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大直徑鋼護(hù)筒氣頂拔除方法

2020-07-17 03:50:48曾億忠張俊光張成林
中國港灣建設(shè) 2020年7期
關(guān)鍵詞:履帶吊封口鋼護(hù)筒

曾億忠,張俊光,張成林

(中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司,湖北 武漢 430014)

0 引言

水上橋梁鉆孔灌注樁常以超長鋼護(hù)筒作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),鋼護(hù)筒的施沉常采用振動錘擊法,由于特殊原因?qū)е率┏梁箐撟o(hù)筒不能滿足工程樁基施工,需拔除后重新施沉[1]。王家紅[2]等對套管護(hù)壁拔樁法研究表明,其適用預(yù)制混凝土打入樁的拔除,且為破壞性拔除;李大勇[3]等研究的套鉆成孔減摩吊拔樁法可將單根樁基一次性全部拔除;馮博[4]等研究的壓力頂升拔除法,可適用于鋼護(hù)筒拔除,但在護(hù)筒開始頂升移動瞬間,靜摩擦力瞬間變?yōu)閯幽Σ亮?,氣壓控制較難,且存在安全風(fēng)險。因此有必要對護(hù)筒安全高效拔除工藝進(jìn)行研究,解決特殊地層大直徑鋼護(hù)筒拔除難題,為同類型施工提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

漳州市金峰大橋跨九龍江,設(shè)計跨徑為(75+120+75)m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,雙幅設(shè)計,單幅梁寬23.5 m。2 個邊墩基礎(chǔ)分別為8根直徑1.8 m 鉆孔灌注樁;2 個主墩基礎(chǔ)分別為8根直徑2.5 m 鉆孔灌注樁,原設(shè)計樁基均為端承樁。采用棧橋及鉆孔平臺法施工水上工程,采用振動錘擊法施沉鋼護(hù)筒,沖擊鉆施工鉆孔灌注樁。

1.2 水文地質(zhì)條件

1)九龍江位于飲用水保護(hù)區(qū),受上下游橋梁及水閘影響,橋位段水域不通航,大型起重設(shè)備無法進(jìn)入施工水域。

2)該工程所在區(qū)域,橋位處地質(zhì)條件復(fù)雜,局部巖面起伏較大,地質(zhì)含中砂層、粗砂層、圓礫層、花崗巖層等地層。

1.3 護(hù)筒拔除原因

在臨時鋼平臺、鋼護(hù)筒施工完成后對主橋各墩位進(jìn)行了逐孔位地質(zhì)補(bǔ)勘。14 號墩位因巖性較差,經(jīng)設(shè)計單位驗算后將該墩位原設(shè)計的嵌巖樁調(diào)整為摩擦樁,樁間距按照設(shè)計規(guī)范摩擦樁要求進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,已經(jīng)施工完成的鋼護(hù)筒需拔除后重新施沉。原設(shè)計基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與變更后基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對比圖如圖1,圖中虛線與實線分別表示原設(shè)計與變更后基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

圖1 原設(shè)計基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與變更后基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對比圖(cm)Fig.1 Comparison between the original design infrastructure and the modified infrastructure(cm)

14 號墩位經(jīng)補(bǔ)勘后地質(zhì)情況自上而下依次為中砂、粗砂、圓礫、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。本墩位處16 根鋼護(hù)筒已全部施沉到位,鋼護(hù)筒直徑φ2 900 mm,壁厚12 mm,施沉?xí)r鋼護(hù)筒底標(biāo)高嵌入圓礫層0.5~1.0 m 范圍。

2 施工難點

1)主橋為本項目的關(guān)鍵線路工程,根據(jù)工期安排,鋼護(hù)筒拔除工期需控制在15 d,拔除工期緊。

2)鋼護(hù)筒施沉?xí)r,在鋼平臺上安裝好導(dǎo)向架后,先采用80 t 履帶吊下放鋼護(hù)筒就位,千斤頂限位鋼護(hù)筒使其垂直度滿足要求后,履帶吊單獨起吊DZ120 型振動錘施沉。若采用履帶吊和振動錘拔除鋼護(hù)筒的方法,需提升履帶吊型號為150 t以上,原設(shè)計的支棧橋承載力不能滿足要求。

3)結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗和地質(zhì)勘探芯樣,福建地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜多變,粗砂和圓礫層的粒徑變化范圍較大,側(cè)摩阻系數(shù)無法準(zhǔn)確估量,鋼護(hù)筒拔除所需克服的摩阻力無法精確計算。

4)行業(yè)內(nèi)快速拔除鋼護(hù)筒的工藝案例較少,施工難度較大。

3 鋼護(hù)筒拔除方案比選分析

1)方案一:加固現(xiàn)有支棧橋,利用大型起重設(shè)備配合振動錘拔出鋼護(hù)筒。

2)方案二:封閉護(hù)筒口,向護(hù)筒內(nèi)加壓空氣頂升鋼護(hù)筒,起重設(shè)備提升拔出鋼護(hù)筒。

3) 方案三:封閉護(hù)筒口,向護(hù)筒內(nèi)加壓空氣,起重設(shè)備+振動錘輔助拔出鋼護(hù)筒。

3 個方案比選見表1。

表1 鋼護(hù)筒拔除方案比選分析表Table 1 Comparison and selection analysis table of steel casing removing scheme

分析認(rèn)為:采用方案三,護(hù)筒內(nèi)加壓、起重設(shè)備與振動錘輔助的組合工藝,可降低施工成本,提高施工效率。與其他方案相比,可降低護(hù)筒拔除安全風(fēng)險。

4 “氣頂法+振動錘”鋼護(hù)筒拔除技術(shù)

4.1 工藝原理

1)振動對土層的液化機(jī)理

振動錘帶動鋼護(hù)筒振動,在護(hù)筒周圍被擾動的土中超孔隙水壓力不斷積累,土體間有效應(yīng)力逐漸減小直至喪失抗剪強(qiáng)度,引起土體液化[5]。

2)土層液化對樁側(cè)摩阻力性狀影響機(jī)理

土體液化隨時間變化,液化土層固結(jié)引起地面的沉降,從而產(chǎn)生負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力包括上覆液化土層中樁側(cè)負(fù)摩阻力和液化土層中樁側(cè)負(fù)摩阻力兩個部分,其峰值可能高達(dá)非液化條件下樁側(cè)摩阻力的50%以上[6]。

3)振動拔樁動摩阻力

鋼護(hù)筒長度18 m,入土深度為8 m,依次穿過中砂3 m、粗砂4.5 m、圓礫0.5 m。單根鋼護(hù)筒重G1=153.8 kN。根據(jù)地勘情況地層摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值見表2;參照J(rèn)GT 94—2008《建筑樁基規(guī)范》[7]與JTGD 60—2015《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》[8]土層的液化折減系數(shù)取1/3。

表2 各地層側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 Standard values of lateral friction resistance for each layer kPa

靜力拔鋼護(hù)筒靜摩阻力FV1=3 874.6 kN。

液化土層鋼護(hù)筒動摩阻力FV2=3 874.6×1/3=1 291.5 kN。

4)護(hù)筒頂升氣壓力計算

拔樁過程中臨界頂升力Tc等于鋼護(hù)筒重G1與護(hù)筒動摩阻力FV2之和,即T=1 445.3 kN,進(jìn)而護(hù)筒內(nèi)頂升臨界氣壓力P1=1 445.3 kN/(6.6 m2)=0.22 MPa。

5)護(hù)筒頂升過程中摩阻力與護(hù)筒內(nèi)壓力變化關(guān)系

在護(hù)筒內(nèi)氣壓達(dá)到設(shè)計氣壓后暫停加壓,履帶吊緩慢起鉤(過程中振動錘為壓重作用),帶動鋼護(hù)筒出土。鋼護(hù)筒內(nèi)部氣壓對封口板向上的作用力能夠克服鋼護(hù)筒與周圍土體間摩阻力和鋼護(hù)筒自重時,隨著鋼護(hù)筒的頂升、入土深度的變化,內(nèi)部氣壓對封口板的頂升力T 和動摩阻力FV 的減弱趨勢如圖2 所示:由圖示可知,頂升力較摩阻力下降速率慢,因此需進(jìn)行壓重。頂升力與動摩阻力變化如圖2。

圖2 頂升力與動摩阻力變化簡圖Fig.2 Change diagram of top lift and frictional resistance

4.2 操作要點

1)泥漿制備:由于地質(zhì)為透水地層,加壓前進(jìn)行空隙封堵,采用黃黏土制備高比重泥漿。

2)鋼護(hù)筒頂口封閉:將鋼護(hù)筒上口用鋼板封閉形成密閉空間,預(yù)留增壓孔,采用20 mm 厚鋼板作封口板環(huán)向與鋼護(hù)筒整體焊接,周邊設(shè)加強(qiáng)勁板補(bǔ)強(qiáng),在封口板1/3 和2/3 直徑處再焊接2 根I20a 型鋼對封口板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),以增加封口板中間區(qū)域剛度,見圖3。

圖3 鋼護(hù)筒頂口封閉結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Closed structure drawing of top opening of steel casing

3) 振動錘液化土體:利用80 t 履帶吊配合DZ120 振動錘夾緊鋼護(hù)筒振動5 min 左右,將鋼護(hù)筒周圍土體充分液化。

4)空壓機(jī)加壓:經(jīng)計算頂升臨界氣壓為0.22 MPa,選用1.0 MPa 空氣壓縮機(jī)、配5 MPa 中壓軟管。采用軟管連接空壓機(jī)與護(hù)筒孔,空壓機(jī)加壓至臨界壓力。

5)停止加壓并將振動錘緩慢提升:護(hù)筒開始上升時,立即停止空壓機(jī)加壓,振動錘夾緊鋼護(hù)筒往上提升,上升時履帶吊緩慢起鉤,帶動鋼護(hù)筒出土。

6) 減壓提升:鋼護(hù)筒緩慢提升至埋深1 m時,空壓機(jī)減壓,至護(hù)筒內(nèi)氣壓力與大氣壓相同,利用履帶吊將護(hù)筒拔出地層。

4.3 現(xiàn)場實施效果

采用“氣頂法+振動錘”鋼護(hù)筒拔除工藝,避免了對鉆孔平臺及支棧橋進(jìn)行加強(qiáng)處理,降低了對施工機(jī)械設(shè)備的要求。本工程采用此工藝僅用了7 d 時間完成了16 根鋼護(hù)筒的拔除,縮短了工期,降低了施工成本?,F(xiàn)場實施見圖4。

圖4 “氣頂法+振動錘”鋼護(hù)筒拔除工藝現(xiàn)場實施圖Fig.4 Field implementation diagram of"gas cap method+vibration hammer"steel casing removing process

5 結(jié)語

依托漳州市金峰大橋鋼護(hù)筒拔除實例,通過多方案比選、方案優(yōu)化及理論分析,提出了“氣頂法+振動錘”鋼護(hù)筒拔除工藝,并通過現(xiàn)場實踐驗證了本工藝的安全性及經(jīng)濟(jì)合理性。本工藝操作簡單,成本投入少,經(jīng)濟(jì)快速,安全可靠,可為今后類似工程施工提供借鑒。

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