钢管桩作业平台深水桩基施工工艺

'利用钢管桩支架作业平台进行深水桩基施工施工工艺一、前言三福高速公路尤溪互通2#桥，横跨尤溪县雍口水库，水深10－18m，左右幅分离，水中部分设计为24根2.2m钻孔桩基础。施工中采用钢管桩搭设水上作业平台，下钢护筒施工，取得成功，根据在现场施工过程控制的基础，总结利用钢管桩搭设水上作业平台的施工工艺。二、钢管桩搭设水上作业平台施工工艺流程图（图１）三、钢管桩施工平台的设计（１）、布置形式：根据钻孔桩桩间距6.0－8.7m，及施工人员、机械施工作业范围，确定搭设14m×7m的作业平台，钢管桩布置为3排×4根，管桩间距依桩基间距不同分别设置尺寸。管桩横纵向设剪刀撑连接。桩顶企口内安放I40a工字钢横梁，间距同管桩横向间距，横梁上为14m长桥面梁板2根，间距3.0m，分配梁留出护筒空档，其间为钻孔桩位，外侧铺5cm厚木板,周边设置钢管栏杆防护。（如图2）16 桩间距尺寸6.06.5997.067.408.7A5.845.5415.315.144.667B2.322.9193.383.724.666C3.123.123.123.123.12单位：米（２）、平台检算：１、根据施工机械（钻机）、人员、工字钢、桥面板自重及钻机作业冲击力，确定所承受荷载：钻机自重：12t；锤重：8t工字钢及桥面板自重：67.6×7.0×4＋14×80×2=4.1t人员及施工荷载：2KN总荷载：243KN考虑冲击荷载取1.3系数P=316KN每根钢管桩所承荷载P1=316÷12=26.3KN２、根据地质资料显示，河床软弱覆盖层较薄，其下为强风化砂岩，钢管桩采用支承桩进行检算。单桩承载力检算：P=(0.3~0.5)RCA式中：(0.3~0.5)－系数基岩有裂纹、易风化采用0.3，匀质无裂纹采用0.45，据地质资料，取系数为0.4；RC－岩石试块单轴抗压极限强度（Kpa），地质报告显示，河床下2.0m左右强风化岩石强度为5000Kpa；A－桩底横截面面积（m2），D=0.72d=0.70P=0.4×5000×π×(D2-d2)÷4=44.6KN>P1=26.3KN（合格）单桩稳定性计算：长细比λ　　　　λ=μl/i式中i=截面惯性半径，i=√I/A=0.251；16 I－惯性矩，(1/64)π(D4-d4)；l－压杆的计算长度，l=μl，因钢管桩一端伸入岩石中，一端伸出水面，虽有斜撑连接，为增加安全系数，按一端固结，一端自由检算。μ＝2。自由端桩长按20m计算。λ=159.3>100，可以使用欧拉公式。临界力PljPlj＝π2EI/l2E－弹性模量，钢2.1×108Kpa；Plj＝1821.1KN折减系数φ　　　　　φ=σkn/σ0ny式中σk－临界应力，σk＝Plj／Aσ0－屈服强度，σ0＝240Mpan－强度安全系数，n=1.6ny－稳定安全系数，钢为1.8－3.0，取2.0φ=0.272稳定条件σp=P/φA≤[σ]=7.4Mpa≤150Mpa稳定性满足施工要求。四、主要机械设备（见表1）主要机械设备表（表1）机械设备名称规格型号单位数量作用水上浮吊20t/10t台2钢管桩的插打，平台及护筒安设，钻机移位，钢筋笼吊放，砼的吊灌及其它水上吊装作业。运输船浮箱拼装艘2水上设备材料的运输。导向船浮箱拼装艘2插打钢管桩时定位及做为施工平台。16 机动船994型艘2水上动力设备。振动锤60KW/40KW个2下沉管及下沉护筒。发电机75kw台1打桩时提供临时用电。锚碇设备砼预制个4水中船只锚碇。潜水设备套　　2水下切割、焊接钢管桩自制套8水中平台支撑（12根一套）钻机TS-220台3钻孔卷板机自制台1卷制护筒及钢管桩龙门吊10t台1起吊钢板及护筒五、劳动力组织（见表2）劳动组织（表2）职务或班组工作内容人数分工经理负责全面施工生产1总工负责现场技术管理1技术室技术指导、管理、质检5测量3人、质检1人施工资料整理及测量技术员2人运输队材料设备的水上运输10机动舟司机2人、指挥2人、普工6人打桩队钢管桩及钢护筒打设拆除14指挥1人、浮吊司机1人、电焊工2人，气割工2人、普工8人机修队铁件加工及机械维修10电焊工3人，气割工2人、普工5人钻机队钻孔、清孔、灌注砼30钻孔人员18人、普工12人潜水队水下切割、焊接8潜水员4人、指挥1人、协助人员3人六、施工工艺16 （１）、浮吊是水上作业重要的起重设施，每步施工过程都有其参与完成，浮吊由浮平台及CWQ20型拆装式桅杆起重机组成，起重机主要技术性能为：臂长20.5m；最大起重量20t；幅度范围4.54~20.67m；臂杆回转角度范围220度；臂杆变幅角度范围6~78度；起升高度17.63m。浮吊的拼装是水上施工作业的第一步。见浮吊立面示意图（图3）１、选用13个9×2.7×1.65米的浮箱连接成浮吊的水上平台，浮箱横纵采用φ22螺栓连接，布置形式为5+5+3，总长27m，总宽13.5m，在浮平台上拼装自制桁架，桁架为∠7.5×7.5角钢焊接而成，长3.0m，高2.0m，间距2.7m。支架立好后，支架上用螺栓连接3排12.5×0.7×0.4m钢箱梁作为浮吊主机平台，间距30cm。浮平台自重58.5t，吊机自重约20t，浮吊总重78.5t，自重吃水0.25m，为保证浮吊起吊重物后前后吃水平衡，尾部三节浮箱加水配重。２、吊机结构由臂杆、立柱、斜撑、底座、转盘和驾驶室组成。作业由起升机构、变幅机构、回转机构组成。a.臂杆由四根无缝钢管主肢和斜腹杆拼焊面成，分底节、标准节、上节。底节长8米，标准节长5米，上节长7.5米,每节之间均采用销轴连接,增减标准节数量可将臂长拼接成20.5m、25.5m、30.5m三种不同长度，随臂长增加，最大起重量减小为10t16 ，臂杆下端用销轴与立柱下部铰接，两侧与转盘之间装有稳定拉杆。a.立柱为箱形结构，分止下两节，两节之间采用法兰和连接杆混合连接，立柱上节安装有工作平台，起升、变幅钢丝绳的导向滑轮。立柱顶端装有转动立柱下部支承在球头支座上。b.斜撑为筒式结构，分上下两节，两节之间为法兰连接，斜撑上端与转动轴连接，下部与底梁连接。c.底座由两根底梁、十字底盘、横梁组成。两根底梁成水平90度与十字底盘用销轴连接，横梁用销轴连接在底梁上，横梁中间装有回转钢丝绳的水平导向滑轮和垂直导向滑轮。d.转盘是用槽钢围制成的贺形，分两半用连接板连接，组装在立柱底部法兰上，并用8根斜撑角钢将转盘与立位连接。e.起升、变幅机构由卷扬机直接驱动，回转机构由旋转卷扬机通过两根钢丝绳带动转盘，使立柱和臂杆实现左右回转动作。２、浮吊拼装a.起重机底座拼装：依次安装十字底盘，用螺栓与钢箱梁连接；两根底梁、横梁，与十字底盘之间用销轴连接，横梁用两个螺栓连接在两根底梁的上面，底梁用门架与支架箱梁焊接。连接螺栓时反复多次拧紧，使每个螺栓的预紧力基本相等，然后安装支座。b.安装立柱：立柱在地面上用法兰拼成整体，装好滑轮组，将立柱吊装在支座上，用螺栓与支座法兰连接。在未安装斜撑前，用揽风固定。c.安装转盘、斜撑：转盘为两半圆形分别与立柱下面的法兰用螺栓连接，同时连接转盘与立柱的斜撑角钢。立柱斜撑应在地面拼接好后以一定斜度起吊，用销轴与立柱顶端及底梁连接，拆除缆风。d.驾驶室：驾驶室底部有两根连接槽钢与立柱上的连接角钢用螺栓连接。e.16 卷扬机及大臂的安装：在底梁及浮箱平台上，依次安装旋转、变幅、起升卷扬机，用螺栓连接。卷扬机上缠绕有钢丝绳。大臂先在地面用销轴连接成一体，臂长可根据需要，调整使用，最长可达30.5m，初次拼接臂长20.5m，大臂下端由销轴与转盘连接。a.安装电气线路，缠绕旋转、变幅、起升钢丝绳。（２）、钢管桩及钢护筒卷制１、卷板场地的布置：卷板场配备10t自制龙门吊一台，自制卷板机一台。钢管桩选用10mm厚钢板，钢护筒用12mm（顶节）、14mm（底节）厚钢板。卷板机最大卷板幅宽为1.8m，卷制直径由可调钢棍上下调节控制。钢管桩及钢护筒均由焊接连接。２、钢管桩直径为φ720mm，10mm厚钢板宽度为1.5m，卷制前，根据计算管桩的周长切割钢板，由龙门吊起吊切割好的钢板送入卷板机，因管桩直径较小，卷板无法一次完成，采用渐近法调整钢锟间距，反复卷压，接口对好后，先点焊连接，松开卷板钢锟，由龙门吊出管桩，进行管桩的平纵缝焊接。管桩焊接采用双面（内侧、外侧）平焊缝。为便于吊装，长度先连接到9-11m，然后根据长度要求再进行焊接。３、钢护筒根据桩径不同分别为2.46m（2.2m钻孔桩），1.8m（1.5m钻孔桩）两种，卷制方法相同。因护筒底节需穿入强风化地层，护筒底节需加强，所以每根护筒分底节和上节两部分，底节为3.6m，由δ14mm钢板卷制；上节长度根据水深确定，由δ12mm钢板卷制。卷制工艺与钢管桩相同。因护筒直径较大，在调好第一节护筒后，可在钢锟调节器上记下位置，以后的卷制中可一次完成。（３）、导向船拼装及定位导向船由四个浮箱、栈桥面、锚机拼装而成，浮箱顺长两两连接，由三根栈桥面连接，平面尺寸为12m×18m，中间空档为定位钢管桩使用，调整四个锚机使导向船移动定位，其组成形式如示意图。（图4）16 导向船定位前，应先测设出桥轴线，根据轴线位置在河中抛设锚碇，河岸上埋设地垄。锚碇由砼浇注，重约10t。锚碇系好出水面的钢丝绳后由浮吊吊运至桥轴线两侧60m左右抛至河底，由浮筒带钢丝绳浮于水面，以便和缆绳连接。地垄同样在桥轴线两侧的河岸上埋设，以便就位时带锚机缆绳使用。导向船在测量指挥下通过调整锚机缆绳定位于钻孔桩位处。导向船平面示意图（图4）锚机12m栈桥面浮箱18m（４）、钢管桩定位及施打根据钢管桩布置示意图，计算四角的钢管桩坐标，由全站仪测设四点桩位。钢管桩导向顺桥向由两根40工字钢搭在导向船上作为导向梁，据测设的管桩位置在导向梁上横向焊两根角钢，组成导向框架。根据测量水深及预计打入深度，一次焊接钢管桩长度，施工中采用长度在16-23m，由浮吊垂直吊起，穿过导向框架，首先通过调整浮吊变幅和升降吊钩调好钢管桩垂直度，然后降钩，靠自重缓缓插入河床覆盖层，停止下沉后再检查垂直度，作纠偏处理，加振动锤施打。因管桩直径较小，振动锤可直接夹住管壁，在打入过程中随时观测垂直度。尤溪互通2#桥地质资料显示河床覆盖层较薄，其下为强风化砂岩，在施打过程中，管桩进入覆盖层时下沉速度很快，管桩进入强风化砂岩时的表现为振动锤反弹强烈。DZ40振动锤振动荷载为230KN，远大于检算时单桩承受荷载，故将管桩下沉时间及下沉速度作为停止施打的依据，在持续振动5min后管桩下沉在2-3cm的范围内，即可停止施打，能够满足承载及稳定要求。16 在打入中由于地质情况不同，应视不同情况采取不同措施：1、河床陡峭，基岩面倾斜：此时钢管桩穿过覆盖层后，因底面不平，在强力振动下，管桩底面容易沿岩面打滑、倾斜，造成无法打入，可采用冲击锤对管桩桩位河床进行锤击，在河床打出承载管桩的平台，然后重新定位施打管桩。具体施工可将冲击钻机直接放到由浮箱拼成的浮平台上，通过调整缆绳，使浮平台就位于管桩桩位处，由冲锤对河床进行施打。2、河底无覆盖层，基岩裸露且坚硬，钢管桩打入河床较少，一般30-50cm，不能继续下沉，不能满足稳定性要求，此时应选用较管桩径稍大的冲击锤，钻机由浮平台拖动，准确在管桩位处定位后，带紧缆绳，将浮平台固定于桩位处开钻冲孔，冲击成1.5m深左右的桩孔后，将管桩插入孔内，然后采用水下砼灌注的方法将管桩与基岩浇注成整体，可满足承载力及稳定性要求。（如图5）管桩河床浇注砼钢管桩嵌入示意图（图5）（５）、平台顶面连接与布置平台顶面高度高出库区最高水位1.5m，管桩打完后，抄平切割桩头，用∠10*10角钢对相邻管桩进行连接，连接形式如图2。每排外侧两根管桩顶面切割企口，安装I40a工字钢横梁，纵向铺12m长桥面梁，长度不够焊接I40a工字钢，分配梁留出护筒空档，其上铺木板，周边设置钢筋栏杆防护。（见图2）（６）钢护筒定位与埋设16 因护筒长度较大，位置及垂直度精度要求较高，在钢护筒下放过程中，采用4m长的导向架。导向架由槽钢及角钢焊接而成尺寸为2.5*2.5m的矩形框架。首先在平台上定位导向框架，导向架顶部两根槽钢搭放在平台横梁上，通过测设导向架线对其定位。然后将导向架与平台梁焊接，下放钢护筒。根据水深预计护筒总长，在卷板厂焊接成两大节，由运输船运至桩基旁。每节护筒顶部对称打起吊孔，钢丝绳穿过孔眼，经扁担梁起吊，底节护筒在顶部外侧对称焊接四块小钢板，护筒穿过导向架，小钢板卡在导向架上，放稳后焊接上节护筒。两节护筒在外侧采用单面焊接，焊完后，补好底节孔眼，将整个护筒吊起，切除底节的小钢板，护筒继续下沉。下沉过程中，由全站仪观测护筒直度，随时调整。护筒靠自重进入覆盖层停止下沉后，在护筒顶面焊接替打。替打是由工字钢焊接成的十字形结构，其作用是在振动下沉过程中保证管桩均匀下沉。然后加振动锤振动。直至护筒进入强风化不再下沉为止。因护筒直径大，一般进入强风化在1.0-1.5m左右，在钻孔过程中，因护筒打入风化层较少，冲击锤冲击至护筒底部后，由于对周围风化岩的挠动，且护筒内泥浆水头、比重都比护筒外侧大，容易出现漏浆现象。采用的办法是在原护筒上再接长护筒，因冲锤已将护筒底部的岩石击碎，可以继续打入，直至穿过破碎层，将护筒入土深度加长，堵住漏浆。（７）、钻机就位，钻进护筒埋设完毕，即可按正常的冲击钻钻进程序进行施工，此处不再详述。钻孔中直接向孔内填粘土造浆。泥浆循环系统，施工中在护筒侧面开一出浆口，在平台外侧悬挂一由铁皮焊接的5m3的泥浆筒，由铁皮焊一8m长的泥浆槽进行连接，泥浆循环时，在泥浆槽中捞渣，由泥浆筒沉淀，泥浆可满足钻孔需求。（８）、清孔设计要求桩基均为端承桩，对孔底沉碴控制较严，要求小于5cm，为了满足设计要求，同时结合水中桩土层较薄，在1.0-2.0m16 之间，不会出现塌孔情况，清孔采用了气举式反循环换浆法，即将孔内泥浆全部换成清水。气举式反循环主要设备为9m3空压机一台，20cm出碴钢管及3.8cm射风软管，在钢管距底口40cm处向上开一斜口，接射风软管，吸碴时，将钢管下至孔底，启动空压机，待空压机储气压力达0.6mpa左右时，开始射风，这时空压机储气压力下降，将压力控制在0.4mpa进入正常循环，施工过程中应及时向孔内注入清水，保证孔内水头在河面水位1.5~2.0m，以减小护筒壁所受外压力。一般泥浆数量在150立方左右的桩孔，3-5小时可将孔内泥浆全部换完，达到沉淀要求。清孔完成后准确量测孔深，孔深应比设计超深不小于5cm。在灌注前（导管安装完毕后）检查孔内沉淀情况，如果大于设计要求，可按相同办法进行二次清孔，确保沉淀厚度小于规范要求值。（见图6）（９）、砼灌注砼罐车将成品砼运到临时码头旁。在临时码头处设滑槽一个，由四个浮箱拼成一艘运输船，运输船上设2.5m3料斗4个，砼由滑槽滑至运输船料斗内，由运输船将料斗拖至墩旁，浮吊吊灌。水下砼浇筑采用内径3016 cm的导管，导管接头为螺牙式，在导管接头内安装有密封圈并将接头接牢，以避免接头处漏水或漏气，导管安装完成后安装漏斗和挡板，挡板采用钢板切割成比管径稍大尺寸的圆板，上面焊接提环，挂于起吊勾上，挡板下在导管内放篮球塞，封孔料斗加工成7m3容量，储满后由浮吊吊起一个运料斗（2.5m3）吊于大料斗之上，提升挡板，砼下落同时，开启运料斗阀门，砼下落至大料斗，保证首次9.5m3砼连续灌入。用一艘运输船进行运输，在整个砼的浇筑过程中，基本保证40－45min一个循环（每循环为10m３砼），导管一般埋深为4－5米，以确保砼的密实度，在砼的灌注过程中要注意砼的坍落度，而且保证砼的连续性。不能间隔时间过长，砼面必须高出截桩标高50cm以上，保证截断高度以下砼有良好的质量。（１０）平台拆除桩基施工完毕，由上至下拆除平台。横纵梁、斜撑拆除后进行管桩拔除。浮吊起吊振动锤直接夹住管壁，起动振动锤，浮吊起升吊钩，振动锤对管桩地下部分扰动，边振动浮吊边缓缓起钩，可将管桩拔除。对浇注砼与基岩相连的管桩由潜水员下水，进行水下切割。七、安全措施提供安全的工作环境，搞好安全生产管理，是确保工程顺利进行的基本条件。针对水上作业，着重指出如下安全措施：１、钢管桩工作平台顶标高必须高于施工其最高水位1.5m以上。２、水上作业人员必须穿救生衣，水上浮动设备必须配救生器材。３、钢管桩工作平台、运输船、机动舟、导向船等水上设备夜间需配灯光指示，防止意外撞击。４、工作平台上设立防护栏杆，人员上下设置爬梯。５、机动舟、运输船、浮吊各种船舶的水上移动，由专人指挥。６、随时检查运输船、浮吊等设备上浮箱的连接及完好情况。７、水上各类船只禁止超载，应由专职舟手操作。８、如果施工需要，要进行水下作业时，应严格按照潜水作业要求进行，严禁非专职潜水员下水作业。八、质量控制１、钢管桩及钢护筒制作中，焊缝要内外侧双面焊接。２、16 钢管桩施打过程中，技术人员全过程指挥，根据施打时间与下沉量决定停止时间，保证管桩嵌入强风化一定深度；测量人员全过程观测，检查钢管桩垂直度。１、管桩间的横纵向剪刀撑要焊接牢固。２、管桩顶面的横纵连系梁要联接紧密，空隙处要加垫密实。将管桩与横纵梁焊接成整体。３、钢护筒架匾担梁起吊，护筒内侧加十字横撑，保证护筒不变形。４、钻孔桩施工过程中，各项作业程序严格按规范要求进行检查，严格控制。九、施工方案的技术、经济分析１、深水桩基施工可采用浮运沉井法、钢围堰法、浮平台法、及固定平台法，沉井法适用于水流速较大，河床覆盖层为粘土的情况下；钢围堰法适用于大跨度桥，群桩施工；而浮平台要求水位升降不明显的河道，而水库中水位每天有2m的涨落，且浮平台不适于冲击钻机作业。固定平台的搭设有木桩、砼桩及钢管桩，木桩显然不适用于18m水深的地方，而砼桩由于预制及施工难度均较大，所以经过比较，选用了钢管桩搭设水上固定平台的施工方法，比较普遍实用。２、在施工中，我们未设便桥，一方面搭设水上平台后，便桥只起到运输设备物资使用，水上有运输船完全可以满足需要；另一方面，便桥修筑费用较高，且主线桥为左右幅分离，线间距38m，运输不便，投资太大。３、管桩连接是作业平台稳定的关键工序，在每个平台的钢管桩都能正常下沉到要求深度的情况下，采用了出水面一道斜撑连接的方案，可以满足稳定要求，如果管桩均嵌入风化层较少，则采用水下与出水面两道斜撑连接。水下连接由潜水员作业完成。４、大孔径灌注桩清孔是一顶较难的工序，由其对嵌岩桩，要求沉渣小于5cm，采用普通的正循环清孔，一是清孔时间长，二是难以满足设计要求，在施工中，根据地质及水上作业的实际情况，采用了气举式反循环换浆法清孔，将孔内泥浆全部换成清水进行浇注，一方面因河床面直接为强风化岩石，粘土覆盖层较薄，不会出现塌孔现象，另一方面大大节约了清孔时间，同时由于水压小，也有利于灌注。16 １、在砼灌注的问题上，曾考虑采用油筒串联做浮桥，由输送泵泵送砼，可保证砼灌注的连贯性，减少运输时间，但从河岸到桩位需200m的泵管，它的拆装、清洗比较麻烦且受砼质量影响很大，容易堵管，需投入两套设备，成本较大。利用现有的运输船，由机动舟拖动，行走方便，在砼和易性正常的情况下40分钟一个循环，浇注10m3砼，即能保证灌注的顺利，也减少了投入。２、钢管桩作业平台的搭设时间需12天左右，平台上只能一台钻机作业，每个平台两根桩的施工时间为25天，钢管桩平台的拆除约3天，即整个桩基施工周期为40天。因施工工期紧、建设环境复杂，施工中组织了精干人员和精良的设备，制定周密详细的施工计划，抓住关健工序，对影响到工期的工序和作业环节给予人力和物力的充分保证，从而确保进度计划的顺利完成。工艺流程图（图1）浮吊起吊，通过导向架安放钢管桩器材下水拼浮吊、导向船、运输船船修建临时码头选择卷板场地架设龙门、卷板机就位卷制钢护筒运输船运输测量观测垂直度振动锤打入钢护筒护筒顶部焊接替打浮吊起吊就位钢护筒测量定桩位安放护筒导向框架安放纵横梁、铺设走行板焊接连接斜撑切割管桩桩桩头、顶面找平测量管桩顶面标高振动锤打入钢管桩测量观测钢管桩垂直度安放钢管桩导向架放样钢管桩桩位测量水深焊接钢管桩测量指挥调整缆绳导向船定位测量定桥中线、确定抛锚、地垄位置导向船系缆绳抛设锚碇．埋设地垄预制砼水下锚碇16 测量复核桩位钻机就位填粘土造浆做好钻孔记录钻进成孔16 检验孔深、孔径气举式反循环清孔钢筋笼加工制作、检查、运输吊装钢筋笼检验导管等设备接装导管和砼料斗浮吊起吊运输料斗．灌注砼砼运输车运输砼、运输船拆除导管钻机移位16'