水下漂卵石层近等径钻头冲孔钢护筒施工下放工法

水下漂卵石层近等径钻头冲孔钢护筒下放施工工法1、前言在水下漂卵石地层或厚度较大第四系堆积层中采用冲击钻机进行桥梁桩基的冲孔施工时，由于水位深或地下水丰富、河床表层沉砂厚、漂卵石较多等诸多不利 因素的影响，易造成冲孔施工过程中钢护筒沉放深度达不到设计位置，发生塌孔、漏浆、护筒倾斜等重大质量安全事故，进而对施工进度及投资产生影响。对此， xx 有限公司和 xx 有限公司在钟多快速通道工程花山 3 号大桥等工程的水下桩基成功施工的基础上，总结形成了水流急、水位深、漂卵石地层等特殊地质条件下近等径钻头冲孔钢护筒下放施工工法，有效解决了钢护筒沉放不到位的难题，加快了施工进度，保证了施工质量，节约了施工成本。本工法关键技术 “急流漂石层钢平台桥墩施工技术 ”经查新在国内属首次使用，近等径冲孔下沉钢护筒桩基成孔施工方法处于国内先进水平。2、工法特点2.1 有效解决水下漂卵石地层的成孔难题本工法克服了制约成孔的瓶颈，解决了水下漂卵石地层钢护筒沉放的施工难题，加快了水下桩基的成孔速度，促进了桥梁水下桩基成孔及整体施工进度。2.2 设备简单，增加成本少本工法采用的冲击钻机、钻头、泥浆泵、振动锤等施工设备与正常施工设备一致，不额外增加施工设备。常规施工方法中沉放的锁口钢护筒直径比桩基设计直径大2030cm，钻头与设计桩径一致；本工法中施工钻头直径大于设计桩径，接近并略小于钢护筒内径。2.3 施工速度快采用本工法进行沉放钢护筒施工时，钢护筒下方土体在扩孔率的影响下随着钻头的下行被逐渐掏空，而钢护筒在自身重力的作用下，克服周围土体的摩阻力，自动下沉（当摩阻力大于其自重时，需在护筒顶采用振动锤施加外力促使钢护筒下沉到位） 。钻深到位，护筒也基本到位，节约了振放钢护筒的时间。2. 4 钢护筒沉放位置准确，竖向偏差小常规施工方法中钢护筒在导向架内逐节沉放，需要直接施加外力使钢护筒下沉，容易造成钢护筒竖直度达不到设计要求。本工法护筒进入河床面时主要依靠护筒自重下沉，可以确保进入河床时钢护筒的竖直度。3、适用范围3.1 本工法适用于地基为水下漂卵石、岩溶地层等钢护筒难以直接沉放的地质条件下的桩基施工；也适用于同样地质条件无水环境的桩基施工， 以及相关行业如水电、 码头、 房建等同类型地质条件桩基工程的施工；3.2 本工法适用于桩径大于1.5m、 孔深为4050m、 护筒深度为 1525m的桩基施工。4、工艺原理4.1 本工法利用冲击钻孔存在一定扩孔率的原理，采用现场试验的方法确定最佳扩孔率，根据最佳扩孔率选取与钢护筒内径非常接近的冲击钻头；4.2 在护筒内冲击钻进时，受扩孔率的影响，钻头能够完全掏空护筒壁正下方的土体，使钢护筒失去下部土体的支撑，此时当摩阻力小于护筒自重（在水中的浮力可忽略） ，护筒随着冲孔施工会自动下沉；当摩阻力大于或等于护筒自重时，护筒不会下沉，可在护筒上施加竖直向下的外力使钢护筒下沉。4.3 钢护筒沉放至河床下的深度达到设计深度时，更换成设计直径的钻头，按照设计孔径进行钻孔施工直至设计孔深。具体钻孔时钢护筒受力情况如图 4.3-1 所示。FG-钢护筒自重g钢护筒下沉条件:F-外力F+G ff-摩阻力 -一图4.3-1近等径钻头冲孔下沉钢护筒受力分析5、工艺流程及操作要点5.1 工艺流程图钢护筒的沉放施工首先需现场试验以确定最佳扩孔率、选择钻头直图5.1-1工艺流程图5.2 操作要点5.2.1 钻机准确就位，并整平孔位处河床首先在搭建好的施工平台上准确测放出孔位，放置并固定钻机，将 孔位处的平台面板割除，形成一个方孔，方孔大小应由护筒及导向架的大 小确定。然后从方孔处下放普通钻头，对孔位处河床进行盲冲整平。5.2.2 加工并安装导向架导向架是一个上下多层的型钢钢架结构，主要起为钢护筒下行提供 导向，保证钢护筒平面位置和竖直度的作用。将制作好的导向架用吊车吊 放至桩位处，按照确定的桩位中心线调整好位置， 将型钢与平台四周焊接, 导向架安装必须牢固可靠。导向架加工如图 5.2.2-1所示。1-1注：图中钢护筒数据仅为示例图5.2.2-1钢护筒导向架结构图5.2.3 加工厂加工钢护筒并分节段运至现场钢护筒采用S =12mrff的Q235A钢板按照设计尺寸在加工厂定型制 作，以确保其加工质量；钢护筒运输至现场后，应采取保护措施防止其变 形、影响下沉施工质量；钢护筒必须检查合格方可使用。加工钢护筒所使用钢板的厚度及强度应与进入河床的深度、护筒所承受的竖向、环向应力相匹配，按照钢结构稳定设计指南中竖向非弹性 屈曲临界应力和环向非弹性屈曲临界应力公式进行安全变形验算：竖向非弹性屈曲临界应力公式：axcp = 1.64 -0.2341y （式5.2.3-1） 环向非弹性屈曲临界应力公式：仃轲=0.4fy +0.18E（t/d 2 （式523-2） 式中：d-钢护筒直径，取260cm;t-钢护筒壁厚，取1.2cm;E-弹性模量，取206000mpa;fy-屈服强度，取235mpa。将以上参数带入公式可求得竖向临界应力和环向临界应力分别为：x.cp=178.03mpa,中.c=94.68mpa。本工法以花山3号大桥水下桩基为例，钢护筒设计进入河床深度为 6m,加上河床以上至水面的高度17m,钢护筒最深处为水面以下 23m,钢护筒直径2.8m,其竖向受力主要为振动锤的激振力和钢护筒本身的重力（摩阻力方向相反，计算时应该扣减，但在此仅考虑最不利条件，因此不 宜减小竖向荷载），经计算合计为79.085t,则作用在护筒底截面上轴向应 力为75mpa,远小于临界竖向应力178.03mpa;而环向应力主要为水压力（由于进入河床深度仅为6m,深度较浅，可不考虑土压力），按照水压力 计算公式p=p gh=1000x 10X23=23000（pa） =0.23mpa,也远小于环向临界 应力94.68mpa,因此我们选择的钢护筒厚度及强度均能确保钢护筒不变形 的要求。当水深较大、需打入河床的深度也较大时，应按照钢护筒所承受的竖 向及环向荷载（需要计算护筒壁土压力时，应按被动土压力公式计算）作 为临界应力反算钢护筒的壁厚，取较大值作为护筒钢板厚度。5.2.4 逐节下放并初次振打钢护筒，使钢护筒嵌入地层一定深度将运至现场的钢护筒用吊车分节段沿安装好的导向架下放至河床表 面，节段间采用全缝焊接，不得渗漏水。钢护筒沉放至河床表面后，根据 设计钢护筒直径大小，选择合适的振动锤与履带吊配合下振钢护筒，至钢护筒贯入度为零，护筒不再下沉为止（此时不得继续振打，以防止钢护筒上、下口翻卷或其它损伤） 。钢护筒下沉嵌入河床应有一定的深度，在钻孔过程中护筒底端不得出现平面位移，确保护筒的竖直度偏差。注意：将钢护筒沉放至河床表面后，应首先检查护筒的竖直度，如果由于河床表面不平整使钢护筒的竖直度达不到设计要求，就应提起钢护筒，采用冲锤重新整平河床，必要时可适当抛填片石找平。再次检测孔位处平整度，满足要求后，方可重新下放钢护筒。5.2.5 通过现场扩孔率试验,确定最佳扩孔率及近等径钻头直径现场扩孔率试验，可以在搭建平台之初就开始进行此项工作，其目的是在达到一定扩孔率的情况下，选择合适的钻头直径，能够使钻出的孔径略大于钢护筒直径，使钢护筒依靠自重或外力顺利下沉到位。在沿河浅滩寻找一处与河床地质非常接近的区域埋设1.53m 长的钢护筒（直径与设计要求一致） ，安置钻机钻孔（悬吊钻头的钢丝绳必须与护筒中心重合） ， 钻至护筒下2m 深后， 提出钻头， 将护筒内泥浆全部抽出，检测护筒下成孔的直径，并做好记录。然后回填洞渣至护筒顶面，采用焊机在钻头边缘加焊耐磨块以改变钻头直径大小，再次钻进，测护筒下的孔径，如此反复多次，对所测得的钻孔直径和钻头之间的关系进行分析，并按照下式计算出各种直径钻头钻孔时的扩孔率， 分析确定应采取的最佳钻头直径。i= （D 孔-D 钻）/D 钻X100%（5.2.5-1）式中： i-扩孔率；D 孔- 钻孔直径；D 钻 -钻头直径。riLM采用实测数据并对扩孔率进行计算，绘出扩孔率与钻头直径之间关系 如图525-2。由图可知，钻头直径较小时（始终保持钻头直径在设计范围 内），扩孔率较大，但在外包钢护筒的限制作用下，随着钻头直径的增大， 扩孔率逐渐减小，最后趋于定值，根据实际情况，我们应该选取孔径刚好 大于钢护筒外径时的扩孔率为最佳扩孔率， 则对应于最佳扩孔率时的钻头 直径即为最佳直径。率 孔I, 扩U最佳扩孔率1钻头直径起始直径最佳直径图5.2.5-2钻头直径-扩孔率关系曲线5.2.6 采用选择好的近等径钻头钻至设计护筒埋置深度在设计桩位处，向已安装好的护筒内加入泥浆，采用加焊好的近等直 径钻头进行正常冲击钻进，直至钢护筒设计埋置深度位置。施工时考虑到 孔底沉渣、局部坍塌等影响，可在设计深度的基础上加深50700cm左右,以确保钢护筒能够沉放到位。5.2.7 采用振动锤再次下振钢护筒直至护筒设计埋置深度一般情况下，完全依靠钢护筒自重不足以克服护筒与孔壁之间的摩阻 力，需要采用振动锤在护筒顶增加振动外力，钢护筒才能继续下沉直至设 计埋置深度。5.2.8 更换钻头正常钻进钢护筒下放到位后，标志着整个钢护筒下沉施工工序均已完成，将近 等直径钻头更换为设计钻头，正常进行设计孔径的冲孔施工。6、劳动力组织及材料设备本工法在施工过程中采用“三八”制作业，一台钻机每班所需人员为 4人。如果桩位较多，同时平台空间足够的情况下，可以考虑多台钻机平 行作业。值得注意的是：同一类地层结构，现场扩孔率试验只需做一次。表6.1-1所需主要材料表序号材料名称规格主要技术指标备注1钢板Q235, 8=12mmA3 钢,94.2kg/m2钢护筒制作2工字钢I36b、I40b、145a 等A3钢施工平台、导向架3槽钢20a22.637kg/m导向架4耐磨块Fe-05含耐磨金属成分加焊钻头5焊条D502施焊6钢丝绳32321.8kg/100m悬吊钻头、泥浆泵等7黄粘土钻孔护壁表6.2-2所需主要仪器设备表序号设备名称型号性能及能耗数量备注1振动锤VM2-4500135KW,激振力 5060T1打或拔护筒2履带吊QUY-50T50T1起吊构件、钻头、振动锤3汽车吊XZJ5290JQZ-25T25T1起吊构件4装载机ZL50D1转运材料5焊机BX1-4005施焊6冲击钻机75KW4钻孔7冲击钻头8T4钻孔8泥浆泵37KW4泥浆循环9水泵3.6KW4抽水10卷板机W11-16-200011KW1钢护筒制作11全站仪拓普康GPT-102R无棱镜1测量12卷尺5m4测量、质量、技术13测锤自制4测量孔深14水流测速仪LS25-3C 型0.0410m/s1测量水流速度7、质量控制7.1 质量标准（详见表7.1-1）表7.1-1施工标准及规范序号规范及标准编号规范及标准名称备注1GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范2GB 50017-2003钢结构设计规范3JTJ041-2000公路桥涵施工技术规范4JTGF80/1-2004公路工程质量检验评定标准注：表中所列内容仅为施工时间所采用的标准及规范7.2 质量控制要求7.2.1 钢护筒加工钢护筒采用12mm厚Q235钢板卷制而成，加工精度：内径偏差t5mm;椭圆度（两垂直方向内径差）10mm：长度偏差 15m,mM用卷尺检查。成型后进行焊接质量检验及水压试验，焊缝高度不少于4mm,并要求满足钢结构工程施工质量验收规范中的二级标准7.2.2 钢护筒沉放钢护筒中心竖直线应与桩位中心线重合，平面允许误差50mm,竖直线倾斜度1%;护筒埋置深度在6.0m以上，护筒顶面应高出施工常水 位12.0m以上。钢护筒连接顺直，筒内无突出物，并应耐拉、压，不漏 水。7.2.3 泥浆制备在本工法中，采用固定泥浆制作站制作泥浆，成品泥浆采用运输罐车 运至孔位处循环使用。对于孔内泥浆的质量应随时检测，其性能指标，其 满足下表7.2.3-1的要求：表7.2.3-1泥浆性能指标相对 密度粘度 (%)含砂率 (%)胶体率 (%)失水量(ml/30min)泥皮厚(mm/ min)静切力(Pa)酸碱度PH1.21.422 3095 206=59m3；2、单桩钻孔价格2000兀/m,桩径2.5m桩基截面 面积为4.9m2,折算价格为：2000/4.9=408元/m3;3、C30碎按照350元/m3计算；表案2、护筒下放到位后，为防止 漏浆，护筒外与河床形成空 隙需采用黄土或碎袋进行回 填，回填数量为设计钻孔方 量的2倍。4、单桩施工需花费人工 40个（100元/日）,管理 人员10名（200元/日）；单桩合计增加费用：59 X （408+350） +100 40+200 10=50722 元。中数据1、增加钻孔及回填量：3.14 1.552X2 2=30.2m3,增加盲冲费用:30.2 X (408+350) =22892 元;以2.51、单桩宜冲进入河床2m,其冲孔量为同样深度钻孔设2、外钢护筒长3m、直径3.1m,重2.73t,材料价按 4600 元/t 计算：2.73 M600=12558 元；3、增加碎量:3.14 1.552X5=37.7m3,增加好费用:37.7 350=13195 元;m桩基2双护筒 力杀计方量的2倍；2、增加12mm厚外护筒，长3m （直径 3.1m ,按桩径加0.6m）,增加外护筒内水下碎 浇筑高度5m。4、再次自冲 9m （河床上外护筒内 3m,河床卜 6m）、孔径 2.6m,盲抻方量：3.14 1.32X9=47.8m3, 费用:47.8 408=19502 元;5、在内护筒刃脚需要反复回填和冲击，预计单桩花费约2万元；为例计6、单桩施工需花费人工 80个，管理人员人工 20名，合计人工费 80X100+20X200=12000元，单桩增加费用：算22892+12558+13195+19502+20000+12000=100147元。3近等直近等直径钻头冲孔（在施工1、增加钻孔量：3.14 1.252X6=29m3,增加冲孔径冲孔 力杀护筒内）6m。费用：29X408=11780 元；2、增加耐磨块等零星材料费1500元；3、增加人工费用：4MM 00+1 3X200=1800 元， 单桩增加费用：11780+1500+1800=15080 元。10.3 施工设备并未增加，质量安全均能够满足设计要求。详见表10.3-1表10.3-1安全、质量及工期对比序 号方案名称安全性工期备注1无护筒盲 冲力杀安全性一般。流水中 潜水员下水清理河床 安全威胁大，尽可能 直接采用冲锤整平河 床。1、流水中投放土袋或碎袋，难以准确 到位，围护效果不好，易漏浆；2、下放护筒受盲冲效果影响较大，护 筒易倾斜，下放护筒的成孔准确率仅能 达到70%左右。单桩影响 时间10天， 进度较慢。2双护筒方 案安全性较好。下外护 筒前，采用冲锤整平 河床，所下护筒可以 部分克服水流冲力。1、外护筒下放的竖直度受自冲效果的 影响大，易倾斜，但只要倾斜的程度不 影响到内护筒就行。2、内护筒是在外护筒范围内下放，一 般情况下，内护筒成孔准确率可以达到85%以上。单桩影响 时间20天，进度慢。3近等直径 冲孔方案安全性好。所下护筒 可以克服水流冲击 力，只要冲孔深度到 位，可以保证整个冲 桩施工过程的安全。护筒下放依靠导向架和自重的作用，竖直度能够得到充分保证，护筒成孔准确 率达到95%以上。单桩影响 时间3天， 进度快。10.4 社会效益方面，在花山3号大桥水下桩基整个施工过程中，多次获得了建设业主方的表扬，并且将该桥确定为整条线路的亮点工程之一， 接受了中央电视台科技频道高清节目制作组的多次摄制和采访，为企业树立了良好的社会形象。11、应用实例11.1 重庆酉阳县钟多镇至渤海快速通道花山 3号大桥，该桥位于重庆 市酉阳县龙潭镇柏香村。主桥采用 65m+100m+65m连续刚构桥，引桥采 用3*30m连续T梁，分左右幅，桥面均宽9.25m,左幅桥长336m,右幅 桥长324m。地基基础为人工挖孔桩和钻孔灌注桩，上部结构为预应力混 凝土结构。桥台桩基16根，直径1.5m,深度816m。桥墩桩基32根， 直径 1.8m和 2.2m,深度 1029m。桥位处属于构造溶蚀沟谷地貌。多根桩基存在溶洞影响，对此，设计上专门考虑了溶洞的处理方式： （ 1）当溶洞内有填充物填满或有流砂的，或当溶洞为空洞或填充物不满 （水洞） 且深度在 3m 以内的， 在钻孔桩施工前先进行预处理，采用静压化学灌浆法固结填充物和流砂，或用此法填满溶洞，在固结体达到一定强度以后再钻孔施工。（2）当溶洞为空洞，且深度在 3m 以上的，采用套内护筒法施工，即用内护筒穿过溶洞施工。本桥桩基在进行下内护筒的施工过程中， 采用了近等直径钻头冲孔下护筒的施工工艺，也取得了明显的效果，不但加快了施工进度，同时也节约了一定的施工成本。11.2 重庆市彭水县摩围山隧道工程柑子林大桥，该工程位于彭水县新城片区，为双向分离式大桥，桥梁左线长206.65m,预应力混凝土连续箱梁，整体现浇施工。下部结构为钻孔桩基础、双柱式墩。全桥共有 36根桩，桩基直径均为1.5m,设计均为嵌岩桩。桥址区域为丘陵斜坡和溶蚀洼地复合组成，洼地内平缓，多为水田，洼地内土层较厚， 同时桩身穿越溶岩区域， 设计上采用长钢护筒深入基岩，所下钢护筒从4m25m 不等， 该工程在采用近等直径冲孔下钢护筒施工工艺后，施工进度明显加快，施工成本也得到了较大的节约，为墩身及桥梁上部结构的顺利施工奠定了基础。11.3 四川省映秀至汶川高速公路玉龙岷江大桥，地处汶川县玉龙村福堂电站库区内， 为双向分离式 T 梁桥。 桥梁全长360m， 为 9 跨 40m 结构，桥梁下部结构为钢筋混凝土盖梁、双柱式桥墩、钻孔灌注摩擦桩基础。全桥设计共有8组32根圆柱桩，其中47号墩为水下桩基施工，水位最深 处达16m以上，桩身直径2.5m。水下桩基全部采用浇筑水下硅的施工方 式进行施工。桥址处水流速度最高达到 34m/s， 岷江河床为大型漂卵石地层， 钢护筒需要下沉至河床以下 6m 深处，采用了本施工工艺，顺利完成了钢护筒下沉埋设的施工任务。11.4 重庆市江北区唐家沱至长寿凤城二级公路江北段（复盛至五宝 段）为唐凤二级公路的第一段，起点位于复盛镇刘家湾，上跨渝宜高速公 路，再跨石桥沟和渝怀铁路，进明月山隧道，在五宝二岩水库出隧道，终 点止于五宝镇马井村，路线全长 5.565公里。全线按二级公路标准设计， 设计车速60公里/小时，路基宽10米，路面宽7米，沥青混凝土路面，明 月山隧道长2415米。其中一标段为道路桥梁工程，全长约 1985米，含大 桥4座。五宝桥工程位于起点复盛镇刘家湾，属于旱地桥梁，其地质情况 较为复杂，存在部分岩溶现象，施工过程中需要设置内钢护筒，以确保桩 基施工的顺利进行。施工单位在施工过程中采用了 “近等径钻头冲孔法” 沉放内钢护筒，确保了内钢护筒的成功下沉，避免了漏浆、塌孔的影响， 保证了施工质量，加快了施工速度，综合效益优异，工程质量优良，缩短 工期18天，节约成本19.44万元，运营以来质量情况稳定。