河床卵石层钢护筒跟进技术探析

河床卵石层钢护筒跟进技术探析

李成春

中国电建市政建设集团有限公司天津300384

摘要：当水下桩基钻孔遇松散卵石层时，容易产生钢护筒跟进困难、沉放不到位等情况，进而引发连锁问题。本文通过安徽省霍山生态新城路网工程PPP项目——双湾大桥、深水河大桥等桥梁施工的成功实践，探析卵石层水中钢护筒跟进技术，借以为类似工程施工提供参考。

关键词：卵石层钢护筒跟进

1.前言

随着社会资本在基础设施领域的投入，跨江跨河桥梁建设工程日益增多。面对水下卵石层，当采用冲击钻进行桥梁桩基冲孔施工时，受河道水位较深、河床表层沉砂厚及密实卵石层等因素的影响，易导致冲孔过程中钢护筒沉放不到位，产生塌孔、漏浆、护筒倾斜等，进而对施工安全、实体质量、生产进度及项目投资产生不利影响。在中国电建市政集团施工的霍山生态新城路网工程PPP项目--双湾大桥、深水河大桥等桥梁工程上，针对钢护筒跟进环节，采取改进措施，有效解决了钢护筒沉放不到位及水下卵石层成孔困难的问题。

2.工艺原理

桥梁钻孔灌注桩施工常埋设钢护筒来定位桩位、控制桩顶标高等，以双湾大桥水中桩基为例，桩基直径1.8m，水上作业平台高约4m，水深平均8m，钢护筒入河床6m左右，钢护筒设计长度为18m，壁厚12mm，筒位距孔心偏差小于50mm。双湾大桥跨越淠河，该河床表层沉砂及卵石层厚约2~4米。

针对钢护筒穿越卵石层下沉困难问题，通过现场浅滩部位的扩孔率试验，当钢护筒先行沉放至河床卵石层时，选取与设计护筒近等直径的改进钻头冲孔钻进，护筒依靠自重或外力同步跟进直至穿越卵石层，之后更换常规钻头进行河床岩层的正常钻孔。

3.工艺流程图

4.主要施工方法

4.1扩孔率试验

钢护筒的跟进沉放首先需现场试验以确定最佳扩孔率、选择最佳钻头直径。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微大于钢护筒设计直径，使钢护筒能够依靠自重或外力顺利下沉到位。

具体做法：在沿河浅滩寻找一处与河床地质非常接近的区域，埋设3m长左右的钢护筒（直径与设计要求一致），安置钻机对中孔位中心（悬吊钻头的钢丝绳必须与钢护筒中心重合），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，用电焊机在钻头边缘加焊耐磨块以增大钻头直径大小，再次钻进，测量护筒下的孔径。

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，并按照公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。扩孔率i=（D孔-D钻）/D钻x100%，式中：D孔---钻孔直径、D钻----钻头直径。采集实测数据并对扩孔率进行计算，经比较发现钻头直径较小时（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。

根据试验分析，选取成孔孔径刚好略大于钢护筒外径时的扩孔率作为最佳扩孔率，则对应钻头为最佳直径钻头（改进钻头）。

4.2导向架安装

导向架分布在水上钻孔平台的上下部位，主要起到为钢护筒下沉提供导向，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钻孔平台桩位处，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，确保牢固可靠。

4.3钢护筒验算加工

双湾大桥水中钢护筒采用壁厚12mm的Q235A钢板按照设计尺寸在加工厂定型制作。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：

环向非弹性屈曲临界应力公式：

式中：d--钢护筒直径，取220cm；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186MPa、92.9MPa。

考虑到钢护筒竖向受力主要为振动锤的激振力和钢护筒本身的重力，经计算作用在钢护筒底截面上轴向应力为63MPa，远小于临界竖向应力186MPa。而环向应力主要为水压力（暂不考虑入土压力），按照水压力计算公式p=ρgh=1000*10*（8+6）=0.14MPa，也远小于环向临界应力92.9MPa，因此选择的钢护筒厚度及强度满足安全变形要求。

当遇到水深较大，护筒需沉入河床较深时，应按照钢护筒所承受的竖向及环向荷载（计算护筒壁土压力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。

4.4钢护筒自重沉放

钢护筒吊装和存放过程中，应采取保护措施防止其变形，经检查合格方可使用。将运至现场的钢护筒利用履带吊按设计节段沿着安装好的导向架下放至河床表面，主要利用钢护筒自重下沉。

4.5卵石层钻孔与跟进

在钻孔平台上，通过放样对钻机准确放置并固定，在护筒口拉“十”字线，放样桩中心，并使改进钻头对中。在改进钻头冲击前，先将钢护筒接长，以防钻头冲击过程中造成钢护筒下沉过快，导致筒口低于水上钻孔平台无法接桩。插打钢护筒接桩时，要求节段间全缝焊接，并焊接竖向扒板加固，焊缝不得渗漏水。

准备工作做好并检查合格后，在设计桩位处，向已沉入河床卵石层的护筒内加入制备的泥浆，采用近等直径的改进钻头进行卵石层的冲击钻进，并根据设计护筒直径大小，选择合适的振动锤与履带吊配合钢护筒跟进，直至钢护筒下沉稳定穿越河床卵石层。

4.6河床下部正常钻进

卵石层钢护筒下沉到位后，履带吊和振动锤等设备移位，冲击钻更换为常规钻头，重新与桩位中心对中，正常进行河床下部岩层的钻孔及成桩施工。

5.结语

本文钢护筒跟进技术适用于水下卵石层等钢护筒难以直接穿越的地质条件下的桩基施工，也适用于同样地质情况下无水环境的桩基施工，能为桥梁工程创造良好的工期效益和经济效益。

参考文献：

[1]中华人民共和国标准.GB50017—2003.钢结构设计规范[S].

[2]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南.[M].2004.

[3]杨勇等.大粒径卵石层钻孔灌注桩护筒跟进技术.[J].2005（S1）.