嘉绍跨江大桥φ 4.1 m大直径钢护筒施工技术

黄 炜

1 工程简介

1.1 工程概况

嘉绍跨江大桥全长10.137 km,是嘉兴—绍兴公路通道跨越天然屏障钱塘江的控制性工程。大桥北起海宁尖山围垦区,跨越杭州湾水域,直达上虞96丘围垦区,采用双向八车道高速公路标准。北岸水中区引桥下部结构采用单桩独柱结构形式,有φ 3.8 m钻孔桩130根。钢护筒内径4.1 m,底标高-35.0 m,顶标高+10.5 m,长度 45.5 m,总重 133.2 t。

1.2 工程地质及水文

根据地质勘探报告,一般地段钢护筒周围的覆盖层主要为粉土、粉砂、淤泥质粉质黏土等,在淤泥质粉质黏土中存在极具层里的薄粉砂夹层。桥址位于钱塘江河口尖山河段,受潮流和径流共同作用,潮流动力条件强,且比较复杂,河床冲淤剧烈。潮流为非正规半日浅海潮流,水流属往复流,但不对称性较明显。最高潮位+5.45 m,平均潮位+4.02 m,最低潮位-3.15 m,最大潮差8.59 m,平均潮差6.44 m,流速 3.7 m/s～7.5 m/s。

2 工程难点

1)钢护筒下端12.0 m和顶口2.0 m采用壁厚32 mm,Q345C钢,钢板强度及厚度对卷板设备提出较高的要求;2)单节护筒重量达到50 t左右,最大长度达18 m,对运输车辆及运输线路要求非常高;3)桥址处位于强涌流河段,潮水流速大,且大部分地段在退潮后为裸露的滩涂,无法采用浮吊辅助下沉,对起重设备要求非常高;4)单桩独柱结构形式对护筒平面位置及倾斜度要求非常高,平面位置偏差不得超过50 mm,倾斜度偏差不得超过1/300,若施沉过程中发生偏位或倾斜,纠偏将非常困难;5)淤泥质粉质黏土中存在极具层里构造的薄粉砂夹层,对钢护筒插打影响非常大。

3 钢护筒分节

1)根据地质资料及钻孔平台和主栈桥钢管桩插打的经验,第一次下沉护筒底标高控制在-16.0 m左右。平台顶标高+10.0 m,焊接操作高度1.50 m,则下节护筒总长为27.50 m。2)27.50 m长钢护筒,重约82.75 t,运输、起吊、翻身等均非常困难,也存在极大的安全风险,故采用(13.5+14.0)m的组合形式。3)综合考虑吊机起吊能力、运输能力、转弯半径、河床标高、冲刷情况等各项因素,钢护筒分为3节:底节13.5 m(δ=32 mm,Q345C,12.0 m;δ=27 mm,Q235C,1.5 m)、中节 14.0 m(δ=27 mm,Q235C,14.0 m)、顶节 18.0 m(δ=27 mm,Q235C,16.0 m;δ=32 mm,Q345C,2.0 m)。

4 钢护筒制作

1)为保证对接质量,钢护筒接口处均采用机械加工的方法开V形坡口,取焊缝坡口角度α,则环焊缝等厚板材α=15°+10°,不等厚环焊缝对接时 α=22.5°+10°,纵向焊缝 α=15°+(0°～ 10°),坡口边缘加工光洁度及尺寸应满足规范相关要求。2)钢护筒由短节拼焊成吊装节,各短节钢护筒的纵向焊缝错开布设,间距不小于 1 610 mm(1/8周长)。3)为减小下沉过程中的阻力,增加护筒底口刚度,在钢护筒底节底口外侧加焊20 mm厚钢板,钢板高500 mm。护筒底口及加焊钢板均开坡口,便于切割土体下沉,尖脚朝外可防止刃脚向护筒内侧变形。

5 钢护筒运输

为防止钢护筒在运输过程中出现失圆、变形等现象,在运输上设置专门的运输胎架,同时分别在钢护筒的上、下口及中间位置采用两根[20焊接十字支撑,以增强钢护筒抵抗变形的能力。

6 定位导向架

为确保施沉精度,在钻孔平台上设置双层定位导向架,顶层固定在平台承重梁上,设置标高+10.0 m,底层固结在平台支撑桩上,设置标高+3.5 m,两层间距6.5 m,均采用螺旋式可调节结构(定位导向架尺寸以mm计)。

7 钢护筒施沉

7.1 设备选择

7.1.1 起重设备

1)考虑底节钢护筒临时挂在钻孔平台承重梁上,待与中节钢护筒对接完成后,一并下插,则此时吊机的最小起吊能力不小于82.75 t。2)在第一次施沉到位对接第三节钢护筒时,在考虑φ 4.1 m钢护筒半径和主臂宽度的情况下,履带吊机的有效吊高不得小于18.0 m(第三节钢护筒长度)+1.5 m(焊接操作高度)+2.0 m(预留长度)=21.5 m。3)根据钻孔平台设计图纸,在进行钢护筒吊装作业时,所能达到的最小吊距为8.5 m。4)综合考虑上述三方面的因素,钢护筒起吊选用中联重工QUY160履带吊机,主臂长度38.0 m。5)为防止翻身过程中钢护筒变形,采用160 t履带吊作为主起重吊机,于护筒顶口两点吊装,100 t履带吊机作为护筒翻身用辅助吊机,于护筒底部单点吊装。

7.1.2 下沉设备

振动锤应按其激振力P和钢护筒下沉时桩周土体对护筒的动摩擦阻力R进行选择。

其中,LK为护筒在不同土层中的入土深度;U为护筒外周长;fk为液化后不同土层的动摩阻力。

根据相关资料计算得出:最大动摩阻力R=686 t,钢护筒和锤重约 188 t,故需要激振力为686-188=498 t,2台APE400型液压振动锤并联进行插打。

7.2 下沉施工

1)测量放线定好钢护筒中心线,调整导向架螺旋限位,确保钢护筒平面位置及垂直度符合要求。2)分别采用160 t,100 t履带吊机,同时起吊顶部吊点和底部吊点,使钢护筒离开栈桥面约2 m,然后起升顶部吊点,底部吊点不动,使钢护筒由平卧变为斜吊,慢慢起吊到90°后,拆除底部吊点,割除护筒内十字支撑和底部吊耳,垂直起吊护筒入孔。3)底节13.5 m钢护筒吊装入孔后,通过焊接在护筒侧面的挂耳挂在钻孔平台承重梁上,然后吊装中节14.0 m钢护筒与底节对接。4)钢护筒对接时,在底节护筒顶端焊接定位挡块,起吊中节钢护筒,松钩下落,使之与底节护筒对位,调整护筒倾斜度和接头错缝,满足要求后由3名～4名焊工分段焊接,现场焊接采用二氧化碳气体保护焊。5)待中节与底节对接完成,焊缝经现场检测符合设计要求后,用160 t履带吊将两节护筒徐徐提起0.5 m,割除临时挂耳,仍通过两个方向相互垂直的全站仪重新校正平面位置和垂直度,并通过导向架螺旋限位精确定位。再将护筒缓缓插入河床中,直至自重下入土稳定,摘除吊钩。6)160 t履带吊机起吊振动锤和液压夹持器以及油管,安放振动锤时要对中,将液压夹持器和护筒壁夹紧,再次检查护筒平面位置和倾斜度,若平面位置偏差和倾斜度满足要求时,开动打桩锤,先进行点振下沉,确保钢护筒稳定入土,然后再连续施振下沉。当护筒顶端距平台顶面约1.5 m高时,停止下沉,将打桩锤和液压夹持器吊离护筒。7)采用同样的方法起吊、对接、下沉顶节钢护筒至设计标高。8)施沉过程中,相互垂直的两台全站仪跟踪观测钢护筒的平面位置和倾斜度,若偏差度超出设计和工艺要求,须迅速用对讲机通知平台上作业人员停止施振,采取措施重新调整到位再继续振动下沉。9)振动的持续时间不超过10 min～15 min,防止时间过长振动锤部件过热造成损坏。

8 施工注意事项

1)底节与中节钢护筒精确对位时应选择有利的潮位进行,一般选择高平潮,防止造成钢护筒平面位置或垂直度偏大。2)施沉作业应连续进行,一气呵成,过程中的停顿时间应尽可能短,尤其应控制护筒焊接作业时间,以防止停顿时间过长使周围土壤恢复,再次液化困难。3)由于护筒对接作业时间长,必须考虑阴雨及大风天气对施工的影响,护筒吊装及对接作业时应选择良好天气,同时采取有效措施,确保施工安全。4)当钢护筒遇到紧密坚硬地层时不再下沉,或下沉极慢;振幅增大,甚至跳动;当振动锤达到最大功率钢护筒仍不能继续下沉,说明阻力已大到无法使钢护筒振动下沉,此时必须采取吸泥措施以降低护筒内的土塞效应。

[1] 交通部第一公路工程总公司.桥涵[M].北京:人民交通出版社,2006.

[2] 凌治平,易经武.基础工程[M].北京:人民交通出版社,1996.

[3] 李志坚.林村大桥钻孔桩基础的施工技术[J].山西建筑,2008,34(1):331-332.