深水裸岩钻孔桩施工关键技术研究.pdf

—文章编号：１００９４５３９（２０１７）１０一００２５一０４・科技研究・深水裸岩钻孔桩施工关键技术研究王春堂（中铁二十三局集团第一工程有限公司山东日照２７６８００）摘要：新华大桥主墩设计为高桩承台大直径群桩基础，桥区水深４０ｍ，桩基覆盖层仅０．５～ｌｍ，下伏中～微风化凝灰熔岩，岩石强度高，属深水大直径裸岩钻孔灌注桩施工。本文结合工程实际特点，对桩基钻孔平台设计与施工、护筒制作与安装、成孔与灌注等关键技术进行研究，比选、优化施工方案，以指导工程施工。关键词：深水裸岩大直径桩基关键技术研究中图分类号：Ｕ４４５．５５＋ｌ文献标识码：Ａ＋ＢＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－４５３９．２０１７．１０．００６ＳｔｕｄｙｏｎＫｅｙＴｅｃｈｎｉｑｕ鹤ｏｆＢｏｒｅｈｏｌｅＰｉｌｅＣｏ璐ｔｍｃｔｉｏｎｉｎＤｅｅｐＷａｔｅｒａｎｄＵｎｃｏＶｅｒｅｄＲｏｃｋＶＶａｎｇＣｈｕｎｔａｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｊｈ忸ｙ２３ｆｄＢｕＩ黜ｕＣｍｕｐＦｉｚ暑ｔＥｎｇｉｎｅｅｄｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｒｉ曲ａｏＳｈ粕ｄｎｎｇ２７６８００，Ｃｈｊｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｍａｉｎｐｉｅｒｏｆＸｉｎｈｕａＢｒｉｄｇｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｓ—ｌａｒｇｅｄｉ锄ｅｔｅｒａｎｄｈｉｇｈｇｍｕｐｐｉｌｅｓｃ印ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｗａｔｅｒｄｅｐｔｈｏｆｂｒｉｄｇｅ盯ｅａ锄ｏｕｎｔｓｔｏ４０ｍ．ｎｅｃｏｖｅｒｉｎｇｌａｙｅｒｏｆｐｉｌｅｆｏ肌ｄａｔｉｏｎｉｓ０１１ｌｙ０．５一ｌｍ，ｂ踟ｄｏｎｔ｝ｌｅｍｅｄｉｕｍ蚰ｄｓｌｉｇｈｄｙｗｅａｔｈｅｒｅｄｔｕ圩ｌａｖａ．Ｄｕｅｔｏｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇ山ｏｆｔｌｌｅ—ｒｏｃｋ，ｃ鹊ｔ－ｉｎｓｉｔｅｂｏｒｅｄｐｉｌｅｃｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎｍｅ山ｏｄｉｓａｄｏｐｔｅｄｏｎｌａｒｇｅ．ｄｉ锄ｅｔｅｒｕｎｃｏｖｅｒｅｄｒｏｃｋｉｎｄｅｅｐｗａｔｅｒ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｐｍｃｔｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｐｍｊｅｃｔ，ｔｈｅｐａｐｅｒｆｏｃｕｓｅｄｏｎｓｏｍｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄ’ｃｏｎｓｎｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅ出ｌｌｉｎｇｐｌａｔｆ－０删ｏｆｔ王Ｉｅｐｉｌｅｆ．ｏｕｎｄａｔｊｏｎ，ｔｈｅｆ矗ｂｒｉｃａｔｉｏｎ龃ｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｆｔＩｌｅｓｔｅｅｌ∞ｃｉｎｇ，曲ｌｌｉｎｇ如ｄｇｍｕｔｉｎｇ，ｓｏａｓｔｏｃｈｏｏｓｅａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｐｌ蛐ｆｏｒｃｏｌｌｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐｗａｔｅｒ，ｕｎｃｏｖｅｒｅｄ—ｒｏｃｋ；ｌａｒｇｅｄｉ锄ｅｔｅｒｐｉｌｅｆｏｕｎｄ砒ｉｏｎ；ｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅ１工程概况１．１桥梁结构新华大桥是福建省普通国省道干线公路横三线古田县新华至湖滨段控制性工程，位于宁德市古田县，跨越古田水库，桥梁结构为４×３０ｍＰＣ连续一刚构Ｔ梁＋（７２＋１３０＋７２）ｍ变截面现浇连续刚构箱梁＋４×３０ｍＰＣ连续一刚构Ｔ梁，共３联，全长５２２．５ｍ。’主桥４～７。墩及部分引桥桥墩位于古田水库中，主墩采用８×担．８ｍ高桩承台群桩基础，桩长—５０５２ｍ，承台尺寸为（２２×１０．９×４．５）ｍ，主墩设计为双室薄壁空心墩。桥型布置见图１。—收稿日期：２０１７一０９０２—基金项目：中铁二十三局集团有限公司科技研究开发项目（２０１６０１）作者简介：王春堂（１９６９一），男，高级工程师，主要从事桥梁、隧道工程技术研究。新生ｂ．平面图１桥型布置（单位：ｃｍ）湖滨１．２工程地质桥区属剥蚀丘陵间夹山间沟谷地貌，谷底呈Ｕ字型，原为山涧溪流，现为古田水库库区（是２０世纪６０年代为筹建古田溪水电站而形成的人工湖，与外界无通航条件）。桥区水库底覆盖层主要为冲洪积淤泥质土、粉质黏土及卵石层，主墩覆盖层约０．５ｍ，下伏中～微风化凝灰熔岩，岩石强度最高为１４９ＭＰａ。铁道建筠技术ＲｑｆＬＷＡｙＣＯＮＳ丁只ＵＣ丁『０Ｎ删Ｎ（）ＬＯＧｙ２０７７ｆ１ＤＪ２５万方数据・科技研究・１．３工程特点（１）桥位水面宽４００ｍ，库床底标高３３８ｍ，水深４０ｍ；库区常水位标高３７５ｍ，洪水位标高３８１ｍ，受大气降雨影响较大，涨落幅度最高达１５ｍ。本桥为深水桥梁工程，需配套相关深水作业施工设备，施工技术复杂、工程投入大、安全风险高。（２）桥区库底覆盖层较薄，接近裸岩状态，局部呈球状突起，栈桥及钻孔平台搭设、桩基护筒埋设困难。（３）裸岩大直径桩基钢护筒制作与安装工艺精度要求高，施工难度大。（４）主墩桩基设计嵌入中一微风化凝灰熔岩深达１７ｍ，硬岩地层钻孑Ｌ桩施工困难。２方案设计比选与优化２．１栈桥及钻孔平台栈桥及平台方案选择合理与否至关重要，直接关乎桥梁施工的安全、质量、工期与效益。本桥初选方案分为两大类：固定式平台、浮动式平台［１山］。（１）浮式平台浮式平台一般采用船舶或浮箱组拼浮体，制式器材（贝雷梁等）组拼龙门进行作业施工，结构形式适用于水流速小、水深大的桥梁工程，但浮式平台需配套材料转运码头、水上材料运输及起重设施等。浮式平台结构见图２。天车图２浮式平台结构（单位：ｍｍ】考虑本工程水中作业规模相对较小、施工区域狭窄、库区水位变化大等因素，经方案比选，认为浮式平台配套设施多、投人大、工效低，决定采用固定式工作平台作为桥梁施工的首选方案。（２）固定式平台初选方案分为两种：钢护筒与管桩组合固定式平台、钢管桩固定式平台。①护筒组合式固定平台充分利用护筒自身承载能力，将群桩护筒插打２６铁道建篱技术于稳定地层内，连接成平台后进行桩基施工。护筒组合式平台结构见图３。护筒组合式固定平台在桩基施工前，需采用冲击引孔或水下混凝●一图３护简及管桩组合式平台土围堰的方法进行护筒沉设固定，施工难度大、成本优势不明显，不宜作为首选方案。②钢管桩固定式平台具有受水文变化影响小、作业方便、工效高等特点。应用于本桥、栈桥及钻孔平台高达４３ｍ，存在着裸岩基床沉桩困难、平台及栈桥高宽比大、横向稳定性差、安全风险高等问题。如采取该方案，则需进行技术攻关，配套相应的关键施工技术。综上所述，水中墩施工最终选用钢管桩固定式钻孔平台方案，配套钢管桩栈桥进行物料、设备的运输。（３）钢栈桥及钻孔平台结构钢栈桥分主栈桥与支栈桥，支栈桥位于主墩钻孑Ｌ平台两侧，主要为桩基及承台施工提供作业空间，设置时须预留出承台钢套箱施工作业空间。栈桥及钻孔平台由钢管桩、联结系、横梁、贝雷梁、面板、锚固桩等组成。钢管桩采用郴００×１０ｍｍ螺旋管，２［２０ｂ槽钢双拼作为管桩联结系，桩顶设置２１３６ｂ工字钢横梁做分配梁，承重梁采用贝雷梁。结构见图４。平面图３≥１塑＾，』５幽（，』Ｉ。Ｉ＾５蚀Ｑ！＿Ｌ业／！卫螋／＼ｉ迦Ｑ钻孔平台—ｌｌ图４栈桥及平台结构（单位：ｍｍ）ＲＡｌ蝴ＡＹｃｏＮｓＴＲＵｃＴ｜ＯＮＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ２０１７∞ｌ）万方数据・科技研究・钢栈桥及钻孔平台高宽比大，为解决其稳定性问题，主要采取以下措施：①栈桥桥跨布置为（３＋９＋３）ｍ结构形式，即：栈桥每一跨均采用两排管桩（间距３ｍ）形成一个制动墩，相邻两制动墩间距９ｍ，每墩８根管桩，其外“”侧２根管桩作为稳固桩，以增加栈桥横向刚度及‘稳定性７。８１。②“”钢管桩采用履带吊机配振动锤钓鱼法插打“”施工，裸岩地段相邻管桩临时连接形成板凳桩。斜坡岩层倾斜地段及裸岩地段栈桥采用锚桩固“”定，锚桩利用稳固桩。③主栈桥、支栈桥、钻孔平台连结成整体，除管桩顶设置一道联结系外，利用枯水期在管桩中上部增设一道平面联结系。（４）栈桥及平台检算采用ＭｉｄａｓＣｉｖｉｌ软件建模，桥面板采用板单元，贝雷梁、管桩间联结系采用桁架单元，桥面分配梁、管桩及桩顶分配梁采用梁单元。计算模型见图５。栈桥结构设计分为栈桥施工状态和工作状态，栈桥及支栈桥施工状态基本可变荷载取８０ｔ履带吊机打桩作业；工作状态基本可变荷载按公路Ｉ图５栈桥结构计算模型级、挂一１２０车辆、１０ｍ３混凝土运输车、８０ｔ履带吊机、６０ｔ龙门吊分５种工况，部分工况考虑错车及偏载，风荷载按６级风加载。经检算栈桥及平台结构各部件内（应）力、变形、整体稳定性均满足要求（计算过程略）。２．２护简制作与安装（１）钢护筒设计主墩桩基直径为书２．８ｍ，设计桩长５２ｍ，属大直径长桩，根据《公路桥涵施工技术规范》（ＪＴＧ／Ｔ—Ｆ５０２０１１）８．４．１条款规定，确定钢护筒内径ｄ取３．１ｍ，钢板厚２５ｍｍ。（２）护筒吊装沉放主墩钢护筒单根重７６ｔ，根据平台尺寸及结构受力要求，钢护筒的接高、沉放采用单台ｌｏｏｔ龙门吊完成。护筒沉放见图６。（３）护筒埋设主墩桩基空桩长度３３ｍ，护筒须有足够的锚固深度，其下沉、锚固、底口固定及止浆是控制桩基施工成败另一关键技术难题。图６龙门吊沉放钢护简初选方案有２个：①栽种法：采用冲击钻配大直径锤头在桩孔位置冲孔，下放钢护筒着床并临时固定，然后顺护筒“”外壁安装套裙式钢筒，水下封灌护筒与套裙间混‘凝土，完成护筒锚固工作９。１０｜。②跟进法：先下放钢护筒临时固定，再采用比护筒内径略小锤头冲击钻孔，引孔至护筒锚固深度后，利用大功率振动锤震动钢护筒，切削岩体下沉至设计位置，最后进行护筒底口封堵止浆工作。地勘资料揭示，主墩处基床中风化凝灰熔岩裂隙发育，冲击钻机冲击扩孔效果理想。综合施工难①度及工程成本等因素，方案具有施工难度大、成②本高的特点，最终确定选择方案。类比同类工程施工经验，初步确定跟进法钢护—筒入岩４６ｍ，可满足施工要求。２．３钻机选型主墩桩基设计要求嵌入中一微风化凝灰熔岩深度１７ｍ。目前国内大直径嵌岩桩多采用气举反循环工艺施工，其中气举反循环冲击工艺最大仅能施工２．５ｍ桩基。综合工程规模、施工难度及工程成本，并参考类似工程施工经验，决定采用普通冲击钻正循环工艺施工，钻机选用ＣＫ一３０００型冲击钻，卷扬机功率１１０ｋｗ，锤头采用１６ｔ五爪合金钢钻锤，专业厂家定制。３关键施工工艺及方法３．１钢栈桥及钻孔平台“”栈桥及平台采用钓鱼法施工。钢管桩采取铁道建筑技术只Ａ『ＬＷＡｙＣＯＮＳ丁开ＵＣ丁ｆ０～丁￡＿ｃＨ～０ＬＯＧｙ２０，７ｆＴＯＪ２７万方数据・科技研究・在加工厂内胎架上焊接接长至２４ｍ，专用运输车运输，８０ｔ履带吊机安装。单根钢管桩分两节现场一次焊接成型，底节钢管采用插打导向架临时固定，与顶节管桩焊接成整体后，吊装着床，用ＤＪｚ一９０型振动锤插打穿越覆盖层至稳定地层内，贯人度指标控制插打深度。管桩运输及吊装焊接见图７、图８。一窟妻妻堂扫燃篱∥卜紫茸襻．。：ｉｉ二：ｊ二：ｌ！：！：图７管桩运输车图８管桩吊装焊接“”锚固桩利用部分稳固管桩（书１０００×１０咖螺旋管），冲击钻小直径桩锤引孑Ｌ，钢筋混凝土灌注，锚固桩施工完成后，焊接联结系与栈桥形成整体［１１｜。３．２钢护筒沉放（１）护筒卷制护筒加工精度至关重要，直接关系到冲击引孔、护筒跟进的施工质量。钢护筒采取在钻孔平台上加工卷制，胎架上组拼、ｃＯ：保护焊接长为１０ｍ标准节，每一标准节中相邻单板焊缝错开１２０。，施工中严格控制护筒的圆度、竖直度及邻板错台量等指标。为防止钢护筒着床插打过程中底节卷刃，底节单板采用高标号钢材、双层组焊，形成切削刃脚，以利于护筒插打顺利。（２）接高、下沉利用护筒周围钻孔平台钢管桩及联结系安装钢护筒下沉导向架，之后由龙门吊逐节竖向接高下沉，全站仪进行垂直度控制。钢护筒着床后，利用导向架将其临时固定，测量其平面位置及垂直度，满足要求后，ＤＪＺ一９０型振动锤压入覆盖层内。护筒着床后水下垂直度采用浮球法控制。浮球法见图９。（３）护筒跟进图９浮球法示意面护筒跟进采用冲击钻机配由３．０６ｍ锤头进行“”引孔施工，掏渣筒掏渣清孑Ｌ，引孔每钻进１ｍ后，铁道建筑技术接长钢护筒，利用ＥＰ一２００型大功率振动锤震动将其跟进下沉１ｍ。如此循环，直至护筒达到设计深度。（４）底口封堵止浆主墩桩基护筒长度达４７ｍ，护筒内外液体压差大，为防止钻进过程中出现穿孔现象，护筒底口采用投放水泥与黏土｝昆合物并静置一定时间后，冲击混合物以封堵护筒底口与岩壁间空隙，完成护筒底口封堵止浆工作，或根据实际情况，采用一定厚度的水下灌注混凝土进行底口封堵工作。３．３钻孔护筒沉放完成后，更换担．８“ｍ标准锤头，按正”循环常规工艺进行桩基钻孑Ｌ施工。结合本桥施工特点，采取以下措施，确保桩基钻孔施工进展顺利。（１）钻孔平台高度大，结构上存在一定的扰动，桩基冲孑Ｌ过程中可能出现钻机偏位，将钻机与平台进行多点焊接固定，过程中随时检查桩孔偏位情况，及时修正处理。（２）因岩石强度高，锤头磨损严重，锤头更换前后，桩基孔径不同，可能会造成卡钻现象。为此，现场备用一定数量锤头，做到锤头勤焊少焊，锤头更换后采用小冲程上下往复扫空，修孔后可正常钻进；如需大面积更换锤牙时，可向孔内回填片石，小冲程钻进至更换前深度后，再正常钻进¨１｜。（３）钻孔过程中，曾出现护筒穿孔现象，致使孔内漏浆无法正常施工。为此采取以下措施：①护筒跟进完成后，切实做好护筒底口封堵止浆工作，或护筒跟进完成后，暂不进行封堵，待钻机更换担．８ｍ标准锤头钻进２～３ｍ后，再行封堵止浆。②桩基采取隔孔施工，避免邻桩相互间施工干扰。③钻孔过程中，严格控制护筒内水头高度及泥浆比重，避免护筒内外压力差过大造成穿孔。３．４钢筋笼安装及混凝土灌注钢筋笼采用加工厂加工，现场龙门吊下放，钢筋套筒连接。“”清孔采用黑旋风ｚＸ一２００泥浆分离器进行，以利于控制泥浆指标、缩短清孔时间。水下混凝土采用巾３５０ｍｍ导管法灌注，搅拌运输车运输。（下转第５４页）ＲＡ｜ＬｖＶＡＹｃＯＮＳＴＲＵＣＴｌＯＮＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ２０１７１１０ｌ万方数据・桥梁工程・图１４转动失稳二阶屈曲５结论（１）采用ＭＩＤＡｓ／Ｃｉｖｉｌ２０１２有限元软件建立转动体系模型，塔架出现的最大应力为１１１ＭＰａ，塔顶部最大位移为１．７ｃｍ；拉杆出现最大的索力值为４１６ＭＰａ；出现背索的最大索力值为３８２９ＭＰａ，在转体施工过程中拱肋的变形值、内力及应力很小。（２）结构转动时稳定系数经计算结果偏保守，满足要求。从上述的计算分析结果来看，该桥转体施工体系理论上是安全可靠的。参考文献［１］韩晓毅．浅谈转体施工的发展和应用［Ｊ］．科技资讯，２０１１（２２）：４６．［２］田仲初，彭涛，马凤杰，等．佛山东平大桥施工监控的—关键技术［Ｊ］．中外公路，２００７（３）：８４８７．［３］“”高吉才．提篮式钢管混凝土拱桥竖向转体施工—［Ｊ］．世界桥梁，２００２（３）：３２３４．［４］邵明春．钢管混凝土拱桥转体施工技术［Ｊ］．桥梁建—设，２００３（Ｓ１）：３１３３．［５］吴进明．钢管混凝土拱桥施工技术研究及有限元分析［Ｄ］．上海：同济大学，２００６．［６］王成．钢管混凝土柔性系杆拱桥转体法施工技术［Ｊ］．—铁道标准设计，２００６（４）：３８４１．［７］韦有波．西溪河特大跨度钢管混凝土拱桥转体施工控制［Ｊ］．铁道建筑，２０１５（１２）：１５一１８．［８］李延强，路大鹏，安蕊梅．系杆钢管混凝土拱桥转体施—工［Ｊ］．铁道建筑技术，２００１（５）：１３１５．［９］籍建云．钢管混凝土拱桥竖向转体施工控制仿真分析［Ｄ］．西安：长安大学，２叭４．［１０］李克占．钢管混凝土拱桥转体施工控制研究［Ｄ］．西安：长安大学，２０１４．［１１］胡东．钢管混凝土提篮拱桥竖向转体施工控制［Ｊ］．—交通标准化，２０１２（２０）：７８８０．［１２］张相玺．跨铁路同步转体桥施工阶段梁体应力及变形—监测研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（８）：２３２６．（上接第２８页）［４］桂业昆，邱式中．桥梁施工专项技术手册［Ｍ］北京：人４结论㈨嚣柔然纛黼僦桩施工渊ｎ施新华大桥为公路建设工程中一普通桥梁，但其工技术，２００７，３６（１）：５０一５２・存在着施工难度大、技术复杂、安全风险高等特点。［６］吴姚平，易晓，涂伟成・陡坡裸岩全断面植入嵌岩钢管实施过程中，项目建立安全风险评估机制，充分考—桩施工关键技术［Ｊ］．建材世界，２０１５（６）：４６５０・∥竺缫？獬哩等婴影！徽茎裟蒜嚣孔僦磁覃兰孕妻享孝设计，并从安全、质量、工期、效益等［８］；赢ｊ深票薹磊善磊磊桥矗二主术研究［Ｊ］．铁道建方面进行优化比选。项目进展顺利，施工效果理想。—筑技术，２０１６（２）：１７２１．参考文献［９］曹同来・深水裸岩桥桩基钻孔作业平台建造技术探讨［１］中交第一公路工程局有限公司・公路桥涵施工技术规［１０］曾治平．深水裸岩及斜面岩河床钻孔灌注桩钢护筒施范：ＪＴＪ／ＴＦ—５０２０１１［ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１１．—工［Ｊ］．山西建筑，２０１７，４３（１２）：７８７９．［２］刘自明，王邦楣，陈开利．桥梁深水基础［Ｍ］北京：人［１１］刘礼辉，郭智刚．山区深水河流陡峭坚硬裸岩钻孔桩民交通出版社，２００６．—施工技术［Ｊ］．江西公路科技，２０１５（１）：４７．［３］欧阳效勇，任回兴，徐伟．桥梁深水桩基础施工关键技［１２］孙百锋．深水裸岩钻孔平台施工方案比选［Ｊ］．铁道建术［Ｍ］北京：人民交通出版社，２００６．—筑技术，２０１５（１１）：２２２５．一鬈箩纛嚣万方数据