深水钻孔施工技术

2019-04-06 版权声明 举报文章

[摘 要]普兰店海湾特大桥主桥76#~85#墩地处普兰店海湾主海沟处,采用13根Φ1.5m钻孔灌注桩群桩基础。桩基础采用插打平台支承桩及钢护筒作为钻孔施工平台支承结构,搭设水上钻孔施工平台后安装钻机冲击钻孔法施工。本文主要介绍该桥深水钻孔施工技术,供类似工程借鉴。

[关键词]钢护筒 施工平台 贝雷梁 龙门吊机

中图分类号:U443.154 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)07-0160-03

在深水钻孔桩施工中,多采用插打平台支承桩作为平台承重结构,搭设钻孔施工平台、安放钻机进行钻孔桩施工;在施工全过程中,多采用大型浮吊配合,进行钻机移位、钢筋笼吊放安装、吊装接长导管进行桩基水下混凝土灌注等工作。如何根据桩基结构布置形式及工程条件合理设置施工平台、以及在钻孔桩施工期选用合理的起吊设备配合施工对于节约成本十分重要。

1.工程概况

普兰店海湾特大桥主桥包括71#~89#墩共计19个墩,基础均为13根φ1.5m钻孔灌注桩群桩基础,桩基均为柱桩,桩位平面布置见图1。主桥位于面向渤海的普兰店海湾主海沟上,主海沟宽750m,海内水流主要受潮汐影响,水流平衡,实测流速不大于1.0m/s。海域介于正规与非正规半日潮之间,呈明显往复流,桥址处最大水深为10.0m,最高潮位+2.99m,最低潮位-0.81m,平均海平面1.29m,涨潮潮差2.2m,落潮潮差1.9m。其中76#~85#墩位于主海沟深水处。

本桥除浅水位置墩桩基础采用筑岛施工外,处于深水位置的76#~85#墩均采用水上平台法施工。考虑到桥墩钻孔桩位布置间距较小,且为了减少平台支承桩的插打数量,节约平台支承桩及相应的插打和拔除费用,在桩基施工钻孔平台搭设时,利用桩位距离较小的优势,将桩基施工用钢护筒同时兼作钻孔平台的支承结构,以减少平台支承桩的数量;另外,该项目工期紧,各墩基本平行施工,桥区涨落潮差较大,如采用大型浮吊配合桩基础施工,在落潮时部分墩位浮吊进出困难,将影响工程进度,且大型浮吊投入费用较高。经结合工程实际情况考虑,决定在各墩施工平台上均布置一台20吨龙门吊机,替代大型浮吊用于在钻孔桩施工过程中进行钻机移位、钢筋笼吊放以及灌注桩基水下混凝土用导管的吊装及拆除工作,以降低深水基础施工大型起吊设备的投入费用。

2.钻孔施工平台设置

2.1 施工平台结构设计

钻孔施工平台是水上钻孔桩施工设施的重要承重结构,根据桥墩的桩位布置和承台大小确定76#~85#墩施工平台平面尺寸为18x22m。平台主体结构平面布置如图2所示。

钻孔施工平台主要承重结构由钢管支承桩、钢护筒、主纵梁和贝雷梁组成,每个平台上横桥向布置两根龙门吊机轨道,安装一台20吨龙门吊机。平台顶面标高为+4.0m。平台支承桩均为820mm,壁厚8mm的钢管桩。桩帽顶标高+1.94m,经计算,支承桩底穿过淤泥质粘土8米左右,具体标高根据各墩位处的地质情况而定。钢护筒顶面标高高出平台顶面0.5m,即为+4.5m,钢护筒直径为1.8m,比桩径大30cm,护筒顶面偏差不得大于5cm,倾斜度不大于1%。钢护筒作为平台主要受力结构,经计算,其底需穿过淤泥质粘土3米左右,护筒底标高同样要根据各墩位处的地质情况而定。钢管桩插打倾斜度不大于1%,护筒上端设支承牛腿,牛腿顶面标高为+2.5m;平台纵梁采用2xI56型钢;贝雷梁做横梁,支承在纵梁和护筒牛腿上,平台6组贝雷梁间用新制连接系和φ48.5的扣件式钢管连接成整体,形成一个稳固的整体。

在贝雷梁顶铺设钢轨枕梁,在轨枕梁顶面开17mm的长圆孔,钢轨通过16mm的螺栓固定在钢轨枕梁上,轨枕梁底面开22mm的长圆孔,通过U型螺栓连接至贝雷梁上,作为龙门吊机的走道。水上施工平台作为钻机、泥浆分离器及泥浆泵等钻孔设备的摆放平台,钻孔桩施工荷载由平台梁传递至钢护筒和支承桩,为保证施钻的安全及钻机的布置,两相邻桩不能同时施钻。

2.2 施工平台搭设

本桥桥墩钻孔施工平台搭设时,平台结构均在钢结构加工厂分块制造,现场插打完钢管支承桩后,吊装平台主纵梁及贝雷梁,然后安装龙门吊机轨道梁,将平台结构从工厂倒运到码头,履带吊机起吊到驳船上运到安装位置分块起吊安装并连接成整体,在龙门吊机轨道梁上安装20吨龙门吊机,打桩机插打钢护筒后在钢护筒上设置牛腿,将贝雷梁支承至牛腿上即可作为钻孔施工平台。钻孔施工平台具体搭设步骤如下:

(1)首先根据设计图纸要求,在钢结构加工工厂分块制造水上施工平台。

(2)在测量人员参与下,船载50吨履带吊于水中墩位处抛锚,准确定位。

(3)将分节制造好的平台支承桩,从码头上吊装至运输船运至施工墩位处,按照设计图纸要求接长钢管桩,并用船载50吨履带吊起吊震动打桩机依次插打各平台支承桩。

(4)根据设计图纸要求,放出钢桩标高点,切除多余部分,处理平台支承桩桩帽。

(5)从码头吊装平台主纵梁、贝雷梁及其联结系至运输船运至施工墩位处,利用船载50吨履带吊吊装平台主纵梁,然后吊装贝雷分配梁并安装联结系,通过U形螺栓将钢轨枕梁安装在贝雷梁顶。

(6)将分块制作好的施工平台运输至码头,履带吊机吊装至运输船运至施工墩位处分块吊装并连接成整体形成平台。

(7)利用船载50吨履带吊机配合,在钢轨枕梁上安装20吨龙门吊机。

(8)钢护筒分节经码头吊装至拼装船上,在拼装船上接长并运输至施工墩位。利用平台上的20吨龙门吊机配合,在平台上组拼护筒插打导向架。

(9)在专业人员和测量人员控制下,用平台上的20龙门吊机起吊钢护筒移至桩下沉,20吨龙门吊机起吊振动打桩机下沉钢护筒。需确保护筒底口位于稳定土层。

(10)在钢结构加工车间整体制作牛腿,运输至现场焊接在钢护筒上,在进行牛腿的焊接时,需先将牛腿所在位置贝雷梁顶升至设计标高,以便贝雷梁落于牛腿后各点受力与设计一致。所有牛腿均焊接完毕且将贝雷梁支承于牛腿上与牛腿连接后,钻孔施工平台即形成,利用龙门吊机起吊钻机移至桩位即可进行钻孔桩施工。

2.3 平台施工主要技术要求

2.3.1 材料要求

所用钢构件均为Q235b,材质应符合《普通碳素钢结构技术条件》(GB700-88),结构用钢均应有出厂合格证,手工焊条应符合《碳钢焊条》(GB5117)的规定,焊条型号应与母材强度相适应。

2.3.2 连接要求

主纵梁及轨枕梁由于受材料长度的限制,在加工时需接长处理,对接处必须按照焊接设计规范处理,保证等强连接。

所有焊接构件的焊缝表面不得有裂纹、焊瘤、气泡等缺陷;钢管、钢护筒、牛腿连接等主要受力构件的焊缝质量必须达到二级焊缝的质量要求。

2.3.3 钢桩及护筒插打要求

(1)支承钢桩及钢护筒插打前应详细了解现场的工程地质情况,同时做好设备的检查工作,防止打桩过程中出现事故而使施工中断,引起间歇后沉桩阻力增大,导致打不到设计标高。

(2)平台定位支撑桩宜选择在小潮汛期间进行。

(3)插打定位支承钢桩时,保证其中心偏差不大于±10mm。

(4)水上沉桩及接桩应符合《港口工程桩基规范》(JTJ254-98)规定。

(5)支承桩及钢护筒插打采用标高及贯入度双重控制,如贯入度达到要求时还未达到设计标高,需更换大吨位打桩锤。

(6)沉桩后,为增强支承钢管桩的刚度,在桩身泥面以上灌砂加固。

(7)在沉桩后,搭设平台之前,要防止单桩在潮汐作用下发生偏差,如发现偏差要及时处理。

3.钻孔施工

本桥76#~85#墩钻孔桩施工均采用冲击钻机成孔;钢筋笼分节在加工车间制作,运至桩位分节吊装,并接长,接头车丝采用套筒连接;桩基混凝土均为C50高性能水下混凝土,混凝土均在混凝土拌合站拌制,船运至墩位处布料机布料,采用垂直导管拔球法水下灌注。在进行钻孔桩施工过程中,均采用平台上的20吨龙门吊机替代大型浮吊,进行钻机移位、钢筋笼吊装及导管吊装等工作。桩基钢筋笼工程及混凝土工程均按常规钻孔桩施工方法进行施工,在此仅介绍桩基成孔方法。

(1)钻机定位:在安放钻机前,先对钢护筒进行复测,根据护筒复测资料固定钻机钻盘中心,使钻机吊钩上滑轮中心、转盘中心、护筒中心在同一垂线上,其偏差不大于2cm,并立即将钻机抄牢、固定,以免在钻进过程中钻机发生位移。

(2)桩基成孔机械均采用冲击钻机。

(3)在平台上布置泥浆循环系统,开孔及整个钻进过程中,应始终保持孔内水位高出海上水位1.0-2.0m,并低于护筒顶面0.3m以防溢出。开孔时应先向孔内投入足量粘土,用冲击锥以小冲程反复冲击造浆。泥浆相对密度等指标根据土层情况而定,一般在1.15~1.25间即可开始冲击钻进。泥浆参考指标如表1所示。

(4)在砂及砾石夹土等松散层开孔或钻进时,可按1:1投入粘土和小片石(粒径不大于15厘米),用冲击锥以小冲程反复冲击,使泥膏、片石挤入孔壁。必要时须重复回填反复冲击2~3次。

(5)开孔或钻进遇有流砂现象时,宜加大粘土减少片石的比例,按上述方法进行处理,力求孔壁坚实。

(6)当通过含砂低液限粘土等粘质土层时,因土层本身可造浆,应降低输入的泥浆稠度,并采用1~1.5m的小冲程,防止卡钻、埋钻。

(7)在任何情况下,最大冲程不宜超过4米,防止卡钻、冲坏孔壁或使孔壁不圆。为正确提升钻锥的冲程,宜在钢丝绳上油漆长度标志,停钻后再次开钻时,应由低冲程逐渐加大到正常冲程以免卡钻。通过漂石或岩层时,如表面不平整,应先投入粘土、小片石,将表面垫平,再用十字形钻锥进行冲击钻进,防止发生斜孔、坍孔事故。

(8)要注意均匀地松放钢丝绳的长度。一般在松软土层每次可松绳5cm~8cm,在密实坚硬土层每次可松绳3cm~5cm。应注意防止松绳过少,形成“打空锤”,使钻机、钻架及钢丝绳受到过大的意外荷载,遭受损坏。松绳过多,则会减少冲程,降低钻进速度,严重时会使钢丝绳纠缠发生事故。

(9)大部分破碎的钻渣和泥浆一起被挤进孔壁或随泥浆排出孔外。当钻渣太厚时,泥浆不能将钻渣全部悬浮上来,钻锥冲击不到新土(岩)层上,还会使泥浆逐渐变稠,吸收大量冲击能,并防碍钻锥转动,使冲击进尺显著下降,或有冲击成梅花孔、扁孔的危险,故必须随时排渣。可采用加大泥浆比重,正循环排渣。排渣过程中应及时向孔内添加泥浆或清水以维护水头高度。投入粘土自行造浆的,一次不可投入过多,以免粘锥、卡钻。

(10)钻孔的安全要求:冲击锥起吊应平稳,防止冲撞护筒和孔壁;进出孔口时,严禁孔口附近站人,防止发生钻锥撞击人身事故;因故停钻时,孔口应加盖保护,严禁钻锥留在孔内,以防埋钻。

(11)钻孔桩终孔后应及时检孔。检孔器用钢筋笼做成,其外径等于设计孔径,长度等于孔径的4~6倍。当检孔器不能沉到原来钻达的深度时,应进行扫孔作业,以满足设计孔径要求。

(12)待孔径、孔形和倾斜度等符合规范和设计要求并得到监理工程师确认后进行第一次清孔,泥浆指标达到要求后下钢筋笼和水下混凝土灌注导管,并进行第二次清孔,并确保在填充混凝土前,桩底沉碴厚度不超过设计或规范规定值。

清孔标准:泥浆含砂率不大于2%,泥浆比重不大于1.10,粘度:17-20s;沉渣厚度柱桩不大于5cm。不得用超钻方法来代替清孔。

(13)钻孔桩允许偏差如下:

4.结语

在本桥深水墩钻孔桩基础施工过程中,充分利用钻孔桩位间距较小的特点,将钻孔桩施工钢护筒用来兼作施工平台主要竖向受力结构,大大减少了平台支承桩的数量,每个施工平台节约钢材50吨以上,且减少了平台支承桩的插打和拔除费用;另外,在每个施工平台上各布置1台20吨龙门吊机,替代大型浮吊的投入,有效节约了大型机械设备的投入成本,取得了成功的经验。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准.《钢结构设计规范》(GB50017-2003).北京:中国计划出版社,2003.

[2] 《钢结构设计手册》(第三版)编写委员会.《钢结构设计手册》(第三版).北京:中国建筑工业出版社,2004.

[3] 黄绍金、刘陌生.《装配式公路钢桥多用途使用手册》.北京:人民交通出版社,2001.

作者简介

姓名:熊仕坤,出生年月:1982年11月,性别:男,职称:助理工程师,学历:大学本科(学士学位),2004年毕业于兰州交通大学。

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