某橋梁深水基礎(chǔ)施工中鋼護(hù)筒變形原因分析及對(duì)策

姚帥彪, 商朋朋, 李浩師, 趙 磊

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

目前在橋梁工程、港口工程中,鉆孔灌注樁的應(yīng)用十分普遍.由于受橋位處水文地質(zhì)條件的影響,在深水大跨徑橋梁樁基的施工中[1],上部結(jié)構(gòu)隨跨度增大,自重增加,導(dǎo)致樁徑不斷增大,鋼護(hù)筒直徑也越來(lái)越大[2].因此需要埋入一定土層深度的較長(zhǎng)的大直徑鋼護(hù)筒.由于長(zhǎng)度大、直徑大的鉆孔樁鋼護(hù)筒質(zhì)量大,容易出現(xiàn)各種原因引起的變形.此類(lèi)鋼護(hù)筒[3]變形原因主要有:鋼護(hù)筒的剛度相對(duì)不足[4];下沉過(guò)程中鋼護(hù)筒存在不均衡的內(nèi)外土壓力[5];當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件比較復(fù)雜[6].相對(duì)于具體的工程,在施工過(guò)程中容易受到自然條件和地質(zhì)條件影響[7],一旦鋼護(hù)筒發(fā)生變形,項(xiàng)目成本就會(huì)陡然增加.當(dāng)樁基施工正處在項(xiàng)目的關(guān)鍵環(huán)節(jié)時(shí),如果鋼護(hù)筒發(fā)生變形,應(yīng)及時(shí)找出鋼護(hù)筒變形的原因,并針對(duì)變形原因做出妥善處理;如果處理不當(dāng),不僅會(huì)影響整個(gè)墩的樁基礎(chǔ)施工,延誤工期,甚者會(huì)出現(xiàn)重大的質(zhì)量事故[1].因此有必要對(duì)出現(xiàn)變形的鋼護(hù)筒進(jìn)行具體分析.本文以某渡改橋?qū)嶋H工程為例,對(duì)鉆孔灌注樁鋼護(hù)筒在水中部分變形的原因進(jìn)行詳細(xì)分析,以此指導(dǎo)今后施工.

1 工程概況

本工程跨越長(zhǎng)江支流,由于河流較寬,采用三跨斜拉橋[8],見(jiàn)圖1.三跨斜拉橋全長(zhǎng)651 m,主橋?yàn)?45+100+320+100+45) m雙主塔雙索面混凝土梁斜拉橋,引橋?yàn)?0 m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁;采用群樁基礎(chǔ),主塔墩各鉆孔樁包括11根主樁,主樁為端承樁設(shè)計(jì),樁徑2.8 m,樁長(zhǎng)63 m.其中③-2#樁基設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高143.27 m,設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高80.27 m.

圖1 雙索面混凝土梁斜拉橋(跨度單位:cm,高程單位:m)Fig.1 Double cable plane concrete beam cable-stayed bridge(span unit:cm,altitude unit:m)

③-2#墩整體地質(zhì)情況分為3層:第1層為2.4 m的覆蓋層,主要為碎石土,成分為泥質(zhì)粉砂巖;第2層為6 m的強(qiáng)風(fēng)化巖層,主要為強(qiáng)風(fēng)化的泥質(zhì)粉砂巖,裂隙極其發(fā)育,巖芯多為碎塊狀;第3層約為43.4 m為中風(fēng)化巖層,主要為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖夾細(xì)砂巖,巖體中裂隙較發(fā)育,裂隙角度較陡,巖體較破碎.

2 鋼護(hù)筒制作施工及變形情況

2.1 鋼護(hù)筒的制作

鋼護(hù)筒采用Q235B鋼材,鋼板之間采用焊接連接使其連接成一個(gè)整體[9].鋼護(hù)筒在工廠分節(jié)制造,采用長(zhǎng)線法用螺旋板卷制,對(duì)每節(jié)鋼護(hù)筒編號(hào),并在每2節(jié)鋼護(hù)筒接頭處設(shè)置臨時(shí)螺栓匹配件,進(jìn)行試拼裝.最后運(yùn)輸至墩位處接長(zhǎng).

為保證鋼護(hù)筒在運(yùn)輸過(guò)程中不變形,在每節(jié)鋼護(hù)筒兩端安裝2道十字形內(nèi)支撐.護(hù)筒頂口內(nèi)支撐的位置對(duì)應(yīng)安裝鋼護(hù)筒打梢裝置,兼做鋼護(hù)筒起吊吊點(diǎn).此外,在底節(jié)鋼護(hù)筒底口增加加勁環(huán)箍鋼板,增加鋼護(hù)筒剛度,防止鋼護(hù)筒在插打時(shí)發(fā)生卷邊現(xiàn)象.

③-2#樁基鋼護(hù)筒從下往上分6節(jié),5道焊縫.第1道焊縫位于深度46.25 m,標(biāo)高130.67 m處;第2道焊縫位于深度35.25 m,標(biāo)高141.67 m處;第3道焊縫位于深度25.25 m,標(biāo)高151.67 m處;第4道焊縫位于深度13.50 m,標(biāo)高163.67 m處;第5道焊縫位于深度10.15 m,標(biāo)高166.77 m處.節(jié)長(zhǎng)分別為11.00、11.00、10.00、12.00、3.10、10.15 m.

2.2 鋼護(hù)筒施工

由于鉆孔平面將作為吊箱圍堰底龍骨進(jìn)行下放,為此需嚴(yán)格控制鋼護(hù)筒插打垂直度.根據(jù)實(shí)際垂直度要求進(jìn)行鋼護(hù)筒插打?qū)蚣茉O(shè)計(jì),測(cè)量人員在導(dǎo)向架安裝、鋼護(hù)筒插打過(guò)程中利用全站儀對(duì)導(dǎo)向架垂直度、鋼護(hù)筒插打垂直度及在插打過(guò)程中的平臺(tái)平面位置等進(jìn)行全程監(jiān)控,確保鋼護(hù)筒施工質(zhì)量.

(1) 導(dǎo)向架制作安裝.鉆孔平臺(tái)精確定位后,放樣角樁樁位中心線,安裝鋼立柱定位導(dǎo)向架,測(cè)量人員嚴(yán)格檢查導(dǎo)向架平面位置偏差.導(dǎo)向架與型鋼骨架連接牢固.

(2) 鋼護(hù)筒插打.鋼護(hù)筒插打采用APE400型液壓振動(dòng)打樁錘.根據(jù)U型河谷特點(diǎn),為避免在插打過(guò)程中,護(hù)筒底口在斜坡面上產(chǎn)生的水平分力對(duì)平臺(tái)平面位置造成影響,施工時(shí),先插打靠岸側(cè)2根輔助樁鋼護(hù)筒,再插打河中側(cè)2根鋼護(hù)筒,將平臺(tái)在橋軸線反向做好限位,以利鋼護(hù)筒平面精確定位,再施工剩余鋼護(hù)筒.

鋼護(hù)筒插打前,在右岸岸邊類(lèi)似地層進(jìn)行工藝試驗(yàn),以確定振動(dòng)錘施工工藝參數(shù)選擇.鋼護(hù)筒插打時(shí),運(yùn)輸船裝載鋼管停靠在拼裝船處,浮吊的主鉤吊住鋼管柱上口、副鉤吊住下口,同時(shí)提升使其懸空,然后主鉤繼續(xù)提升,直至鋼管柱垂直,最后松脫副鉤.

吊運(yùn)鋼護(hù)筒從定位架導(dǎo)向孔插入后緩慢下放.整根鋼管柱長(zhǎng)度較長(zhǎng),需要邊吊裝邊分段接長(zhǎng).鋼護(hù)筒接長(zhǎng)時(shí),先將已插入的節(jié)段利用打梢裝置吊掛在平臺(tái)上,然后將接長(zhǎng)段起吊對(duì)位焊接.對(duì)接時(shí)控制好鋼管立柱垂直度,接頭采用開(kāi)坡口熔透焊接,接頭處利用12塊鋼板補(bǔ)強(qiáng).鋼管柱對(duì)接完成后,浮吊配合進(jìn)行下放,直至鋼管柱下端進(jìn)入河床不沉為止.

鋼護(hù)筒進(jìn)入河床后,用浮吊主鉤吊起APE400液壓振動(dòng)錘到樁頭,用錘夾夾緊樁壁.為了防止對(duì)鋼管柱變形的破壞,在夾緊器范圍對(duì)鋼管柱頭安裝加強(qiáng)裝置.啟動(dòng)振動(dòng)錘沉樁,插打鋼管柱,直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度,記錄下此時(shí)鋼管柱長(zhǎng)度并計(jì)算柱底標(biāo)高.插打過(guò)程中要同步松長(zhǎng)吊機(jī)的起重繩,控制錘身與樁身保持垂直狀態(tài),鋼管柱要求垂直度≤0.35%,且偏移量≤15 mm,護(hù)筒平面位置偏差不超過(guò)20 mm.

移開(kāi)振動(dòng)錘,安裝吸泥機(jī),將鋼管柱底河床覆蓋層從管內(nèi)吸出,再安裝沖擊鉆機(jī)鉆孔施工.

2.3 鋼護(hù)筒變形情況

在③-2#主墩樁基孔鉆進(jìn)到位后開(kāi)始清孔,1 h 后準(zhǔn)備測(cè)量孔深時(shí),現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異響.現(xiàn)場(chǎng)人員隨即對(duì)鋼護(hù)筒探測(cè),發(fā)現(xiàn)③-2#鋼護(hù)筒發(fā)生變形,其余鋼護(hù)筒并未變形.③-2#鋼護(hù)筒變形情況如圖2所示.

圖2 鋼護(hù)筒變形情況Fig.2 The deformation status of steel casing

經(jīng)過(guò)分析可知,鋼護(hù)筒連接處焊縫未撕裂,僅發(fā)生變形,變形情況如下.

(1) 水下6 m(即標(biāo)高163.92 m)處變形嚴(yán)重.

(2) 水深約28 m(即標(biāo)高141.92 m)處變形逐漸還原.

(3) 水深約37 m(即標(biāo)高131.92 m)處變形還原,護(hù)筒無(wú)破裂.

鋼護(hù)筒變形情況以及清理平臺(tái)后對(duì)樁基使用檢孔器進(jìn)行檢孔,結(jié)果如圖3所示.

圖3 成孔質(zhì)量報(bào)告和變形情況Fig.3 The quality report of pore-forming and deformation condition

根據(jù)圖3可知,在護(hù)筒頂口向下69～74 m(標(biāo)高為107.92～102.92 m)、79～83 m(標(biāo)高為97.92～93.92 m)處存在局部塌孔現(xiàn)象.護(hù)筒變形較大區(qū)域在護(hù)筒頂口向下36 m左右,河床面上10 m范圍護(hù)筒變形很小或沒(méi)有變形.③-2#護(hù)筒的最大埋深9.2 m,最小埋深6.5 m.疑似鉆機(jī)錘頭位置在護(hù)筒頂下30～32 m(標(biāo)高為146.92～144.92 m)處,與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)鉆機(jī)鋼絲繩長(zhǎng)度驗(yàn)算錘頭位置基本一致,可確定錘頭位于護(hù)筒頂下(30±1) m位置,即鉆機(jī)錘頭在鋼護(hù)筒內(nèi).由于鋼護(hù)筒變形較大,錘頭被卡住,上下移動(dòng)困難.

3 鋼護(hù)筒變形分析

3.1 初步分析

綜合考慮多種情況,鋼護(hù)筒出現(xiàn)變形的原因主要有以下幾個(gè)方面.

(1) 鋼護(hù)筒制作精度導(dǎo)致鋼護(hù)筒出現(xiàn)變形.大量的工程實(shí)踐表明,鋼護(hù)筒的不圓度對(duì)鋼護(hù)筒的受力影響較大.沒(méi)有經(jīng)過(guò)加工的鋼護(hù)筒其臨界應(yīng)力只有計(jì)算值的15%～60%.在插打過(guò)程中,鋼護(hù)筒的不圓度逐漸增大,鋼護(hù)筒出現(xiàn)變形的風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大.

(2) 鋼護(hù)筒受環(huán)向應(yīng)力較大,導(dǎo)致鋼護(hù)筒變形.在施工過(guò)程中,鋼護(hù)筒底部軸向應(yīng)力較小,而環(huán)向應(yīng)力較大.在鋼護(hù)筒下沉過(guò)程中,內(nèi)側(cè)土體較少,一般為泥漿,大部分土體被擠出鋼護(hù)筒外,由此形成較大的壓力差.當(dāng)出現(xiàn)的環(huán)向應(yīng)力大于鋼護(hù)筒非彈性屈曲環(huán)向臨界應(yīng)力值時(shí),鋼護(hù)筒會(huì)發(fā)生變形.

(3) 鋼護(hù)筒承受較大的豎向應(yīng)力導(dǎo)致鋼護(hù)筒變形.在清孔過(guò)程中,孔內(nèi)發(fā)生塌孔,鋼護(hù)筒承受向下的作用力,在焊縫處發(fā)生撕裂,進(jìn)而使鋼護(hù)筒承受集中力,導(dǎo)致護(hù)筒出現(xiàn)變形.

(1)、(2)兩個(gè)原因一般會(huì)導(dǎo)致鋼護(hù)筒底部出現(xiàn)變形,而本工程鋼護(hù)筒變形發(fā)生在水中.結(jié)合成孔檢測(cè)儀對(duì)孔道的整體掃描結(jié)果,鋼護(hù)筒變形情況初步判斷如下:孔內(nèi)局部坍塌對(duì)周?chē)鷰r層產(chǎn)生擾動(dòng),影響了護(hù)筒與巖層摩阻力,使護(hù)筒內(nèi)應(yīng)力相應(yīng)增大,在護(hù)筒焊縫薄弱處撕裂,進(jìn)而使護(hù)筒瞬間變形.

3.2 有限元分析

本文采用midas FEA對(duì)鋼護(hù)筒進(jìn)行有限元建模分析.樁基鋼為Q235B鋼材,規(guī)格為直徑3 140 mm,鋼板厚度20 mm,護(hù)筒長(zhǎng)度57.25 m.采用殼單元模擬護(hù)筒.計(jì)算工況如表1所示.

表1 建模工況Table 1 The modeling condition

(1) 工況1作用下的有限元分析分析結(jié)果如圖4所示.

圖4鋼護(hù)筒承受自重載荷計(jì)算結(jié)果圖

Fig.4 The calculation result diagram of steel casing bearing deadweight load

由圖4可知,在護(hù)筒吊耳處取得最大位移,最大位移為44.8 mm.

(2) 工況2作用下的有限元分析結(jié)果如圖5所示.

由圖5可知,撕裂點(diǎn)作用在吊耳下方時(shí),吊耳附近的最大位移為53.9 mm;撕裂點(diǎn)在垂直于吊耳的連線的下方時(shí),吊耳附近位移約84.6 mm,護(hù)筒口傾斜,垂直吊耳連線方向上最大位移約465.7 mm.

(3) 工況3作用下的有限元分析分析結(jié)果如圖6所示.

由圖6可知,撕裂點(diǎn)作用在吊耳下方時(shí),吊耳附近的最大位移為43.5 mm;撕裂點(diǎn)在垂直于吊耳的連線的下方時(shí),吊耳附件的位移約195.0 mm,護(hù)筒口傾斜.所以垂直吊耳連線方向上的最大位移約1 075.2 mm.

圖5 鋼護(hù)筒第1道焊縫撕裂圖

(4) 工況4作用下的有限元分析分析結(jié)果如圖7所示.

由圖7可知,撕裂點(diǎn)作用在吊耳下方時(shí),吊耳附近的最大位移為309.0 mm;撕裂點(diǎn)在垂直于吊耳的連線的下方時(shí),吊耳附近的位移約354.0 mm,護(hù)筒可能發(fā)現(xiàn)較大變形.所以垂直吊耳連線方向上的最大位移約1 946.0 mm.

圖6 鋼護(hù)筒第2道焊縫撕裂圖

圖7 鋼護(hù)筒第3道焊縫撕裂圖

通過(guò)4個(gè)工況的分析比較可知:在工況2的作用下,鋼護(hù)筒第2道焊縫撕裂,撕裂點(diǎn)垂直于吊點(diǎn)下方;在工況3的作用下,護(hù)筒第3道焊縫撕裂,撕裂點(diǎn)垂直于吊點(diǎn)下方,所產(chǎn)生的變形與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際護(hù)筒產(chǎn)生的變形最為接近.由此判斷,護(hù)筒可能在第2道焊縫或第3道焊縫處撕裂.

4 變形鋼護(hù)筒處理對(duì)策

4.1 處理方案的選用

根據(jù)③-2#墩實(shí)際情況,處理變形鋼護(hù)筒方案有以下2種.

(1) 拔除變形鋼護(hù)筒,重新插打鋼護(hù)筒.其優(yōu)點(diǎn)是減少水下處理的工作量,操作簡(jiǎn)單,不留后患.缺點(diǎn)是自重-浮力+側(cè)摩阻力=673 t,整體拔出難度大,拔出后插打無(wú)法完全切入原插打孔位,鉆孔時(shí)錘頭受力不均,鉆孔難度大.

(2) 切除變形鋼護(hù)筒,部分更換新鋼護(hù)筒.其優(yōu)點(diǎn)是不影響已成孔孔位,只需清孔即可.缺點(diǎn)是:受底龍骨空間限制,如切割后護(hù)筒仍有變形,將大護(hù)筒套上難度大;③-2#樁基鋼護(hù)筒作為圍堰封底的主要受力點(diǎn),必須確保對(duì)接質(zhì)量,難度大.

考慮到鋼護(hù)筒整體拔出難度極大,因此采取方案(2)切除變形鋼護(hù)筒,部分更換新鋼護(hù)筒.

4.2 施工設(shè)備

處理變形鋼護(hù)筒需要直流電焊機(jī)、潛水電話、水下割鉗、切割電焊條、氧氣瓶、潛水用品等設(shè)備.

4.3 處理流程

③-2#樁基護(hù)筒處理根據(jù)水位下落情況可與圍堰施工同步進(jìn)行,事先做好孔內(nèi)回填等預(yù)處理措施.在做好③-2#樁基護(hù)筒的保護(hù)措施的前提下,率先完成③#墩剩余2根鉆孔樁施工,采取水下切割變形鋼護(hù)筒,重新對(duì)接新制鋼護(hù)筒完成沖擊成孔.變形鋼護(hù)筒處理流程如下.

(1) 剩余樁基施工:剩余樁基③-9#、③-8#樁基繼續(xù)施工完成.

(2) 固定鉆頭、切割鋼護(hù)筒.將鉆機(jī)鋼絲繩收緊,使鉆頭由鋼絲繩受力,防止切割護(hù)筒后鉆頭突然受力下落.在變形護(hù)筒頂部焊接4個(gè)掛樁并在護(hù)筒上焊接4個(gè)吊點(diǎn),割除原已變形掛樁,使護(hù)筒處于自由狀態(tài).利用150 t浮吊吊鉤下掛設(shè)4根φ32鋼絲繩,吊掛在鋼護(hù)筒吊點(diǎn)上,收緊,保持鋼絲繩處于繃直狀態(tài),潛水員下潛至標(biāo)高131.92 m處,將鋼護(hù)筒在此處橫向切割,切割完成后150 t浮吊將切割下來(lái)的鋼護(hù)筒吊出,鉆機(jī)鋼絲繩同步收緊,將鉆頭提出.

(3) 水下對(duì)接變徑鋼護(hù)筒.在工廠加工變徑鋼護(hù)筒,變徑鋼護(hù)筒上面直徑為3 100 mm,段長(zhǎng)45 m,下面直徑為3 400 mm,段長(zhǎng)6 m,最下部設(shè)置導(dǎo)向裝置,方便鋼護(hù)筒對(duì)接.將工廠加工的變徑鋼護(hù)筒運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng),檢查驗(yàn)收合格后,分段對(duì)接下放,變徑段作為最底節(jié),底部下放至標(biāo)高131.92 m處時(shí),潛水員下水查看對(duì)接情況.根據(jù)潛水員查看的對(duì)接情況,調(diào)整鋼護(hù)筒平面位置,使新制鋼護(hù)筒能順利套上預(yù)留的原鋼護(hù)筒,套進(jìn)原鋼護(hù)筒后,鋼護(hù)筒繼續(xù)下放,將新制鋼護(hù)筒落至河床面上,新制鋼護(hù)筒的重量由河床面承擔(dān).

(4) 鋼護(hù)筒夾縫內(nèi)注漿.鋼護(hù)筒位置調(diào)整后,頂口焊接限位并與平臺(tái)焊接固定,在新舊鋼護(hù)筒夾縫內(nèi)拋填粒徑為5～10 mm的碎石,直至填充至變徑處,碎石填充完成后,通過(guò)預(yù)先安裝的注漿管進(jìn)行注漿,并制作試件.

(5) 清孔、澆筑等強(qiáng)度混凝土.注漿完成之后,等待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,進(jìn)行③-2#樁基的后續(xù)施工.

4.4 注意事項(xiàng)

(1) 加強(qiáng)潛水摸排工作,確定鋼護(hù)筒未變形處的位置,確保割除后新制鋼護(hù)筒能順利套入原護(hù)筒.

(2) 加強(qiáng)工廠加工變徑鋼護(hù)筒質(zhì)量控制,確保鋼護(hù)筒加工精度.

(3) 加強(qiáng)導(dǎo)向裝置、注漿管安裝質(zhì)量控制,以免對(duì)鋼護(hù)筒的對(duì)接及注漿工作造成影響.

(4) 加強(qiáng)注漿質(zhì)量控制,③-2#樁基鋼護(hù)筒作為圍堰封底的重要支撐體系的一部分,確保其結(jié)構(gòu)受力.

(5) 加強(qiáng)鋼護(hù)筒姿態(tài)調(diào)整,確保后期圍堰能順利下放.

5 結(jié) 論

根據(jù)模型計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析認(rèn)為,樁基鋼護(hù)筒變形多數(shù)是由于塌孔造成的.其中明顯的細(xì)節(jié)為施工單位并未持續(xù)進(jìn)行施工,中間存在一段時(shí)間的空白期,存在塌孔變化不可控因素,并且由于塌孔造成鋼護(hù)筒受力變化,導(dǎo)致土體對(duì)鋼護(hù)筒產(chǎn)生向下的作用力,使鋼護(hù)筒焊接薄弱處產(chǎn)生撕裂,使撕裂上部鋼護(hù)筒受向下的集中力的作用,從而產(chǎn)生變形.

通過(guò)以下5個(gè)步驟可以有效解決鋼護(hù)筒變形問(wèn)題:①固定鉆頭,切割鋼護(hù)筒;②提出鉆頭及變形鋼護(hù)筒;③水下對(duì)接變徑鋼護(hù)筒;④鋼護(hù)筒夾縫內(nèi)注漿;⑤清孔、澆筑等強(qiáng)度混凝土.實(shí)踐證明,水下電氣法切割鋼護(hù)筒投入少,設(shè)備簡(jiǎn)單,操作可行.此外應(yīng)連續(xù)施工,避免間斷施工,以減少施工中發(fā)生鋼護(hù)筒變形的不確定因素.