蕪湖長(zhǎng)江公路二橋鋼護(hù)筒制作、運(yùn)輸與沉放技術(shù)

尚龍，章欣，韓志忠

（中交二航局第四工程有限公司，安徽　蕪湖　240001）

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋鋼護(hù)筒制作、運(yùn)輸與沉放技術(shù)

尚龍，章欣，韓志忠

（中交二航局第四工程有限公司，安徽蕪湖240001）

以蕪湖長(zhǎng)江公路二橋南主墩樁基鋼護(hù)筒施工為工程背景，闡述了南主墩樁基鋼護(hù)筒特點(diǎn)、制作工藝、運(yùn)輸控制、沉放方法等，主要包括采用工廠化加工螺旋焊縫超大鋼護(hù)筒、多支點(diǎn)內(nèi)外支撐運(yùn)輸、大型浮吊配合雙聯(lián)振動(dòng)錘施振、雙層雙導(dǎo)向雙聯(lián)導(dǎo)向架定位、大扭矩回旋鉆掃孔再施振的二次跟進(jìn)工藝等。結(jié)果表明此技術(shù)有效控制了鋼護(hù)筒加工質(zhì)量和運(yùn)輸過(guò)程中的變形，提高了鋼護(hù)筒定位精度。

鋼護(hù)筒；制作；運(yùn)輸；沉放；技術(shù)

1　工程概況

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋起于無(wú)為縣石澗鎮(zhèn)，終于繁昌縣峨山鎮(zhèn)，接已經(jīng)建成的滬渝（南沿江）高速公路，路線全長(zhǎng)55.508 km，跨江主引橋長(zhǎng)13.982 km?？缃鳂?yàn)?00 m+308 m+806 m+308 m+ 100 m五跨分肢柱式塔分離鋼箱梁四索面斜拉橋，全漂浮體系，塔高262.48 m，主橋長(zhǎng)1 622 m。

南主墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有30根直徑φ3 000～3 400 mm變截面鉆孔灌注樁，樁底標(biāo)高為-86 m，頂標(biāo)高-5.8 m，樁長(zhǎng)80.2 m，主墩鉆孔樁采用C35水下混凝土。其中樁徑φ3 400范圍設(shè)計(jì)有永久鋼護(hù)筒，采用壁厚為25 mm的Q235C鋼板卷制而成。

2　南主墩鋼護(hù)筒特點(diǎn)

蕪湖二橋南主墩樁基鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-45.8 m，根據(jù)南主墩附近3個(gè)地質(zhì)鉆孔資料顯示，河床自然標(biāo)高為-28.1～-28.5 m，且從-37.4～-42.7 m進(jìn)入卵石層，-42.7～-51.3 m進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層，因此鋼護(hù)筒從制作運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)安放具以下特點(diǎn)：

1）鋼護(hù)筒長(zhǎng)度長(zhǎng)，重量大。單根永久鋼護(hù)筒從-5.8～-45.8 m，長(zhǎng)40 m，加之措施鋼護(hù)筒長(zhǎng)度，單根鋼護(hù)筒長(zhǎng)56.8 m，且鋼護(hù)筒采用直徑3.4 m、壁厚25 mm螺旋焊管，同時(shí)根據(jù)工程的地質(zhì)和類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)，鋼護(hù)筒底口3 cm以上設(shè)置壁厚24 mm，高100 cm抱箍，護(hù)筒頂口設(shè)置壁厚20 mm、高100 cm抱箍，單根鋼護(hù)筒的重量達(dá)120 t左右。

2）鋼護(hù)筒制作要求高、運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)大。目前國(guó)內(nèi)最大生產(chǎn)螺旋焊管壁厚為25.4 mm，且直徑為3.4 m的生產(chǎn)線更是少有，同時(shí)對(duì)長(zhǎng)50多m的鋼護(hù)筒起吊、翻身、涂裝難度大，加之吊裝上船，因此對(duì)整個(gè)起吊上船及運(yùn)輸設(shè)備要求很高。

3）鋼護(hù)筒現(xiàn)場(chǎng)吊裝與沉放設(shè)備要求較高，根據(jù)鋼護(hù)筒重量及起吊高度、吊幅等數(shù)據(jù)，采用大型浮吊起吊，雙聯(lián)振動(dòng)錘施振。

4）鋼護(hù)筒現(xiàn)場(chǎng)施工控制難度大。根據(jù)振動(dòng)錘的施振原理及國(guó)內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)，振動(dòng)錘很難直接將鋼護(hù)筒施振至巖層內(nèi)，且由于水深、覆蓋層淺，鋼護(hù)筒施振懸臂大，對(duì)鋼護(hù)筒定位精度控制難度加大。

3　鋼護(hù)筒制作及運(yùn)輸

鋼護(hù)筒生產(chǎn)流程：材料采購(gòu)→復(fù)驗(yàn)→焊接工藝評(píng)定→加工制作→涂裝及檢測(cè)→驗(yàn)收→裝運(yùn)。

3.1材料采購(gòu)

鋼護(hù)筒制造用料：鋼卷δ25 mm，材質(zhì)Q235C；焊接材料為H08MnA、ER50-6，應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。所有材料必須提供完整的材料質(zhì)量證明書(shū)和產(chǎn)品合格證，對(duì)所有的鋼卷進(jìn)行復(fù)檢。

3.2焊接工藝評(píng)定

采用的焊接方法及工藝：認(rèn)真審核設(shè)計(jì)圖紙中的各項(xiàng)技術(shù)要求，確定焊接工藝關(guān)鍵點(diǎn)，以正確判定下料的坡口形式、拼裝尺寸及允許誤差，并進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。

鋼護(hù)筒焊接經(jīng)焊接工藝評(píng)定，共有3種焊接形式：雙Y形坡口全熔透雙面埋弧焊、單面V形坡口正面埋弧焊+背面手工電弧焊、單面V形坡口全熔透雙面手工電弧焊[1]。

3.3加工制作

3.3.1鋼卷對(duì)接焊流程

前一鋼卷用盡后采用等離子切割機(jī)切除板尾，并開(kāi)出焊接坡口，新送入鋼卷矯平后采用等離子切割機(jī)切除板頭，并開(kāi)出焊接坡口；鋼卷對(duì)接前先邊緣對(duì)齊，兩板間保持焊接距離，焊接方法為埋弧自動(dòng)焊，采用單面焊工藝；設(shè)定焊接電流、電壓、焊接速度，對(duì)連接部位進(jìn)行埋弧焊接（焊劑、自動(dòng)焊絲與螺旋焊接時(shí)相同），在鋼卷對(duì)接完成下線后，再對(duì)鋼帶對(duì)頭焊的背面焊縫進(jìn)行清根，然后用手工電弧焊施焊。

3.3.2成型和焊接

1）為保證焊接質(zhì)量，對(duì)鋼帶邊的雜質(zhì)進(jìn)行清理和預(yù)開(kāi)焊接坡口。

2）2臺(tái)大功率銑邊機(jī)對(duì)鋼帶兩邊銑削，加工出X形焊接坡口。

3）成型機(jī)為3組成排的輥輪。鋼帶以螺旋角度送入成型機(jī)內(nèi)，產(chǎn)生螺旋卷曲成型，鋼帶的兩板邊形成成型縫。

4）螺旋角的大小根據(jù)鋼樁直徑和鋼帶寬度計(jì)算確定。

5）焊接為自動(dòng)埋弧焊內(nèi)焊接和外焊接[2]。3.3.3等離子定尺切割與涂裝

鋼護(hù)筒按照要求長(zhǎng)度采用空氣等離子切割。

1）根據(jù)要求，用測(cè)量尺定出切割長(zhǎng)度，做好標(biāo)識(shí)。

2）開(kāi)啟等離子切割機(jī)，鋼護(hù)筒旋轉(zhuǎn)1周完成切斷。

3）切割完成后，鋼護(hù)筒由桁車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至涂裝場(chǎng)地。涂裝采用噴砂除銹工藝，銅礦砂作為輔料，表面處理達(dá)到Sa2.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)并有一定粗糙度，噴砂后4 h內(nèi)進(jìn)行噴漆，以保證油漆和鋼材表面的結(jié)合力。鋼護(hù)筒涂裝體系為：鋼板噴砂Sa2.5級(jí)后涂裝20 μm無(wú)機(jī)硅酸鋅車(chē)間底漆，再進(jìn)行噴砂Sa2.5，最后涂裝150 μm耐磨環(huán)氧底漆和300 μm耐磨環(huán)氧面漆。

3.4鋼護(hù)筒運(yùn)輸

鋼護(hù)筒為直徑3.4 m的螺旋管，直徑大，為保證鋼護(hù)筒在搬運(yùn)和運(yùn)輸過(guò)程中不發(fā)生變形，在卷制完成后鋼護(hù)筒頂口、底口1 m位置設(shè)置米字撐（圖1），在鋼護(hù)筒內(nèi)間隔10 m設(shè)置米字撐。

圖1　鋼護(hù)筒內(nèi)支撐及支墊木方Fig.1　Bracing inside steel casing and supporting timber

鋼護(hù)筒加工完成后，先由廠房?jī)?nèi)2臺(tái)80 t龍門(mén)吊運(yùn)輸至外場(chǎng)，再由2臺(tái)50 t龍門(mén)吊水平運(yùn)輸至碼頭裝船，船舶采用1 389 t平板駁船，尺寸60 m×26.5 m。

3.4.1鋼護(hù)筒吊裝及裝船

1）成品管采用尼龍吊帶輕吊、輕運(yùn)，防止撞擊變形和機(jī)械損傷。

2）裝運(yùn)時(shí)，防止長(zhǎng)鋼管產(chǎn)生較大的彎曲而損傷外涂層。

3）涂敷過(guò)的每根成品管都應(yīng)套上隔離墊圈。墊圈的尺寸和位置以堆放時(shí)保護(hù)涂層不受損壞為原則。

4）駁船裝運(yùn)鋼護(hù)筒時(shí)，根據(jù)打設(shè)施工順序和吊裝的可能性，按裝樁圖要求分層裝駁；駁船裝樁應(yīng)采用多支墊堆放，墊木均勻放置，并適當(dāng)布置通楞，墊木頂面在同一平面上；裝載堆放形式應(yīng)確保駁船在裝卸、運(yùn)輸和起吊時(shí)保持平穩(wěn)[3]。

3.4.2鋼護(hù)筒裝駁運(yùn)輸

鑒于南主墩鋼平臺(tái)施工工藝的特殊性，鋼護(hù)筒在廠內(nèi)分2個(gè)節(jié)段制作，單根運(yùn)輸，由于鋼護(hù)筒直徑較大，鋼護(hù)筒裝船時(shí)采用軟吊索捆綁式吊裝，以避免產(chǎn)生吊裝變形，同時(shí)，在運(yùn)輸船上設(shè)置半圓形專(zhuān)用支架，使支點(diǎn)處受力均勻。

4　鋼護(hù)筒吊裝與安放

4.1鋼護(hù)筒吊裝

根據(jù)首節(jié)鋼護(hù)筒長(zhǎng)度、重量、平臺(tái)布置等，鋼護(hù)筒首節(jié)吊裝采用航工868浮吊吊裝安放。

為避免鋼護(hù)筒發(fā)生吊裝變形，浮吊采用捆綁式吊裝方法。鋼護(hù)筒吊裝采用2個(gè)主鉤，鋼護(hù)筒被吊起后，一鉤起鉤，同時(shí)另一鉤下落，實(shí)現(xiàn)鋼護(hù)筒由水平變垂直，并將底端米字撐拆除。然后將鋼護(hù)筒緩慢進(jìn)入導(dǎo)向框內(nèi)，選擇流速較小、水面較為平靜時(shí)將鋼護(hù)筒緩慢下放，直至入泥穩(wěn)定，待鋼護(hù)筒靠自重下沉穩(wěn)定后才能脫鉤。

吊裝采用直徑90 mm和直徑54 mm鋼絲繩，用于水平和豎直吊裝鋼護(hù)筒。在水平狀態(tài)吊裝時(shí)，保守考慮僅捆綁式鋼絲繩受力，每根鋼絲繩承受拉力為110/（4cos 65°）=30.3 t，對(duì)于公稱抗拉強(qiáng)度1 770 MPa，φ54 mm鋼芯鋼絲繩，最小破斷拉力為184 t，安全系數(shù)為184/30.3=6.1，滿足要求。在豎直狀態(tài)吊裝時(shí)，保守考慮2根鋼絲繩受力（從水平狀態(tài)變成豎直狀態(tài)時(shí)），每根鋼絲繩承受拉力為110/2=55 t，對(duì)于公稱抗拉強(qiáng)度1 770 MPa，φ90 mm鋼芯鋼絲繩最小破斷拉力為510 t，安全系數(shù)為510/55=9.3，滿足要求。

4.2鋼護(hù)筒安放

4.2.1首節(jié)鋼護(hù)筒安放導(dǎo)向架與振動(dòng)錘

考慮到蕪湖二橋?qū)Ｓ靡?guī)范對(duì)鋼護(hù)筒的斜率（1/260）要求較高，同時(shí)單樁獨(dú)柱的樁基偏位（5 cm）控制均大大優(yōu)于橋規(guī)的要求[4]，又考慮到主墩處水深，護(hù)筒著床前懸臂較大，且護(hù)筒直徑較大，阻水面積大，故首節(jié)鋼護(hù)筒下沉采用雙層雙導(dǎo)向雙聯(lián)定位導(dǎo)向架進(jìn)行定位。

根據(jù)鉆孔平臺(tái)的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)及施工便利性，導(dǎo)向架采用雙層雙孔形式，兩層導(dǎo)向架垂直距離為4 m，共16個(gè)導(dǎo)向輪，每個(gè)導(dǎo)向輪對(duì)應(yīng)1個(gè)千斤頂。使用過(guò)程中，導(dǎo)向架臨時(shí)固定在兩端平臺(tái)橫梁上，每定位1次，可以沉放2根鋼護(hù)筒，精度控制通過(guò)雙層導(dǎo)向輪配合千斤頂實(shí)現(xiàn)[5]。

為了保證首節(jié)鋼護(hù)筒能夠下沉到位，振動(dòng)錘需穿過(guò)上層導(dǎo)向框（圖2），因此，設(shè)計(jì)導(dǎo)向架時(shí)，導(dǎo)向框的靜空隙考慮了振動(dòng)錘通過(guò)的要求。另外，為了使振動(dòng)錘油管能夠順利通過(guò)上層導(dǎo)向框，將導(dǎo)向架外側(cè)上橫梁設(shè)計(jì)成可以旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)構(gòu)件，即在外側(cè)上橫梁兩端設(shè)置銷(xiāo)軸，當(dāng)振動(dòng)錘需要通過(guò)時(shí)，提前用電動(dòng)葫蘆將其下放并擱置在下層導(dǎo)向架外側(cè)橫梁上。根據(jù)主墩位處地質(zhì)情況以及以往工程經(jīng)驗(yàn)，擬采用2臺(tái)APE400型振動(dòng)錘雙聯(lián)動(dòng)進(jìn)行首節(jié)鋼護(hù)筒的下沉。

圖2　導(dǎo)向架沉放鋼護(hù)筒Fig.2　Lowering steel casing down along guide frame

將鋼護(hù)筒沉放到-40 m標(biāo)高所需振動(dòng)錘激振力F＞土的動(dòng)摩阻力Fr=μ∑fULi=5 498.064 kN，其中：μ為砂土液化系數(shù)，f為土側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；U為樁截面周長(zhǎng)；Li為第i層土體厚度。見(jiàn)表1。而APE400型液壓振動(dòng)錘單錘的最大激振力Fv= 3 203 kN[6]。雙聯(lián)動(dòng)振動(dòng)錘最大激振力P=2Fv= 6 406＞Fr=5 498.064 kN，故振動(dòng)錘滿足施工需要。

表1　鋼護(hù)筒第1次下沉至-40 m時(shí)土阻力Table 1　Soil resistance to steel casing when it was first driven to-40 m

4.2.2鋼護(hù)筒及導(dǎo)向架受力分析

1）分析前提條件

由于鋼護(hù)筒批量沉放施工，導(dǎo)致主墩處河床沖刷，取沖刷后標(biāo)高-33.0 m（初始泥面標(biāo)高-28 m左右）。水位標(biāo)高為+3.0 m左右，實(shí)測(cè)水流速不大于1 m/s，偏安全取1.0 m/s，計(jì)算時(shí)忽略鋼管樁平臺(tái)群樁遮流影響系數(shù)、橫流影響系數(shù)等。

2）分析模型

鋼護(hù)筒著床時(shí)，受力最為不利，變形最大，計(jì)算采用Midas/Civil通用空間有限元分析軟件，局部模型如圖3。

圖3　鋼護(hù)筒及導(dǎo)向架分析模型Fig.3　Analytical model for steel casing and guide frame

3）分析結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，導(dǎo)向架最大應(yīng)力37.3 MPa，最大變形2.4 mm，導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度滿足要求，與平臺(tái)橫梁連接處最大豎向壓力135.7 kN，最大剪力86.4 kN，另外，上層導(dǎo)向架受力為10.5 t，下層導(dǎo)向架受力為12.9 t；鋼護(hù)筒底端變形41 mm，頂端變形-7 mm，則在雙層導(dǎo)向架的約束下，傾斜度（41+7）/51/1 000=9.4×10-4<1/260= 3.8×10-3。因此，在水流作用下，鋼護(hù)筒沉放滿足規(guī)范精度要求。

4.2.3鋼護(hù)筒第二節(jié)跟進(jìn)施工

首節(jié)鋼護(hù)筒沉放完成，為防止鉆機(jī)鉆孔時(shí)鋼護(hù)筒猛然下沉，將鋼護(hù)筒與距離最近的鋼管樁通過(guò)短型鋼臨時(shí)連接，使鋼護(hù)筒具有型鋼和土層兩處約束，然后移走導(dǎo)向架，放置2臺(tái)3500型鉆機(jī)進(jìn)行掃孔，鉆機(jī)跟進(jìn)掃孔至標(biāo)高-45.8 m?？紤]到首節(jié)鋼護(hù)筒底口入泥淺，鉆孔時(shí)可能發(fā)生串孔，因此掃孔采用“跳樁”方式。

鉆孔先采用φ3.4 m的刮刀鉆頭反循環(huán)加壓清水鉆進(jìn)，控制每小時(shí)進(jìn)尺在4～6 m左右，孔內(nèi)補(bǔ)充清水；當(dāng)鉆頭接近護(hù)筒底口以上1 m時(shí)，降低鉆進(jìn)速度，每小時(shí)進(jìn)尺控制在0.3～0.8 m左右。進(jìn)入巖層后，根據(jù)實(shí)際需要，將鉆頭換成φ3.4 m的滾刀鉆頭，鉆至-45.8 m標(biāo)高。

5　結(jié)語(yǔ)

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋南主墩樁基30根鋼護(hù)筒沉放精度均高于規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，平面偏位不超過(guò)2.5 cm，傾斜最大為0.13%，且首節(jié)鋼護(hù)筒沉放僅用時(shí)15 d全部完成，第二節(jié)鋼護(hù)筒跟進(jìn)也大大超過(guò)預(yù)期進(jìn)度，為整個(gè)鉆孔樁施工創(chuàng)造了充裕時(shí)間。在如此施工水文和地質(zhì)條件下，采用超大超長(zhǎng)懸臂嵌巖鋼護(hù)筒在國(guó)內(nèi)長(zhǎng)江流域?qū)崒俸币?jiàn)，通過(guò)精細(xì)的加工工藝和多重運(yùn)輸控制措施保證鋼護(hù)筒制作運(yùn)輸質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)大型浮吊和雙層雙導(dǎo)向雙聯(lián)導(dǎo)向架定位保證鋼護(hù)筒沉放精度，采用二次跟進(jìn)工藝保證鋼護(hù)筒施振進(jìn)入巖層，可為鋼護(hù)筒施工提供參考。

[1]JTS 152—2012，水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTS 152—2012,Code for design of steel structures in port and waterway engineering[S].

[2]吳義國(guó)，程華才.索塔鋼護(hù)筒制作工藝與質(zhì)保措施[J].工程與建設(shè)，2010，24（3）：387-389. WU Yi-guo,CHENG Hua-cai.Manufacture craft and quality assurance measures for steel casing of rope tower[J].Engineering and Construction,2010，24(3)：387-389.

[3]王鐵法，王奎.深水大直徑鉆孔樁鋼護(hù)筒浮運(yùn)與安裝施工技術(shù)[J].公路，2010（8）：34-36. WANG Tie-fa,WANG Kui.Technology for floating transportation and installation of steel casings for large diameter bored piles in deep waters[J].Highway,2010(8):34-36

[4]JTJ/T F50—2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S]. JTJ/T F50—2011,Technical specification for construction of highway bridge and culverts[S].

[5]劉宇峰.移動(dòng)式懸臂導(dǎo)向架鋼護(hù)筒施工技術(shù)[J].山西建筑，2010，36（9）：138-139. LIU Yu-feng.On steel casing technique mobile cantilever guidance frame[J].Shanxi Architecture,2010,36(9):138-139.

[6]陳明憲.斜拉橋建造技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2004. CHEN Ming-xian.Technology for construction of cable-stayed bridge[M].Beijing:China Communications Press,2004.

Fabrication,transportation and installation of steel casing for Second Changjiang River Highway Bridge in Wuhu

SHANG Long,ZHANG Xin,HAN Zhi-zhong
（No.4 Engineering Co.,Ltd.of CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhu,Anhui 240001,China）

Based on the installation of steel casings for the piles for the southern main pier for Wuhu Second Changjiang River Highway Bridge,the paper expounds on the features,fabrication,transportation and control,and installation of steel casings for the pile foundation for southern main pier,mainly including the factory processing of large steel casings with spiral welding, internal and external multi-point supports for transportation,vibro-driving of steel casings with twin vibratory hammers from a large floating crane,positioning of twin guide frames with double orientation and double guiding,and high torque rotary drill to clear boreholes followed by second vibro-driving of the steel casing.The results show that the methods employed have effectively controlled the quality of fabrication of the steel casings and the deformation of steel casings during their transportation,and have improved the positioning accuracy of steel casings.

steel casing；prefabrication；transportation；installation；technology

U443.38

B

2095-7874（2016）09-0046-04

10.7640/zggwjs201609011

2016-01-22

尚龍（1985—），男，陜西咸陽(yáng)市人，工程師，土木工程專(zhuān)業(yè)。E-mail：393780689@qq.com