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。