，采用120t 浮吊起吊对接安装。为防止护筒在吊装及运输过程中发生变形，护筒内部均增设“米”字形支撑架，每节段底口跟顶口各设置一道支撑架，支撑架本身应具有足够的刚度。钢护筒对接时需要对接头进行处理，包括增加校圆对接、开坡口、预热、增加加强板等工序。

4.2 单根钢护筒沉放工艺流程如下：

导向架安装定位→首节护筒入导向架→测量校核→首节下沉→测量校核→第二节接长、焊缝检验→第二节下沉→移走上导向架→继续下沉到位→防护方案。

4.2.1 钢护筒的装运

（1）根据钢护筒沉放时的施工顺序和吊装的可能性，按顺序分层装船，减少二次倒运；

（2）装运钢护筒应采用多支点堆放，垫木均匀放置，并适当布置通楞，垫木顶面宜在同一平面上；

（3）钢护筒堆放形式应使运输船在堆放、运输和起吊过程中保持平稳；

（4）对运输船舶进行严格检查、采取必要的加固措施；

4.2.2 钢护筒起吊及堆放

（1）钢护筒应堆存在专用的台座上，台座基础必须有足够的安全稳定性，并有良好的排水设施。

（2）钢护筒应按不同的规格分别堆放。堆存形式和层高应安全可靠，避免产生轴向变形和局部压曲变形。

（3）钢护筒在起吊、运输和堆存过中，应避免由于碰撞、摩擦等原因造成管端变形。

（4）吊运时应使各吊点同时受力，徐徐起落，减少冲击。

现场安装钢护筒如图2 所示。

图2 现场安装钢护筒

4.3 安设钢护筒时，先用全站仪进行导向限位架安装放样，拉十字交叉线确定导向架中心位置定位固定，纵向限位用承重梁上双拼10 槽钢限位钢护筒边线并焊接牢固，横向限位槽钢焊接贝雷架上层反扣槽钢上。上下层限位槽钢用水准仪和垂球控制好垂直度。移动钢护筒，使钢护筒中心与孔位中心位置重合。同时用水平尺或垂球检查，使钢护筒垂直。上口平面偏差控制在5cm 以内，竖直方向倾斜度不超过0.5%。钢护筒限位撑如图3 所示。导向架的安装要点：

4.3.1 在钻孔平台孔口设导向架，其上层与平台间3I36工字钢承重梁焊接连接，下层与贝雷架底部反扣[22d 槽钢焊接固定。导向架主要作用：保证钢护筒在自重作用下能够垂直下沉。

4.3.2 导向架安装固定

（1）导向架采用50t 浮吊吊装移位，并锚固在已完成钻孔平台的预留钢护筒顶口位置，导向构架与下部桁架通过螺栓相连，以确保导向装置的稳定，同时也便于倒桩时拆卸。采用这种方式施工时导向较固定，施工方便，调整容易，操作安全，使用的机具设备少，比较经济。

（2）导向架的下端悬臂段采用“井”字形型钢固定在平台周边的钢管桩的上下平联上，或将导向架与井字架焊成整体然后固定在钢护筒四周的4 根钢管桩上。

（3）导向装置内设置有供钢护筒定位、纠偏、调整的液压千斤顶和锁定装置。对钢护筒进行微调定位、施沉过程中纠偏、调整的锁定装置。

图3 钢护筒限位撑

5 钢护筒底部固定砼

河床底部先采用采砂船进行河床清理，为钢护筒底部的外侧固定砼清理结合面，然后下放围挡模板，在围挡上设置4个吊点，沿着平台钢管桩放样的间距标记边缘垂直下放至河床底部，通过对拉杆将其模板固定。潜水员下水对围挡模板四周空隙处及模板与河床衔接不密实处用砂包封堵，避免混凝土流失。然后进行封底混凝土浇筑，封底混凝土将护筒连成整体提高稳定，及保持钢护筒内钻孔时水头高度。

5.1 围挡制作及安装：根据前期引孔、初平和测孔数据，大致计算围挡模板下料尺寸，并在祁东岸的钢结构加工场地制作，利用废旧平面钢模组装、焊接围挡模板，整体平面尺寸为7.9m×28.5m，高为 1.5m-4.0m 不等，围挡总重约11t，用平板驳船运至墩位处，浮吊吊装下放。

5.2 浇筑混凝土封底前，潜水员再次对钢护筒及围挡四周与水下岩面结合情况进行检查，若有缝隙，则用砂包封堵。

5.3 钢护筒和围挡稳固就位后，安设混凝土浇筑点，采用水上砼运输船，运输到输送泵船上进行泵送，浇筑点采用泵导管+导管+集料斗方式进行，浇筑方式等同桩基混凝土水下浇筑方式，考虑一次性埋管深度不小于50cm，浇筑点导管采用桩基灌注的导管及集料斗，不需要重新采购。在施工平台沿钢护筒中心线布置5 个混凝土浇筑点，浇筑高度为钢护筒埋置深度1.5m，该墩围挡内混凝土浇筑方量约为289.14m3，考虑到设置的浇筑点沿护筒中心线横向布置相距较远，故对混凝土的塌落度及扩展度进行试验确定。

图4 钢护筒外侧底部砼浇筑点平面图

图5 钢护筒底部砼浇筑

一般对混凝土进行塌落度试验在测量其扩展度，当混凝土拌和物的坍落度大于220mm 时，用钢尺测量混凝土扩展后最终的最大直径和最小直径，在这两个直径之差小于50mm的条件下，用其算术平均值作为坍落扩展度值；混凝土拌和物坍落度和坍落扩展度值以mm 为单位，测量精确至1mm，结果表达修约至5mm，混凝土坍落度和扩展度是对应关系，如混凝土坍落度180-220mm，对应扩展度450-550cm，满足围挡内浇筑范围，如图4、5 所示。

6 结语

石潭湘江特大桥27#墩的地形条件十分特殊，我们在实践中根据不同条件采用不同的方法来解决钢护筒底端及护筒本身的稳定问题。实践证明这种方法在水下倾斜祼岩面上埋设钢护筒都显示出它的合理性与经济性。由于在这种特殊的河床地质条件下护筒底部封水和稳固得到了解决，从而保证了3.6m 超大直径桩基在成孔过程中，孔内水头差得到有效保障，成孔进度和质量均得到较大的保证，为同类地形的超大直径桩基施工提供参考价值。