組合鋼管樁圍堰在復(fù)雜地質(zhì)下的應(yīng)用分析

聶寧波， 魏 謙， 王一兵， 尹能俄， 劉金龍

(中鐵十五局集團第一工程有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

水中橋梁承臺的施工是橋梁施工的難點之一，現(xiàn)國內(nèi)常采用的承臺施工方法有：鋼板樁圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰等。但河床地質(zhì)的不均勻與復(fù)雜性，給圍堰的插打帶來很大的困擾。賈青山等[1]對復(fù)雜地質(zhì)的長螺旋引孔輔助施工進行了研究；王世雙等[2]對深水裸巖鋼板中圍堰引孔施工進行了研究；韓立軍等[3]對鎖扣鋼管樁圍堰施工中常見問題及解決措施進行了研究；張春林等[4]對采用鉆機引孔，克服鋼板樁在較硬的風(fēng)化巖地層中的施工難題進行了研究；郭飛等[5]對河邊巖溶區(qū)大面積鋼管樁圍堰引孔輔助施工進行了研究等。廣元市擺宴壩嘉陵江大橋的M36#主墩承臺位于水中，河流兩岸經(jīng)過數(shù)十年的采砂淘金等人工工程活動，原始地形已有較大改變，現(xiàn)河漫灘較為平緩，主要以粉土及卵石層為主，且基礎(chǔ)持力層較深。因此，采用常規(guī)的鎖扣鋼管樁或鋼板樁圍堰施工難度很大且難以達到工程要求。

基于以上地質(zhì)狀況，選用人工筑島+PC工法組合鋼管樁[6]進行承臺施工，考慮到地質(zhì)復(fù)雜性及鉆孔揭露最大厚度(27.1 m)，且需穿過深7.6 m的卵石及圓礫層，若用PC工法則樁較難施打，因此采用引孔輔助插打技術(shù)克服此困難。

1 工程概況

廣元市擺宴壩嘉陵江大橋工程位于四川省廣元市市區(qū)西南側(cè)，為連接片區(qū)嘉陵江北側(cè)盤龍空巷經(jīng)濟區(qū)與南側(cè)昭化文化旅游區(qū)擺宴鎮(zhèn)的過江通道。橋梁全長1.25 km，跨江主橋為(149+133)m獨塔雙索面斜拉橋，塔高130.395 m。主墩M36#承臺總尺寸為50.95 m×17 m×6 m。該墩位在嘉陵江河水中且地層較復(fù)雜(表1)，該層以卵石、圓礫為主，局部夾中砂、粉砂、淤泥，分布于河床及兩岸次級河床中。結(jié)合地質(zhì)情況及工期要求，橋墩采用鉆孔灌注樁，承臺施工采用組合鋼管樁圍堰。

表1 主墩地質(zhì)參數(shù)表

2 工程方案

嘉陵江大橋主墩M36#承臺采用人工筑島+組合鋼管樁圍堰施工(圖1)，圍堰平面尺寸57.716 m×20.32 m，共設(shè)136根拉森4鋼板樁和136根C9鎖扣樁。

圖1 筑島+圍堰立面布置圖

施工所用的組合鋼管樁(圖2)，采用710 mm×10 mm鋼管樁兩側(cè)焊接C9鎖口(圖3)和拉森4(SPU-Ⅳ)鋼板樁。根據(jù)設(shè)計圖及現(xiàn)場地質(zhì)情況，組合鋼管樁均采用直徑150 cm旋挖鉆機進行引孔，配備護筒3套(每套包含：A護筒直徑170 cm、長度15 m，1根；B護筒直徑120 cm、長度19 m，1根)，鋼管樁施工與引孔同時進行。

圖2 組合鋼管樁圖

圖3 鋼管樁鎖口加工圖

3 組合鋼管樁施工工藝

3.1 引孔預(yù)案

圍堰入土深度為24 m，主要穿過人工填土、圓礫卵石層及細(xì)砂巖層。如若直接采用錘擊法難以打入，易引起管樁變形，偏移等病害，故采用引孔工藝輔助鋼管樁插打。經(jīng)查閱，適用于本項目的引孔機械設(shè)備如下(表2)。

表2 引孔機械比選

由于組合鋼管樁需要插打穿過卵石層，考慮到機器設(shè)備經(jīng)濟適用性，最終采用旋挖鉆機+螺旋鉆頭+鋼護筒進行引孔。

3.2 引孔工藝

3.2.1 施工工藝流程

準(zhǔn)備工作→鉆機定位→安裝鋼護筒(A護筒)→鉆孔、成孔→回填→拔出A護筒打設(shè)B小護筒(護筒同心)→打設(shè)A護筒(A護筒與B護筒外切)→重復(fù)上述步驟。

3.2.2 施工步驟及方法

(1) 樁位測定：依據(jù)樁位圖紙及樁位基準(zhǔn)點進行測量放樣，確定孔位軸線，標(biāo)注確定樁身位置。

(2) 樁位確實后進行第一階段施工，即角樁插打及架設(shè)導(dǎo)向框。先進行角樁的插打，依標(biāo)注位置打設(shè)A護筒，旋挖鉆機(圖4)就位、鉆孔，終孔后鉆機移位，及時對鉆孔回填(回填料采用：膨潤土或淤泥+集配細(xì)沙+鋸末等混合料)；回填結(jié)束后，以A護筒圓心為基準(zhǔn)插打B護筒后，拔出A護筒；進行第二根角樁施工重復(fù)上述施工過程；施工完成后，以2個B護筒作為支撐，焊接雙排牛腿，牛腿與工字型鋼相連形成“井”字形定位框架。

圖4 旋挖鉆機KR80

(3) 導(dǎo)向設(shè)置完成后根據(jù)樁位圖及導(dǎo)向方位進行第二階段施工，在第一根B護筒外側(cè)打設(shè)A護筒(A護筒與B護筒外切于同一直線且方向與導(dǎo)向方向相同)；護筒打設(shè)完成后，鉆機就位、開鉆，終孔后鉆機移位，對樁位進行回填，回填完成后打設(shè)第二根B護筒(第二根B護筒與A護筒相內(nèi)切且圓形位于同一直線上，切點與導(dǎo)向方向相反)。

(4) 第二根B護筒打設(shè)完成后在第一根B護筒內(nèi)打設(shè)第一根管樁(管樁位置根據(jù)施工圖確定)，完成后拔出第一根B護筒，第一根管樁完成后，相嵌拉森鋼板。依次埋設(shè)A護筒、重復(fù)步驟(3)打設(shè)第二根管樁，依次進行施工。

3.3 插打

(1) 在平臺上拼接長橫梁與分配梁，梁端縱梁連通。

(2) 首先插打?qū)驑?，使用履帶吊將鋼管樁吊至插點處進行插樁，保證鋼管豎直，對準(zhǔn)樁與定位樁的鎖扣，抹上潤滑油后開動液壓機，夾緊樁，開始沉樁。

(3) 打樁錘打樁前試震30 s左右，停止振動，保證樁可以垂直下沉后，開動振動錘打樁下沉，控制打樁錘下降的速度，盡可能地使樁保持豎直。

(4) 導(dǎo)向樁就位后，安裝導(dǎo)向框。

(5) 利用導(dǎo)向框，沿標(biāo)注位置插打第一根鋼管樁，鋼管樁緊貼縱橫梁，保證其垂度，打樁至設(shè)計深度前40 cm時，停止振動，利用振動錘慣性作用，將樁打至設(shè)計高度，松開液壓夾口。隨即調(diào)運拉森鋼板樁，將鎖扣對接，咬合緊密后緩慢放下，然后提升第二根鋼管樁至樁位處，與第一根鋼管樁齊平，再插打拉森鋼板樁。按此工序循環(huán)至圍堰合龍。

(6) 在打樁過程中，為保證鋼管樁的垂直度可用全站儀在無導(dǎo)向框限位兩個方向上加以控制，以減小施工誤差。為防止鎖口中心線平面位移，在打樁方向的鋼管樁鎖口處設(shè)卡板，阻止管樁位移(圖5)。同時在導(dǎo)向框上預(yù)先算出每根管樁的位置，以便隨時檢查校正。

圖5 鋼管樁插打圖例

(7) 鋼管樁插打同一截面接頭數(shù)不超過總數(shù)的50%,接頭上下交錯布置。

4 引孔所遇問題及處理方案

旋挖鉆機引孔輔助施工前，引孔位置的精確性顯得尤為重要，它是保證鋼圍堰順利合龍，確保承臺在既定位置施工的先決條件。在引孔施工過程中，引孔施工工藝要求高，要防止鉆孔坍塌。

4.1 引孔塌孔處理

4.1.1 原因分析

(1) 受周圍地質(zhì)情況影響，回填料含沙量過大，孔內(nèi)泥漿護壁性能較差。

(2) 工程區(qū)地下水位埋深較淺，并且由于地質(zhì)情況主要是卵石、圓礫，屬于砂礫層，透水性能較強，當(dāng)護筒埋深不夠且孔內(nèi)水位低于地下水時，地下水滲入孔內(nèi)，出現(xiàn)流水壓力，易導(dǎo)致塌孔現(xiàn)象發(fā)生。

(3) 旋挖鉆頭上下移動速度過快，導(dǎo)致鉆頭與孔壁之間水流速度過快，沖刷孔壁。

(4) 鉆孔過程中，地面有較大器械施工震動或距離孔邊較近。

(5) 在提鉆、下鉆過程中，碰撞到孔壁。

4.1.2 解決方案

(1) 采用優(yōu)質(zhì)黃土泥漿回填，提升孔內(nèi)泥漿性能。

(2) 合理調(diào)整護筒埋深，或采用局部井點降水降低鉆孔周邊地下水位。

(3) 嚴(yán)格控制旋挖鉆頭上下移動速度，避免移動速度過快。

(4) 在鉆孔過程中且灌注混凝土之前，盡量避免周邊地面有較重器械作業(yè)。

(5) 在提鉆、下鉆過程中，緩慢下移，盡量保持垂直，避免碰撞孔壁。

4.2 引孔偏差校正

調(diào)直鉆架挺桿，鉆孔速度先慢再逐漸加速后保持，鉆孔整個過程要監(jiān)控管樁位置和垂直度，出現(xiàn)偏差時要降低鉆孔速度，及時糾正。鉆孔過程中如發(fā)現(xiàn)鉆桿搖晃或鉆桿難以鉆入時，應(yīng)放緩進尺，以防樁孔偏斜、位移及鉆桿、鉆具損壞。

4.3 插打引孔護筒時出現(xiàn)傾斜處理

4.3.1 原因分析

(1) 通過現(xiàn)場地質(zhì)情況分析，由于插打過程當(dāng)中可能出現(xiàn)巖土層分布不均勻、土層質(zhì)地軟硬不均勻，導(dǎo)致護筒插打過程中出現(xiàn)傾斜。

(2) 土層中夾雜有大塊弧石或其他堅硬巖石等情況，造成護筒傾斜。

(3) 插打過程中遇到土洞，打空錘引起偏孔。

(4) 樁機安裝就位發(fā)生偏差，使樁錘中心偏離孔位。

4.3.2 解決方案

(1) 在遇到地質(zhì)條件復(fù)雜情況下，開始時宜采用低錘間斷沖擊法，進入不均勻地層則宜采用高錘沖擊。

(2) 發(fā)現(xiàn)樁孔偏斜超過規(guī)范要求時，及時向樁孔內(nèi)回填塊石至偏孔位置以上至少0.5m，保持沖斗的作業(yè)面強度均勻，然后采用低錘密沖，直到將偏孔校正好。

(3) 現(xiàn)場施工人員需頻繁測量護筒傾斜程度，若不符合規(guī)范要求，及時停止捶打，進行校正，若無法校正需拔出護筒，重新校準(zhǔn)定位，重新插打護筒。

5 結(jié)束語

本項目在樁基施工過程中，通過旋挖鉆機引孔輔助沉樁，解決了鋼管樁不易穿過卵石層的難題?？紤]到引孔過程中發(fā)生的鉆孔坍塌及鋼管樁入土較深等因素，通過旋挖鉆機將護筒鉆入預(yù)定深度，到達持力層從而輔助鋼管樁插打就位。采用旋挖鉆機引孔輔助鎖扣鋼管樁插打，具有施工速度快、安全風(fēng)險小、成本較低、止水效果好的優(yōu)勢，可為類似組合鋼管樁施工提供參考。