軟基深水不良地質群樁基礎護筒施工質量控制

廖一天，陳佳文，秦乙洪，鄧源，呂林鵬

(三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

軟基深水不良地質群樁基礎護筒施工質量控制

廖一天，陳佳文，秦乙洪，鄧源，呂林鵬

(三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

國內對不同條件下的深水軟基鋼護筒設置方案已經有了深入的研究，但護筒材質、護筒壁厚、埋深等差異較大，不同項目施工所取得的成功經驗并不能完全或有效應用于其他工程實施。本文結合實際工程，通過安徽省蚌埠市長淮衛淮河大橋工程，從護筒埋深、二次周轉、護筒減薄、降低護筒高度等方面進行了護筒投入施工的方案選擇與優化。采用當前行業內沿用的經典公式計算出鋼護筒的埋深，并對計算結果進行了優化調整；同時計算出了鋼護筒的壁厚與內徑，并對壁厚和內徑進行了優化,使得護筒投入減少，節省了施工投入。該研究成果對深水軟基鋼護筒施工具有一定的指導作用。

深水軟基；鋼護筒；護筒埋深；護筒壁厚

1 研究背景及工程概況

1.1 研究背景

橋梁深水基礎發源于美國，至今有著100多年的積累，1874年建造的美國圣路易市Eads橋以及紐約Blooklyn橋是最早的深水基礎施工橋梁，采用的是氣壓沉箱基礎[1]?；A型式日新月異，管柱基礎、各種樁基礎，以及各種配合基礎、設置基礎、地下連續墻基礎等[2]。其中，深水樁基礎優點為承載力強、沉降小、作業方便。相對其他基礎，深水中樁基礎最適用。

當前，國內外使用護筒隔水鉆孔成樁做法十分普遍，但護筒占樁基施工成本高達1/3以上，甚至更高。對于這種典型的軟土、淤泥或砂土不良深水河床，鋼護筒有效埋置深度較難確定[3]。通常，國內需按諸多文獻推薦的理論公式進行計算，在國外也尚無確切定論。國內很多大型施工單位在深水樁基施工時，常規上護筒不縮短、不周轉、不降低頂部高度。根據多方調查，長淮衛淮河大橋(以下簡稱本橋)附近已建多座淮河大橋，地層類似，均全部穿透覆蓋層，直接采用全埋嵌巖護筒，且護筒不切割、不周轉，動輒投入上千噸護筒。

為此，本文從護筒埋深、二次周轉、 護筒減薄、降低護筒高度等五方面進行護筒投入的減少分析，以期達到大幅度降低護筒投入的目的。

1.2 工程概況

長淮衛淮河大橋位于淮河中游的蚌埠市城區東北部，為在建中環線東段的控制性節點工程，公路等級為城市快速公路，設計車速為60 km/h，雙向八車道。其中16#、 17#橋墩為跨河主墩，低樁承臺，采用水上平臺加鋼護筒成樁，雙壁鋼圍堰施工承臺墩柱；18#墩為北岸過渡墩，選擇21 m長深水型鋼板樁圍堰作業。

16#、 17#主墩為矩形實體墩+矩形承臺+鉆孔灌注樁結構，按左、右幅分離式設置，每處主墩上、下游側承臺相距19 m。每個承臺9根樁，直徑2.5 m，樁中心距5 m，最大樁長34 m，總計36根，底部持力層為中風化片麻巖。采用低樁承臺，平面尺寸為 14 m×14 m×4 m，底部位于河床以下 3～5 m。施工期間，最大設計施工水深為樁基 15.2 m，圍堰 13.7 m，遠大于橋梁施工意義上的深水界限(≥5 m)，屬特大橋梁深水基礎。

2 計算理論及控制方程

2.1 護筒埋置深度

通常，護筒埋置深度參照樁位的水文、地質情形通過計算判定。在河流深水環境下的灌注樁作業時，護筒埋置深度的確定顯得十分復雜[4]，目前橋梁界暫無明文規定，需要重點關注。本橋河床為軟土(軟塑-流塑狀粉土、淤泥質粉土，局部夾粉砂薄層)、淤泥、松散-稍密狀粉細砂，其中細砂層內夾粉砂以及粉砂薄層透鏡體[5]，工程性質較差。護筒底部無黏性土層、無硬持力層，嵌入條件較差。

對于這種地層，護筒底部的埋置深度需能阻止護管中水頭下降(橋區河道水位上升、或反穿孔情形)發生的涌砂情況[6]，從而使護筒傾陷。根據《公路施工手冊：橋涵》的計算公式初步計算如下[7]。

初步埋深：

L=[(h+H)γw-Hγ0]/(γd-γw)

(1)

式中：L為護筒埋置深度，m；H為施工水位至河床表面深度，m；h為護筒內水頭高度，即護筒內水位與作業時河水水位之差，m；γw為護筒內泥漿容重，kN/m3；γ0為水的容重，kN/m3；γd為護筒外河床土的飽和容重，kN/m3，γd=(Δ+e)/(1+e)γ0。

實際埋深：

Ls=(1.5～2)L

(2)

2.2 鋼護筒的二次周轉以及壁厚與內徑

通常，采用雙壁鋼圍堰的水中墩，一次性沉放所有樁基護筒；不切割、不周轉，保證泥漿對倒循環；后期利用護筒改造成圍堰下放的懸吊和導向裝置、封底灌注平臺；同時，可避免護筒周轉工序，稍稍提前工期。這些是行業內護筒不周轉的關鍵原因之一，但一次性投入巨大。

鋼護筒內徑大小計算需依據護筒的平面、垂直度誤差規定和長度等參數取值，根據規范規定，護筒中心豎直線必須和樁中心線重疊，平面許可誤差為50 mm[8]。

鋼護筒壁厚的確定，根據現行《公路橋涵施工技術規范》(JTG/TF 50-2011)[9]，對于大直徑樁，鋼護筒壁厚宜按剛度要求經計算確定。當護筒長度大于10 m，須要錘擊或是振動下降時，其徑厚比應該小于1/120[10]。

3 鋼護筒的埋深計算

深水大直徑樁基每根樁造價數十萬，鋼護筒的投入通?？烧紭痘杀镜?/3，甚至更高。設置是否合理也將直接影響樁基鉆進，甚至難以成孔。計算、優化極為必要。

3.1 按經典公式初步計算

因各墩最小水深大于3 m，且河床面以下覆蓋層較深厚松軟，含有軟土、松散細砂等不利地層，按護筒埋置深度經典公式進行計算，水中墩樁基側摩擦參數如圖1所示。

圖1 16#、17#水中墩樁基側摩阻力

采用護筒對倒并設置連通器，使泥漿液面與水位保持1.5～2 m穩定水頭，孔內鉆進過程中泥漿容重按1.4 kN/m3選??；南岸16墩樁基最高施工水位17.5 m時埋置深度20 m；北岸17#墩樁基最高施工水位16.5 m。

計算結果為所需埋置深度約20.06～27.96 m。計算所需護筒總長1331.73 m，具體計算結果見表1。

按國內常規做法，若護筒頂部尚需進一步升高，至高程21.5 m平臺頂面，并超出30 cm，至21.8 m高程，則需再增加的長度經計算為100.8 m，所以護筒所需總長度為1432.53 m。

3.2 對經典公式計算結果的調整值

在本橋中，16#、17#墩河床以下全為細砂層，基巖全風化層埋深遠遠淺于上述計算值。因此本橋有條件將16#、17#縮短，底部提高至巖面。其中，17#墩-左縮短，嵌入全風化砂礫層內1.5 m(承載力350 kPa)；17#墩-右縮短，嵌入碎塊短柱狀強風化層內0.5 m(承載力800 kPa)；16#基本接巖；各墩最高施工水位16.5～17.5 m，埋置深14.6～20.57 m。但鋼管樁沉入難度較大，需重型振動錘。其計算結果見表2。

表1 未考慮下伏基巖，純理論計算埋深(護筒頂部18.5～19.5 m)

表2 考慮下伏基巖深度時(16#、17#墩護筒底部縮短至巖面)計算埋深

表中已計入護筒頂部高出鋼平臺30 cm。此時護筒總長1239.33 m。

3.3 再次優化調整值

根據對最不利工況的分析，加上護筒底口為潔凈細砂、沉放設備有局限，并考慮泥漿容重的優化，認為護筒長度可進一步縮短。

根據《公路施工手冊：橋涵》中相關公式，泥漿容重對護筒埋深長度影響巨大。表1、表2計算時泥漿容重按1.4 kN/m3選取的。若泥漿按1.2 kN/m3調制，考慮鉆渣容重，鉆進過程中，可取孔內泥漿容重按1.4 kN/m3，似乎最大，最不利。但此時泥漿較濃，砂-孔間孔壁泥皮厚，滲透能力低，反而不易形成最危險的反穿孔。尤其是，橋梁上下游有大量采砂船，都是揭開河床表層后，直接開采覆蓋層中下部砂層，所取出的河砂向大量的普通商混站供料，除細度模數偏小外，含泥量很低，與一般砂基河床比，相當潔凈，本橋能位于此類地層，相當少見。實際上，在經過一清、二清后，泥皮減薄，且泥漿容重降至1.15～1.2 kN/m3時，滲透能力增強，經分析，認為本橋存在相對潔凈的細砂層，有別于其他軟基河床，使得本橋護筒埋置深度可考慮控制性泥漿容重應是清孔至1.2 kN/m3階段，代入此參數后，按《公路施工手冊：橋涵》經典公式計算，護筒可以大大縮短，形成淺埋護筒。

通過上述分析及試驗室內反復調配泥漿，控制容重、黏度等指標，輔以快速清孔濾渣措施等，護筒埋深可確定為9.31～12.0 m，護筒最終得以縮短?？s短后計算結果見表3，總重為1109.02 t。

若按國內常規做法，護筒頂部尚需進一步升高，至高程21.5 m平臺頂面，并超出30 cm，至21.8 m高程，則需再增加長度經計算為100.8 m。此時護筒總長為962.29 m，與護筒底口全入巖的1239.33 m相比，護筒淺埋后縮減為962.29 m，縮短277.04 m。

4 護筒二次周轉時質量控制

16#、17#墩毎承臺9根樁基，施工時考慮毎承臺各布置3臺鉆機分三個循環鉆進，如圖2所示。每承臺需用9根護筒，分兩期打設。一期投入6根整護筒，護筒之間互為泥漿池，形成對倒式泥漿循環池。成樁后水下切割河床面之上部分，總計能收回24根309 m，焊接成3根整長護筒[11]，進行二期剩余3根樁所需護筒的打設。

表3 未考慮下伏基巖，純理論計算埋深(護筒頂部18.5～19.5 m)

注：計算時，孔內鉆進過程中泥漿容重按1.2 kN/m3選取。

圖2 16#、17#水中墩樁基孔位設置與三次循環分布示意圖

由此，護筒總長縮減為574.33 m，再縮短287.16 m?？晒澕s護筒三分之一?？紤]到護筒水下切割端面不平，難以二次拼接，預留了0.5～1 m左右切邊量。開鉆前實際投入約600 m。與全入巖時1239.33 m相比，護筒縮減639.33 m。

5 護筒壁厚與內徑設置的質量控制

5.1 關于內徑確定的常規做法

兩主墩護筒長度大于20 m，若按水上沉放的通常施工水平，豎直線傾斜不大于1%考慮，則每邊加寬0.2 m時，20 m深處護筒內壁可能侵入樁身范圍內，且沖擊鉆鉆錘彈跳、旋轉時也可能掃到筒壁，即內徑：d≥3.0 m。

5.2 關于內徑控制的優化做法

提高打設精度，將垂度控制在≤0.5%成為關鍵。按0.5%目標控制后，16#、17#護筒內徑經計算為2.9 m。但本橋護筒直徑大，剛度相對小，重量大、振沉功率大。尤其水上作業，且水深和軟覆蓋層均超過10 m，提高精度難度很大。

5.3 護筒壁厚的確定

本橋鋼護筒優化后長度20～30 m，相應計算內徑2.9 m，據此款建議，壁厚應為24.1 mm。

經查閱、比對大量文獻資料，結合本橋覆蓋層較軟的實際、《設計地勘資料》提供的側摩阻、土工試驗數據、大量收集的類似工程案例等，決定將壁厚擴大至1/157～1/160，相應壁厚18 mm、14 mm。論證依據的要點簡述如下：

(1)依據《公路橋涵施工技術規范》實施手冊(JTGTF 50-2011)，該手冊建議值大致1/120。

(2)根據《橋梁深水基礎》[12]，參照鋼管柱：“擬定系按振動打樁機插打受力的需要，壁厚與半徑之比為1:75根據施工實踐，在插打后期鋼管柱圓平面的的彈性變形能目測到，插打完成后仍能滿足要求?！奔磸胶癖?/150，相應壁厚19.3 mm、14.7 mm。

壁厚優化后對投入數量對比，若按優化后600 m總長計，厚徑比1/120，相應壁厚24.1 mm，優化后厚徑比1/161，相應壁厚18 mm可減少263.65 t，見表4。

表4 護筒壁厚減薄前后對比

6 結 論

(1)通過多次對護筒埋置深度的優化，使得鋼護筒的埋置深度從最初的20.06～27.96 m降低為最終的9.31～12.0 m，使得所需護筒總長從1239.33 m降低至600 m，護筒長度縮減639.33 m。

(2)通過提高打設精度，在保證施工質量與安全的前提下，將護筒的內徑從3 m優化為2.9 m，護筒壁厚從24.1 mm優化為18 mm，使得護筒用鋼量節約263.65 t。

(3)與業內常規做法比，從減小護筒埋深、二次周轉、護筒減薄、降低護筒高度等方面進行了優化，并制定系列配套措施，護筒投入的大幅減少，節省大量費用，為類似工程提供了借鑒。

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Construction quality control of pile group foundations steel tubular casing in deepwater soft foundation

LIAO Yitian，CHEN Jiawen，QIN Yihong，DENG Yuan，LYU Linpeng

(CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Although the setting program of steel support for deep water soft foundation under different conditions has been intensively studied at home,but the steel tubular casing of the material, wall thickness, depth and so on were different greatly, the success of different project construction experience cannot be complete or Effectively applied to other projects. In the paper, combined with the ChanghuaiweiHuaihe Bridge project, the selection and optimization of the investment in the construction of the support tube are carried out from depth, secondary turnover, casing reduction; reduce the height of the steel tubular casing and other aspects. Using the current industry in accordance with the classic formula to calculate the depth of the steel tube, and the calculation results are optimized and adjusted. The wall thickness and the inner diameter of the steel cylinder were calculated, and the wall thickness and the inner diameter were optimized. The investment of the steel tubular casing was reduced, and the construction investment was saved. The research results have certain guiding function for the construction of steel tubular casing in deep water soft foundation.

deep water soft foundation; steel tubular casing; steel tubular casing depth; steel tubular casing wall thickness

廖一天(1993-)，男，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向為水利工程施工技術。E-mail：1373657397@qq.com。

國家自然科學基金(51179095)

TV554；U445.55+1

：A

：2096-0506(2017)08-0012-06