曾億忠，張俊光，張成林

（中交第二航務工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

水上橋梁鉆孔灌注樁常以超長鋼護筒作為圍護結構，鋼護筒的施沉常采用振動錘擊法，由于特殊原因導致施沉后鋼護筒不能滿足工程樁基施工，需拔除后重新施沉[1]。王家紅[2]等對套管護壁拔樁法研究表明，其適用預制混凝土打入樁的拔除，且為破壞性拔除；李大勇[3]等研究的套鉆成孔減摩吊拔樁法可將單根樁基一次性全部拔除；馮博[4]等研究的壓力頂升拔除法，可適用于鋼護筒拔除，但在護筒開始頂升移動瞬間，靜摩擦力瞬間變?yōu)閯幽Σ亮?，氣壓控制較難，且存在安全風險。因此有必要對護筒安全高效拔除工藝進行研究，解決特殊地層大直徑鋼護筒拔除難題，為同類型施工提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

漳州市金峰大橋跨九龍江，設計跨徑為（75+120+75）m 變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁，雙幅設計，單幅梁寬23.5 m。2 個邊墩基礎分別為8根直徑1.8 m 鉆孔灌注樁；2 個主墩基礎分別為8根直徑2.5 m 鉆孔灌注樁，原設計樁基均為端承樁。采用棧橋及鉆孔平臺法施工水上工程，采用振動錘擊法施沉鋼護筒，沖擊鉆施工鉆孔灌注樁。

1.2 水文地質(zhì)條件

1）九龍江位于飲用水保護區(qū)，受上下游橋梁及水閘影響，橋位段水域不通航，大型起重設備無法進入施工水域。

2）該工程所在區(qū)域，橋位處地質(zhì)條件復雜，局部巖面起伏較大，地質(zhì)含中砂層、粗砂層、圓礫層、花崗巖層等地層。

1.3 護筒拔除原因

在臨時鋼平臺、鋼護筒施工完成后對主橋各墩位進行了逐孔位地質(zhì)補勘。14 號墩位因巖性較差，經(jīng)設計單位驗算后將該墩位原設計的嵌巖樁調(diào)整為摩擦樁，樁間距按照設計規(guī)范摩擦樁要求進行相應調(diào)整，已經(jīng)施工完成的鋼護筒需拔除后重新施沉。原設計基礎結構與變更后基礎結構對比圖如圖1，圖中虛線與實線分別表示原設計與變更后基礎結構。

圖1 原設計基礎結構與變更后基礎結構對比圖（cm）Fig.1 Comparison between the original design infrastructure and the modified infrastructure（cm）

14 號墩位經(jīng)補勘后地質(zhì)情況自上而下依次為中砂、粗砂、圓礫、砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖。本墩位處16 根鋼護筒已全部施沉到位，鋼護筒直徑φ2 900 mm，壁厚12 mm，施沉時鋼護筒底標高嵌入圓礫層0.5～1.0 m 范圍。

2 施工難點

1）主橋為本項目的關鍵線路工程，根據(jù)工期安排，鋼護筒拔除工期需控制在15 d，拔除工期緊。

2）鋼護筒施沉時，在鋼平臺上安裝好導向架后，先采用80 t 履帶吊下放鋼護筒就位，千斤頂限位鋼護筒使其垂直度滿足要求后，履帶吊單獨起吊DZ120 型振動錘施沉。若采用履帶吊和振動錘拔除鋼護筒的方法，需提升履帶吊型號為150 t以上，原設計的支棧橋承載力不能滿足要求。

3）結合相關工程經(jīng)驗和地質(zhì)勘探芯樣，福建地區(qū)地質(zhì)情況復雜多變，粗砂和圓礫層的粒徑變化范圍較大，側摩阻系數(shù)無法準確估量，鋼護筒拔除所需克服的摩阻力無法精確計算。

4）行業(yè)內(nèi)快速拔除鋼護筒的工藝案例較少，施工難度較大。

3 鋼護筒拔除方案比選分析

1）方案一：加固現(xiàn)有支棧橋，利用大型起重設備配合振動錘拔出鋼護筒。

2）方案二：封閉護筒口，向護筒內(nèi)加壓空氣頂升鋼護筒，起重設備提升拔出鋼護筒。

3） 方案三：封閉護筒口，向護筒內(nèi)加壓空氣，起重設備+振動錘輔助拔出鋼護筒。

3 個方案比選見表1。

表1 鋼護筒拔除方案比選分析表Table 1 Comparison and selection analysis table of steel casing removing scheme

分析認為：采用方案三，護筒內(nèi)加壓、起重設備與振動錘輔助的組合工藝，可降低施工成本，提高施工效率。與其他方案相比，可降低護筒拔除安全風險。

4 “氣頂法+振動錘”鋼護筒拔除技術

4.1 工藝原理

1）振動對土層的液化機理

振動錘帶動鋼護筒振動，在護筒周圍被擾動的土中超孔隙水壓力不斷積累，土體間有效應力逐漸減小直至喪失抗剪強度，引起土體液化[5]。

2）土層液化對樁側摩阻力性狀影響機理

土體液化隨時間變化，液化土層固結引起地面的沉降，從而產(chǎn)生負摩阻力。負摩阻力包括上覆液化土層中樁側負摩阻力和液化土層中樁側負摩阻力兩個部分，其峰值可能高達非液化條件下樁側摩阻力的50%以上[6]。

3）振動拔樁動摩阻力

鋼護筒長度18 m，入土深度為8 m，依次穿過中砂3 m、粗砂4.5 m、圓礫0.5 m。單根鋼護筒重G1=153.8 kN。根據(jù)地勘情況地層摩阻力標準值見表2；參照JGT 94—2008《建筑樁基規(guī)范》[7]與JTGD 60—2015《公路橋梁設計通用規(guī)范》[8]土層的液化折減系數(shù)取1/3。

表2 各地層側摩阻力標準值Table 2 Standard values of lateral friction resistance for each layer kPa

靜力拔鋼護筒靜摩阻力FV1=3 874.6 kN。

液化土層鋼護筒動摩阻力FV2=3 874.6×1/3=1 291.5 kN。

4）護筒頂升氣壓力計算

拔樁過程中臨界頂升力Tc等于鋼護筒重G1與護筒動摩阻力FV2之和，即T=1 445.3 kN，進而護筒內(nèi)頂升臨界氣壓力P1=1 445.3 kN/（6.6 m2）=0.22 MPa。

5）護筒頂升過程中摩阻力與護筒內(nèi)壓力變化關系

在護筒內(nèi)氣壓達到設計氣壓后暫停加壓，履帶吊緩慢起鉤（過程中振動錘為壓重作用），帶動鋼護筒出土。鋼護筒內(nèi)部氣壓對封口板向上的作用力能夠克服鋼護筒與周圍土體間摩阻力和鋼護筒自重時，隨著鋼護筒的頂升、入土深度的變化，內(nèi)部氣壓對封口板的頂升力T 和動摩阻力FV 的減弱趨勢如圖2 所示：由圖示可知，頂升力較摩阻力下降速率慢，因此需進行壓重。頂升力與動摩阻力變化如圖2。

圖2 頂升力與動摩阻力變化簡圖Fig.2 Change diagram of top lift and frictional resistance

4.2 操作要點

1）泥漿制備：由于地質(zhì)為透水地層，加壓前進行空隙封堵，采用黃黏土制備高比重泥漿。

2）鋼護筒頂口封閉：將鋼護筒上口用鋼板封閉形成密閉空間，預留增壓孔，采用20 mm 厚鋼板作封口板環(huán)向與鋼護筒整體焊接，周邊設加強勁板補強，在封口板1/3 和2/3 直徑處再焊接2 根I20a 型鋼對封口板進行補強，以增加封口板中間區(qū)域剛度，見圖3。

圖3 鋼護筒頂口封閉結構圖Fig.3 Closed structure drawing of top opening of steel casing

3） 振動錘液化土體：利用80 t 履帶吊配合DZ120 振動錘夾緊鋼護筒振動5 min 左右，將鋼護筒周圍土體充分液化。

4）空壓機加壓：經(jīng)計算頂升臨界氣壓為0.22 MPa，選用1.0 MPa 空氣壓縮機、配5 MPa 中壓軟管。采用軟管連接空壓機與護筒孔，空壓機加壓至臨界壓力。

5）停止加壓并將振動錘緩慢提升：護筒開始上升時，立即停止空壓機加壓，振動錘夾緊鋼護筒往上提升，上升時履帶吊緩慢起鉤，帶動鋼護筒出土。

6） 減壓提升：鋼護筒緩慢提升至埋深1 m時，空壓機減壓，至護筒內(nèi)氣壓力與大氣壓相同，利用履帶吊將護筒拔出地層。

4.3 現(xiàn)場實施效果

采用“氣頂法+振動錘”鋼護筒拔除工藝，避免了對鉆孔平臺及支棧橋進行加強處理，降低了對施工機械設備的要求。本工程采用此工藝僅用了7 d 時間完成了16 根鋼護筒的拔除，縮短了工期，降低了施工成本。現(xiàn)場實施見圖4。

圖4 “氣頂法+振動錘”鋼護筒拔除工藝現(xiàn)場實施圖Fig.4 Field implementation diagram of"gas cap method+vibration hammer"steel casing removing process

5 結語

依托漳州市金峰大橋鋼護筒拔除實例，通過多方案比選、方案優(yōu)化及理論分析，提出了“氣頂法+振動錘”鋼護筒拔除工藝，并通過現(xiàn)場實踐驗證了本工藝的安全性及經(jīng)濟合理性。本工藝操作簡單，成本投入少，經(jīng)濟快速，安全可靠，可為今后類似工程施工提供借鑒。