秦濤濤

(中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

近些年來我國(guó)橋梁工程發(fā)展迅速，修建了越來越多的跨江河的公路、鐵路橋梁。深水區(qū)橋梁施工需要大量的鋼護(hù)筒，若能將鋼護(hù)筒整體拔除，實(shí)現(xiàn)回收再利用，將大幅度降低施工成本，為此相關(guān)科技工作者對(duì)鋼護(hù)筒的回收利用開展研究。邢磊[1]利用大型吊車和振動(dòng)錘來拔出超長(zhǎng)鋼護(hù)筒；林楓[2]結(jié)合天津站交通樞紐工程第二施工標(biāo)段，對(duì)超深超大鋼護(hù)筒進(jìn)行起拔回收和循環(huán)利用，并介紹了臨時(shí)鋼護(hù)筒的設(shè)計(jì)和起拔施工技術(shù)；吉漢均[3]詳細(xì)介紹了水下鉆孔灌注樁鋼護(hù)筒回收利用的施工工藝；李果等人[4]和陶萬濤等人[5]提出一種利用智能頂升系統(tǒng)的施工工藝來進(jìn)行鉆孔灌注樁鋼護(hù)筒的回收。本文在參考相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合安慈高速公路澧水特大橋的工程情況，介紹了水上鉆孔樁鋼護(hù)筒回收利用施工技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程結(jié)構(gòu)

安慈高速公路澧水特大橋西為跨越西江水道和澧水水道所設(shè)，西江水道在勘察期間水面寬約42 m，水深約8 m左右；澧水水道在勘察期間水面寬約390 m，水深約2～5 m不等，最深可達(dá)8 m左右。澧水特大橋橋跨為17×25 m T梁+40 m T梁+17×25 m T梁+(50+80+50)m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁+16×40 m T梁+(90+2×150+90)m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁+4×40 m T梁。其中跨越澧水段為(90+2×150+90)m連續(xù)梁主橋，主墩采用雙柱式門形實(shí)體截面，采用整體式承臺(tái)，承臺(tái)高4.5 m，承臺(tái)封底厚2 m，利用承臺(tái)連接群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)下設(shè)為鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ)，樁基采用28根?200 cm的摩擦樁，樁長(zhǎng)33～42 m不等。水中主墩的承臺(tái)標(biāo)高分別+25.5 m、+26.0 m、+26.5 m，設(shè)計(jì)施工水位為34.5 m。搭設(shè)水上鉆孔平臺(tái)進(jìn)行施工，鉆孔樁施工平臺(tái)標(biāo)高+37.0 m。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及勘探成果，橋位所經(jīng)區(qū)域的地層由上至下依次為：①填筑土，主要以黏土、粉質(zhì)黏土為主，含少量卵石、碎磚等，厚約0～2 m。②種植土，厚0.20～0.60 m。③粉質(zhì)黏土，褐黃色為主，夾灰褐色，可塑狀為主，局部為軟塑狀，厚約0～3.50 m。④淤泥質(zhì)黏土，灰色、深灰色，軟塑～流塑狀為主，厚約8.00～18.00 m，分布層位穩(wěn)定。⑤黏土，以黃色為主，軟-可塑狀，厚約3～6.00 m 。⑥粉質(zhì)黏土，褐黃色為主，夾褐灰色，軟可塑狀為主，厚約0～12.00 m。⑦粉質(zhì)黏土夾粉砂，灰褐色，灰色為主，可塑狀為主。⑧粉砂，灰色，松散—稍密，厚約0～8.00 m。⑨圓礫，雜色，稍密狀為主，局部呈中密狀，稍濕，礫石成分以英砂巖、砂巖、硅質(zhì)巖為主。

1.3 水文情況

擬建場(chǎng)地水系主要為澧水及西江，河水主要接受降水及上游溪水匯聚補(bǔ)給，水量受季節(jié)變化的影響較大，一般雨季水量豐富，旱季水量較少。4～8月為汛期，河水水位受降水的影響明顯，水位陡漲陡落，最高洪水為41.89 m(1998年12月14日)。一般11月至翌年1月為枯水期，枯水季節(jié)實(shí)測(cè)水位28.5～30.5 m，為橋梁基礎(chǔ)工程的良好施工期。鉆孔內(nèi)地下水位觀測(cè)資料及民井調(diào)查表明，地下水主要為孔隙水，具有弱承壓性，賦存于黏性土之間或黏性土(粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土)之下的細(xì)砂、圓礫層中，以地下水徑流、越流形式向下游及上部河床排泄。水量穩(wěn)定，受季節(jié)變化的影響小，水量較豐富。

2 鋼護(hù)筒再利用難點(diǎn)分析及計(jì)算

鋼護(hù)筒采用Q235鋼板，其內(nèi)徑比設(shè)計(jì)樁徑大40 cm，即鋼護(hù)筒采用內(nèi)徑為240 cm、壁厚8 mm的鋼護(hù)筒。為了防止孔壁塌孔，鋼護(hù)筒需要穿入平均深度為12 m的淤泥層，平均鋼護(hù)筒長(zhǎng)度為25 m。

2.1 重難點(diǎn)分析

通過對(duì)深水樁基礎(chǔ)施工過程進(jìn)行分析并結(jié)合查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，鋼護(hù)筒循環(huán)利用的技術(shù)難點(diǎn)如下：

(1)鋼護(hù)筒拔出過早，混凝土還處于流塑狀態(tài)，同時(shí)由于護(hù)筒內(nèi)混凝土面比護(hù)筒外河床面低大約5～6 m，此時(shí)樁柱混凝土外側(cè)的土壓力大于混凝土對(duì)外的壓力，樁側(cè)土體會(huì)擠壓混凝土，容易出現(xiàn)漏筋和縮頸等質(zhì)量事故。

(2)鋼護(hù)筒拔出過晚，混凝土凝固后與鋼護(hù)筒粘結(jié)，導(dǎo)致鋼護(hù)筒拔出困難。即便強(qiáng)行拔出，也可能導(dǎo)致樁柱混凝土因拉拔力過大而開裂，引起不可修復(fù)的質(zhì)量事故。

(3)正確計(jì)算鋼護(hù)筒的最大起拔力、選擇合理的起拔設(shè)備、設(shè)計(jì)可靠的起拔反力平臺(tái)是確保鋼護(hù)筒實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用的關(guān)鍵。

為有效克服以上困難，實(shí)現(xiàn)鋼護(hù)筒的回收再利用，應(yīng)分析設(shè)計(jì)合理的鋼護(hù)筒起拔時(shí)間和拔出方案，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本工程實(shí)際情況提出鋼護(hù)筒分兩次拔出方案。首次拔鋼護(hù)筒的時(shí)間為混凝土澆注完成后，此時(shí)混凝土與護(hù)筒之間的粘結(jié)力較小，有利于護(hù)筒拔出；但也因?yàn)榇藭r(shí)混凝土尚未初凝，應(yīng)避免鋼護(hù)筒拔出后樁側(cè)土體擠壓引起縮頸或漏筋等質(zhì)量事故，因此需根據(jù)內(nèi)外壓力平衡原理計(jì)算初凝前第1次拔出高度，待混凝土初凝后進(jìn)行第2次拔出。

2.2 初凝前拔出高度計(jì)算

首次拔鋼護(hù)筒的時(shí)間為混凝土澆注完成后，此時(shí)混凝土與護(hù)筒之間的粘結(jié)力較小，有利于護(hù)筒拔出；但也因?yàn)榇藭r(shí)混凝土尚未初凝，應(yīng)避免鋼護(hù)筒拔出后樁側(cè)土體擠壓引起縮頸或漏筋等質(zhì)量事故。根據(jù)內(nèi)外平衡原理，初凝前第1次拔出高度按下列過程計(jì)算：

(1)護(hù)筒外土體側(cè)壓力可參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)的6.6.3節(jié)計(jì)算

Ps=φsγshsks

(1)

式中：φs為主動(dòng)土壓力增大系數(shù)，土體高度hs<5.0 m時(shí)取φs=1.0，5.0 m8.0 m時(shí)取φs=1.2；γs為土的重度；hs為土體高度；ks為主動(dòng)土壓力系數(shù)，根據(jù)土層性質(zhì)查表選取。

(2)護(hù)筒內(nèi)混凝土的側(cè)壓力根據(jù)《混凝土工程結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》，按下式計(jì)算

Pc=0.8γchc

(2)

式中：γc為混凝土的重度(kN/m3)；hc為鋼護(hù)筒內(nèi)混凝土面至護(hù)筒底的高度(m)。

(3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可得鋼護(hù)筒內(nèi)混凝土澆筑高度Hc和護(hù)筒打入河床深度Hs，則護(hù)筒底以上外側(cè)河床土體高度hs和護(hù)筒內(nèi)混凝土高度hc之間的關(guān)系為

hs=hc+(Hs-Hc)

(3)

由式(1)～式(3)得第1次拔出后鋼護(hù)筒埋入河床土體深度hs限制如下：

(4)

由式(4)也可以看出，如果鋼護(hù)筒內(nèi)護(hù)筒內(nèi)面比護(hù)筒外側(cè)河床面高，理論上混凝土澆筑后即可直接拔出鋼護(hù)筒，不會(huì)引起縮頸、漏筋等質(zhì)量事故。

根據(jù)本工程實(shí)際情況，取γs=18 kN/m3，γc=24 kN/m3，Hs=12.0 m，Hc=7.0 m，φs=1.2，ks=0.3，代入式(4)得hs≥7.55 m。由此可得，第1次拔出高度h1

2.3 最大起拔力計(jì)算

根據(jù)鋼護(hù)筒拔出過程的受力情況，分別基于新澆筑混凝土模板側(cè)壓力和抗拔樁計(jì)算公式求解最大起拔力。

(1)根據(jù)新澆筑混凝土模板側(cè)壓力計(jì)算鋼護(hù)筒內(nèi)側(cè)抗拔力，混凝土對(duì)鋼護(hù)筒的側(cè)壓力按式(2)計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取初凝前混凝土與鋼護(hù)筒之間的摩擦系數(shù)μ=0.3，則有

(5)

(2)根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.3節(jié)沉樁承載力容許值計(jì)算公式，可得鋼護(hù)筒外側(cè)土體產(chǎn)生的抗拔力為

(6)

由此可得最大起拔力為

(7)

上述式中：U為鋼護(hù)筒周長(zhǎng)；li為第i層土層厚度，qi為第i層土側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，n為鋼護(hù)筒打入的土層數(shù)。

結(jié)合本工程實(shí)際情況，U=7.54 m，n=1，l1=Hs=12.0 m，q1=30.0 kPa，γc=24 kN/m3，hc=Hc=7.0 m，代入式(7)得F=6 257.9 kN。實(shí)際配備了2臺(tái)500 t千斤頂，按0.8倍效率系數(shù)計(jì)算，可提供總起拔力P=8 000.0 kN>F=6257.9 kN，滿足需求。

3 具體實(shí)施方案及效果

3.1 施工方案

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過程中，為提高鋼護(hù)筒的拔出效率，根據(jù)鋼護(hù)筒的埋深情況，采用2種不同的拔出方案，具體如下：

(1)鋼護(hù)筒打入深度在承臺(tái)底面以下，且深度超過5.0 m時(shí)，采取二次拔出方案。即在混凝土灌注后，在鋼護(hù)筒上焊接加固吊點(diǎn)，加設(shè)雙拼I45工字鋼提升橫梁，采用2臺(tái)500 t千斤頂進(jìn)行第1次提升鋼護(hù)筒。第1次拔出注意事項(xiàng)為：①提升前，確保橫梁與千斤頂連接處的穩(wěn)定性；②千斤頂?shù)撞渴芰c(diǎn)應(yīng)處于平臺(tái)橫梁處；③兩臺(tái)千斤頂須同步提升，提升速率控制在5 cm/min左右，確保支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體拔出現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。第1次提升結(jié)束后對(duì)鋼護(hù)筒的吊點(diǎn)進(jìn)行鋼板加固，待混凝土初凝后使用180型振動(dòng)錘進(jìn)行低頻振動(dòng)緩慢拔出鋼護(hù)筒，當(dāng)鋼護(hù)筒底被拔離土層后，關(guān)閉振動(dòng)錘電源，用吊車將鋼護(hù)筒吊至下一個(gè)新樁位。

(2)鋼護(hù)筒打入深度在承臺(tái)底面以上，且深度小于5.0 m時(shí)，此時(shí)估算起拔力不到150 t。為提高拔出效率，取消初凝前的第1次拔出作業(yè)，直接待混凝土初凝后采用180型振動(dòng)錘將鋼護(hù)筒一次拔出?，F(xiàn)場(chǎng)拔出情況如圖2所示。

3.2 實(shí)施效果

澧水特大橋的水中墩需要設(shè)置84根樁基，若按傳統(tǒng)方式，需要埋置84個(gè)鋼護(hù)筒。本工程中僅設(shè)置了3個(gè)鉆孔平臺(tái)，單個(gè)平臺(tái)配置4個(gè)鋼護(hù)筒，共計(jì)配置12個(gè)鋼護(hù)筒進(jìn)行施工，節(jié)省了72個(gè)鋼護(hù)筒。若所有鋼護(hù)筒的長(zhǎng)度均按25 m計(jì)算，則72個(gè)鋼護(hù)筒約重850 t。不考慮鋼護(hù)筒的加工費(fèi)用，并按現(xiàn)有鋼材價(jià)格計(jì)算，本次約節(jié)省382萬元。由此可知，與傳統(tǒng)方式相比，本文提出的深水鉆孔樁鋼護(hù)筒回收利用技術(shù)可以大大節(jié)省施工成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)通過檢測(cè)可知，樁基的合格率為100%，即該施工工藝可以保證樁基的質(zhì)量。

4 結(jié)論

工程應(yīng)用結(jié)果表明，深水鉆孔樁鋼護(hù)筒回收再利用技術(shù)是可行的，可以大大節(jié)省施工成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。