深水急流大直径桩基钢护筒下放及定位技术的研究和运用

摘要：为合理解决深水急流大直径钢护筒安装施工难题，在广中江高速公路项目的斜拉桥桩基施工中，研究、发明并运用了设置水下拉缆的入水导向架安装钢护筒的施工创新技术。该施工技术理论正确，原理清晰，操作安全、简单，施工效果好，实用性强，是解决深水急流大直径钢护筒下放、安装施工难题的安全、适用、有效方法。在深水急流桩基钢护筒安装施工成为常见施工的情况下，该施工技术方法的发明具有非常明显的实际意义。

关键词：深水急流大直径装机钢护筒下放定位技术

中图分类号：F540.3 文献标识码：A 文章编号：

一、问题的提出

桩基钢护筒安装是钻孔灌注桩桩基成孔施工的必要和重要的施工工序。钢护筒作为桩基施工的围护和导向结构，一般是安装在覆盖层中的。钢护筒必须被精确安装，以满足其位置的精度要求，即其平面位置和垂直度必须满足设计规定的精度要求。在岸上或静水中安装钢护筒时，其安装精度是容易得到保证的。但在水流中，特别是在深水急流中，钢护筒在下放过程中，由于受到水流作用，其安装位置控制难度大，安装精度是不容易得到保证的。这就是在水流中安装桩基钢护筒所存在的施工问题。对于深水急流大直径桩基钢护筒的安装问题，则属于尚未得到妥善解决的施工难题。

对于利用水中桩平台进行施工的钻孔灌注桩桩基施工，其钢护筒安装是在水流中进行的。以往利用桩平台的桩基施工方法，一般只在浅水内采用，在深水急流水域的桩基施工则一般采用钢围堰、沉井等施工方法。但随着桩平台施工工艺及技术水平的提高，目前在较深、较急水域也可采用桩平台方法进行桩基施工。由于桩平台桩基施工方法相比较钢围堰、沉井等施工方法有工期、造价更节省等方面的优势，这种方法将会更广泛、大量地得到运用。这样，在水流特别是在深水急流中安装桩基钢护筒的施工问题就显得很突出，急需得到解决。

目前正在施工的广中江高速公路建设项目的北街水道、潮连西江两座特大跨径斜拉桥，其主塔墩桩基施工采用水中桩平台方式进行施工。在其施工中，遇到了深水急流大直径桩基钢护筒安装的施工难题。为保证两桥桩基施工的顺利进行，需攻克、解决该施工难题。

二、技术难题分析

在水中桩基施工平台上面对水流下放、安装桩基钢护筒，以往采用导向架安装方法。即利用导向架夹持钢护筒，使钢护筒在下放过程中能够抵抗水流冲击、覆盖层中土体反力而保持平面位置和垂直度的准确性，最终被安装到设计所要求的位置。图1为常用的导向架施工方式。该施工方式的主要施工流程是：

导向架制作导向架安装钢护筒下放钢护筒着床钢护筒振动下沉钢护筒就位

在以上施工流程的工序中，钢护筒下放、钢护筒着床是非常重要和关键的。这是因为该两工序需面对水流进行。在水流作用下，导向架夹持钢护筒的体系是一个悬臂受力体系，两者会受力和偏位，从而使导向架和钢护筒存在受力安全问题，及使钢护筒存在定位偏差问题。这两个问题在水深较大、水流速度较大及钢护筒直径较大时，因导向架和钢护筒悬臂受力体系受力也相应较大，因此更为突出。在此情况下，控制导向架和钢护筒状态、解决上述问题的难度就更大，该两个问题就成为了制约施工的难题。如果钢护筒下放、钢护筒着床的状态及所存在的问题能够得到较好控制和解决，使体系受力处于安全状态，并使偏位处于精度允许的范围内，则该两工序的施工就是顺利和成功的。钢护筒安装施工流程中其他工序的施工相对是比较常规和简单的，施工质量、安全、进度是比较容易得到保证的。

图1 利用导向架的钢护筒安装施工示意图

上述导向架和钢护筒体系受力和偏位两个难题，在图1中的传统钢护筒安装方法中，采用加大相关结构的强度、刚度的方法是无法合理、有效解决的。这是因为，悬臂结构的受力状况是非常不利的受力状况，加大结构的强度和刚度对结构的受力和偏位控制效果不明显，况且对于水深、水流速度、钢护筒直径很大的各种情况，导向架结构、平台结构、钢护筒结构的强度和刚度不可能被无限加大。因此，采用常规施工方法是无法妥善解决深水急流大直径钢护筒安装的施工难题的。从上述分析可知，深水急流大直径钢护筒安装施工的关键技术难题是：水下大悬臂钢护筒结构在很大水流冲击力作用下，导向架和钢护筒体系所存在的受力安全及钢护筒存在的定位偏差问题。

三、关键技术研究及成果

为解决深水急流大直径钢护筒安装的施工难题，以广中江项目斜拉桥主塔墩桩基工程为依托，对该难题立项进行了科研课题研究。研究重点为解决钢护筒安装施工的关键技术难题。以该关键技术难题的解决为突破口，达到完全解决该施工难题的目的。

大悬臂结构的受力是导向架、钢护筒体系承受较大受力和偏位的关键原因。如果能够有效解决大悬臂问题，即有效减少导向架和钢护筒体系的悬臂长度，则能够使问题得到解决。但是传统的导向架的钢护筒安装方式，只能通过增加平台体系对导向架、钢护筒的夹持长度而减少导向架和钢护筒体系的悬臂长度。由于平台的高度是有限的，所以平台所能提供的夹持长度也是有限的。所以利用平台体系本身不能有效解决大悬臂问题。为此可寻找在平台上设置其他装置以减少导向架和钢护筒悬臂长度的方法。

在图2中，采用了一种向水下增加导向架长度，并在导向架下端水下挂设拉缆，拉缆上端设置在平台面上的增强导向架对钢护筒夹持能力，减少体系悬臂长度的创新方法。该方法有效增强了导向架对钢护筒的夹持能力，并有效减少了导向架和钢护筒体系的悬臂长度，从而能够充分有效解决导向架和钢护筒体系的受力和偏位的关键问题。该方法可利用拉缆主动施力，对钢护筒倾斜度和其下端平面位置进行调整，使钢护筒着床时，能够使其很方便地达到设计所要求的精度。本方法可适应深水急流条件下大直径钢护筒的下放、安装施工。对于任何水深、流速及钢护筒直径情况，通过调整导向架伸入水下的深度及拉缆的抗拉能力，总可使导向架的夹持力臂，即抵抗力臂大于水流对钢护筒所产生的冲击力臂。当导向架长度很大时，可逐节接高、下放，将其安装到位。在下放到水中以前，在导向架底节上预先安装拉缆，拉缆随导向架的下放而下放。

图2 采用水下拉缆的导向架钢护筒安装施工示意图

上述采用伸入水下，并设置水下拉缆的导向架安装钢护筒的施工方法，即为本科研课题的研究成果。该研究成果的施工方法，原理清晰，结构受力简捷、明了，操作简单，实用性强，是解决包括广中江项目相应施工难题在内的，深水急流大直径钢护筒安装施工难题的安全、适用、有效的施工方法。

四、工程运用

本研究成果在广中江高速公路项目TJ11合同段两座斜拉桥主塔墩桩基施工中进行了实际运用。广中江高速公路项目位于广州番禺、中山市北部、佛山市南部、江门市北部等地区间，将在这些地区内形成两条快速通道，加快这些地区之间的交通联系。本项目对于推进珠三角交通一体化，完善区域路网结构，促进沿线各区域经济及珠三角整体经济发展都具有十分重要的意义。TJ11合同段是本项目工程量很大，技术难度很大的关键控制性工程，其全线路总长为6.5Km，主体工程为两座特大跨径斜拉桥，一座为跨越北街水道，主跨为380m的北街水道桥；另一座为跨越西江，跨径为320m的潮连西江桥。两座斜拉桥共有4个大型斜拉桥主塔水中基础。基础采用钻孔灌注桩基础，基桩桩径均为3m，桩基总数为76根。4个基础均通过设置钢管桩、贝雷梁平台进行桩基础施工。为保证施工进度，桩基钢护筒安装需在8月份洪水期间进行。在钢护筒安装施工过程中，最大水深达10m以上，最大水流速度达3.0m/s。在此施工条件下，采用常规的导向架下放、安装技术，既不能保证导向架和钢护筒结构受力安全，又不能满足钢护筒精确定位要求。

通过专门研究，在本项目4个斜拉桥主塔基础桩基钢护筒安装施工中，采用了钢护筒安装创新研究成果，即采用伸入水下，并设置拉缆的导向架安装钢护筒的施工方法。采用该施工方法，顺利完成76根3.3m大直径桩基钢护筒的安装，施工安全性好，钢护筒安装精度全部达到要求。工程运用情况表明了该研究成果技术的安全性、实效性和适用性。

五、结论

在深水急流中下放和安装桩基钢护筒，在目前和将来的桩基施工中是很常见的。但是采用常规的导向架下放钢护筒的施工方法，已不能满足在深水急流条件下安装桩基钢护筒，尤其是大直径钢护筒的施工要求。因为在钢护筒下放过程中，大悬臂、大阻水面积的钢护筒会承受很大的水流冲击力，造成导向架和钢护筒结构受力很大，难以满足安全性要求。钢护筒下端偏位也较大，不能满足钢护筒安装的垂直度和平面位置精度要求。

为合理解决深水急流大直径钢护筒安装施工难题，在广中江高速公路项目的斜拉桥桩基施工中，研究、发明并运用了设置水下拉缆的入水导向架安装钢护筒的施工创新技术。该施工技术理论正确，原理清晰，操作安全、简单，施工效果好，实用性强，是解决深水急流大直径钢护筒下放、安装施工难题的安全、适用、有效方法。在深水急流桩基钢护筒安装施工成为常见施工的情况下，该施工技术方法的发明具有非常明显的实际意义。