強(qiáng)潮急流河段大直徑樁基鋼護(hù)筒沉放關(guān)鍵技術(shù)

摘 要：嘉紹大橋地處世界聞名的錢塘江涌潮河段，橋位區(qū)水文條件復(fù)雜，河床寬淺，潮強(qiáng)流急，沖淤劇烈。在強(qiáng)涌潮區(qū)進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工是大橋建設(shè)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，而鋼護(hù)筒的沉放是否順利是樁基礎(chǔ)施工的關(guān)鍵所在。通過選擇合理的鋼護(hù)筒下沉?xí)r機(jī)，采用大剛度的簡(jiǎn)支導(dǎo)向架進(jìn)行導(dǎo)向定位，配合大功率振動(dòng)錘振動(dòng)下沉，分析橋位區(qū)水文特點(diǎn)，有針對(duì)性的采取防沖刷和糾偏措施并實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控等，順利完成了114根大直徑樁基鋼護(hù)筒的施工，下沉精度全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)潮急流河段；鋼護(hù)筒 下沉；導(dǎo)向架；振動(dòng)錘

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）07-0087-02

1 工程概述

嘉紹跨江大橋主航道橋?yàn)榱?dú)柱四索面鋼箱梁斜拉橋，其跨徑為70+200+5×428+200+70=2680m。大橋北岸主通航孔橋共114根樁基礎(chǔ)，中塔承臺(tái)設(shè)置有32根樁基，邊塔承臺(tái)設(shè)置有30根樁基，索塔基礎(chǔ)樁頂標(biāo)高均為-10.5m，樁長(zhǎng)108～113m不等；輔助墩及過渡墩各設(shè)置10根樁基，樁頂標(biāo)高均為-9m，樁長(zhǎng)92m；所有樁基礎(chǔ)均為直徑φ2.5m的摩擦樁。

依據(jù)施工期實(shí)測(cè)資料，橋位處的錢塘江河口尖山河段實(shí)測(cè)最大潮差8.59m，涌潮試驗(yàn)得到橋位附近涌潮流速可達(dá)9.0～10.0m/s，橋位處100a一遇設(shè)計(jì)涌潮高度為3.0m，涌潮壓力為70kPa。施工前河床標(biāo)高-5m左右，最大水深可達(dá)10m，根據(jù)水槽模型試驗(yàn)，施工期河床局部沖刷可達(dá)19m。樁基鋼護(hù)筒需沉放到極限摩阻力為35～55kPa的淤泥質(zhì)亞粘土或亞粘土層。根據(jù)規(guī)范要求并結(jié)合施工實(shí)際，采用δ20mm的Q235A鋼板卷制成φ2.8m直徑的樁基鋼護(hù)筒，每根總長(zhǎng)45m，分段加工、運(yùn)輸及沉放，經(jīng)計(jì)算取首節(jié)長(zhǎng)度28m，重40t；第2節(jié)長(zhǎng)度為17m，重24t，總重64t。

2 強(qiáng)潮急流河段樁基鋼護(hù)筒的沉放工序

針對(duì)錢塘江的強(qiáng)潮影響，選擇在接近平潮時(shí)進(jìn)行首節(jié)樁基鋼護(hù)筒沉放的施工工藝。經(jīng)測(cè)量定位安裝固定多功能導(dǎo)向架，并在導(dǎo)向架上精確放樣樁位后調(diào)整固定頂推裝置；起吊鋼護(hù)筒到導(dǎo)向架上相應(yīng)孔位，測(cè)量監(jiān)控鋼護(hù)筒垂直度滿足要求后，將鋼護(hù)筒緩緩下沉至距河床面0.5m左右，用千斤頂頂推裝置精確調(diào)整護(hù)筒垂直度和平面位置后快速下沉。

3 強(qiáng)潮急流河段樁基鋼護(hù)筒沉放的難點(diǎn)

在強(qiáng)潮急流河段的水文條件以及河床急劇變化的地質(zhì)條件下，如何快速、安全、精確的進(jìn)行樁基鋼護(hù)筒的沉放成為下部構(gòu)造的難點(diǎn)。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.1 護(hù)筒沉放的作業(yè)時(shí)間極短

在潮強(qiáng)流急的水文條件下，為保證鋼護(hù)筒的沉放安全及精度，必須選擇在每個(gè)潮汛的平潮期進(jìn)行首節(jié)樁基鋼護(hù)筒的沉放，并在下個(gè)潮汛來臨之前完成鋼護(hù)筒的垂直度及平面位置調(diào)整、對(duì)接及整體沉放，在有限的時(shí)間內(nèi)為完成復(fù)雜的多工序施工帶來嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

3.2 流及涌潮壓力大

在長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中積累水流及涌潮速度數(shù)據(jù)，并結(jié)合附近的河口水利研究院的常年數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算分析得出最大急流產(chǎn)生的水平壓力約90kPa，涌潮產(chǎn)生的瞬時(shí)水平壓力約70kPa。持續(xù)的強(qiáng)大水平荷載對(duì)鋼護(hù)筒的安全及樁位精度的保證帶來極大的挑戰(zhàn)。

3.3 強(qiáng)潮引起河床的沖刷變化

首節(jié)鋼護(hù)筒下沉后在后續(xù)的對(duì)接及振動(dòng)沉放過程中，可能經(jīng)歷下一次潮汛的來臨，鋼護(hù)筒沉放至河床后，水流形態(tài)及流向會(huì)發(fā)生極大改變，局部沖刷急劇增加，前期下沉后的樁基鋼護(hù)筒在沖刷的過程中將引起附近樁位的河床變化。通過對(duì)沉放過程的實(shí)時(shí)測(cè)量，一個(gè)潮訊的局部沖刷最深的達(dá)到3.2m，水流對(duì)河床的沖刷可能掏空護(hù)筒腳的泥沙，從而導(dǎo)致護(hù)筒嚴(yán)重偏位及導(dǎo)向架的受力不均，造成無法下沉甚至引發(fā)安全事故。

4 強(qiáng)潮急流河段樁基鋼護(hù)筒下沉關(guān)鍵技術(shù)

大橋水域具有作業(yè)時(shí)間短、水流急、沖刷大的特點(diǎn)，為了解決這些難題并確保樁基鋼護(hù)筒的下沉過程安全，并保證其能順利下沉到位且平面位置、垂直度等指標(biāo)滿足規(guī)范要求，必須通過選擇合理的下沉?xí)r機(jī)、通過大剛度的多功能導(dǎo)向架的臨時(shí)固定及導(dǎo)向作用、監(jiān)控及糾偏措施、選擇合適的振動(dòng)設(shè)備等方法對(duì)樁基鋼護(hù)筒的整個(gè)下沉過程及精度進(jìn)行控制。

通過選擇在每個(gè)潮汛的平潮或小潮汛期進(jìn)行首節(jié)鋼護(hù)筒的下沉，盡量避開漲潮時(shí)的強(qiáng)大水流力及涌潮力的影響。

通過大剛度導(dǎo)向架的導(dǎo)向及臨時(shí)固定作用來抵抗流水壓力的水平力，承受沖刷后首節(jié)鋼護(hù)筒的部分自重，在下沉過程中約束因振動(dòng)錘產(chǎn)生的鋼護(hù)筒的巨大晃動(dòng)。

通過實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)樁基鋼護(hù)筒的垂直度及平面位置進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)河床沖刷進(jìn)行測(cè)量，指導(dǎo)鋼護(hù)筒的下沉及糾偏施工。

通過選擇大功率的ICE振動(dòng)沉樁設(shè)備，來保證將大直徑超長(zhǎng)樁基鋼護(hù)筒振動(dòng)下沉到位，同時(shí)確保護(hù)筒腳不會(huì)因持續(xù)的巨大的激振力而產(chǎn)生變形。

4.1 合理選擇鋼護(hù)筒下沉?xí)r機(jī)

為應(yīng)對(duì)潮汛來臨時(shí)的水流及涌潮影響，避免鋼護(hù)筒下沉?xí)r的嚴(yán)重偏位，確保下沉的順利安全，在無法改變潮水外部條件的情況下，選取每個(gè)潮汛時(shí)的高、低平潮或流速小于1m以內(nèi)的時(shí)間段作為首節(jié)鋼護(hù)筒的下沉?xí)r機(jī)。每個(gè)高平潮有約2h的作業(yè)時(shí)間，低平潮有約3h的作業(yè)時(shí)間。

4.2 采用大剛度多功能簡(jiǎn)支導(dǎo)向架

為抵抗護(hù)筒沉放過程中的涌潮力和水流力，保證在振動(dòng)錘的強(qiáng)大激振力下鋼護(hù)筒不會(huì)產(chǎn)生偏移，以及在鋼護(hù)筒開始產(chǎn)生偏移時(shí)可以對(duì)護(hù)筒進(jìn)行糾偏，根據(jù)平臺(tái)間的跨度，加工適宜振動(dòng)錘下沉的大剛度多功能簡(jiǎn)支導(dǎo)向架。

4.2.1 導(dǎo)向架的組成

導(dǎo)向架主要由型鋼墊梁、鋼管主桁及頂推調(diào)節(jié)裝置組成。導(dǎo)向架跨度一般不宜超過30m，如超過則宜考慮增加支撐點(diǎn)減少跨度，有效高度3.0m以上，孔口尺寸應(yīng)保證振動(dòng)錘能通過導(dǎo)向架。在架體孔口上、下兩層各設(shè)置4個(gè)頂推調(diào)節(jié)裝置，頂推調(diào)節(jié)裝置由20t千斤頂和限位滾輪組成。特別要注意導(dǎo)向架的兩個(gè)主桁片必須垂直，否則會(huì)影響鋼護(hù)筒定位時(shí)的垂直度。

4.2.2 導(dǎo)向架的定位

導(dǎo)向架的定位分粗定位和精確定位。先將樁位的中心線通過測(cè)量放樣在平臺(tái)上，計(jì)算好導(dǎo)向架墊梁中心至孔位處的距離，使導(dǎo)向架中線與樁位中線重合，距離相等，再將墊梁斷續(xù)焊接固定至平臺(tái)鋼板上，完成導(dǎo)向架的粗定位。粗定位后，在導(dǎo)向架的頂推限位裝置處放出樁位周邊四點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)頂推裝置上固定點(diǎn)和樁位坐標(biāo)之間的關(guān)系和鋼護(hù)筒直徑，即可求出固定點(diǎn)和鋼護(hù)筒外壁之間的距離，并由此控制鋼護(hù)筒的平面位置和垂直度，鋼護(hù)筒平面位置放樣完成后，將頂推裝置上的千斤頂鎖定，完成導(dǎo)向架的精確定位。

4.2.3 導(dǎo)向架的導(dǎo)向及糾偏

鋼護(hù)筒起吊到導(dǎo)向架上相應(yīng)孔位，用兩臺(tái)經(jīng)緯儀從兩互相垂直的方向測(cè)量監(jiān)控，并用頂推限位裝置調(diào)整護(hù)筒初始垂直度至滿足要求，將鋼護(hù)筒緩緩垂直下沉至海床泥面，到深入泥面0.5～1.0m時(shí)，測(cè)量重新監(jiān)控確認(rèn)垂直度符合要求后快速下沉，保證護(hù)筒垂直下沉穩(wěn)定；如入泥0.5～1.0m時(shí)垂直度或平面位置偏差較大，則應(yīng)進(jìn)行鋼護(hù)筒的糾偏。糾偏方法如下：

適當(dāng)提高護(hù)筒，根據(jù)偏位數(shù)據(jù)在相應(yīng)偏位側(cè)方向松開限位裝置，并在偏位相反方向利用導(dǎo)向架上下兩層頂推限位裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)糾偏直至垂直度滿足要求，再將所有限位頂推裝置頂緊護(hù)筒，快速松鉤下沉。待鋼護(hù)筒靠自重下沉穩(wěn)定并調(diào)整平面位置和垂直度至滿足要求后，用振動(dòng)錘點(diǎn)振繼續(xù)下沉，直至鋼護(hù)筒頂面到高出導(dǎo)向架頂面1.0～1.5m的位置停錘。在振動(dòng)下沉過程中要隨時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)鋼護(hù)筒垂直度和限位滾輪，如垂直度超標(biāo)或者限位滾輪松動(dòng)，采用相同方法及時(shí)進(jìn)行糾偏。

若不在完全平潮時(shí)沉放首節(jié)鋼護(hù)筒，可根據(jù)流速情況在背離水流方向?qū)︿撟o(hù)筒進(jìn)行2～5cm左右的垂直度的預(yù)偏，待護(hù)筒入水后在水流力作用下，鋼護(hù)筒底口偏向流水方向，從而保證鋼護(hù)筒入水后的垂直度和平面位置，減少護(hù)筒入泥時(shí)的糾偏。

通過導(dǎo)向架的導(dǎo)向及糾偏，并采用預(yù)偏法進(jìn)行沉放后，實(shí)現(xiàn)了鋼護(hù)筒下沉到位后的平面偏位控制在20mm以內(nèi)；垂直度控制在1/500以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于《嘉紹大橋?qū)Ｓ檬┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》中“平面允許誤差為50mm，豎直線傾斜不大于0.5%”的要求。

4.3 局部沖刷的監(jiān)控及解決措施

每根樁基鋼護(hù)筒的沉放均會(huì)經(jīng)歷一個(gè)漲、落潮的過程，其下沉過程必須考慮水流對(duì)河床的沖刷影響。通過流速儀和測(cè)深儀連續(xù)觀測(cè)水流速度及河床的沖刷變化，并采取一系列的措施防止沖刷對(duì)護(hù)筒下沉造成大的影響，保證鋼護(hù)筒順利、安全的下沉到位。

5 結(jié)語

通過選擇平潮期下沉首節(jié)鋼護(hù)筒，依靠大剛度簡(jiǎn)支導(dǎo)向架的導(dǎo)向及糾偏，并采用合適的大功率振動(dòng)沉樁設(shè)備以及對(duì)局部沖刷和涌潮壓力的深入分析等一系列措施的應(yīng)用，在強(qiáng)涌潮、大沖刷、深水高流速的錢塘江水文條件和極限摩阻力在35～55kPa的淤泥質(zhì)亞粘土的地質(zhì)條件下，順利完成了大直徑樁基鋼護(hù)筒的沉放施工，同時(shí)保證了沉放精度優(yōu)于《嘉紹大橋?qū)Ｓ檬┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》的要求。為以后類似水域的鋼護(hù)筒沉放提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：李嘉明（1981-），男，工程師， 2004年畢業(yè)于長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。研究方向：橋梁施工管理及技術(shù)。