CN107034884A - 浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工装置及方法，属于沿海环境桥梁施工领域，采用先搭设并锚固起始平台，依托平台悬臂焊接三层导向架，下放钢护筒。冲击钻驻位在悬臂导向架上，对钢护筒内进行冲击作业，将钢护筒逐步冲击跟进后，护筒内回灌混凝土锚固钢护筒，再将钢护筒与后方起始平台连接稳定。拆除导向架，依次施工下一排钢护筒，并逐根平联形成稳定的钻孔平台。形成部分平台后，即可隔孔开钻。该方案取消了常规的护筒区的平台钢管桩，钢护筒锚固后既作为辅助平台桩又作为成桩钢护筒。本发明是一种创新的适用于浅覆盖层、深水区、流速大、岩面倾斜的群桩基础施工装置及方法。
Description
技术领域
本发明属于沿海环境桥梁施工领域，尤其涉及适用于浅覆盖层、深水区、流速大、岩面倾斜的群桩基础施工，特别是钢护筒施工。
背景技术
目前，海上桥梁大型钻孔桩群桩基础常规采用打桩船插打辅助平台桩搭设钻孔平台，然后依托钻孔平台采用起重设备吊装振动锤的方式逐根下放大直径钢护筒，钢护筒和平台桩连接形成可靠的钻孔施工平台。该方法施工适用性广，工效较高，应用较为普遍。我国已经建成通车的东海大桥、杭州湾大桥、金塘大桥、泉州湾大桥等多数跨海大桥均采用该工艺。
但在沿海环境桥梁施工中，受潮汐和地质变化等影响，海床变化剧烈，在一些特殊的沿海条件下，基岩裸露或者覆盖层极薄，海床面起伏不均，钢护筒无法通过常规工艺插打并形成可靠平台，对大型桥梁选线和施工往往影响较大。
以某工程A为例，该大桥工程采用主跨340m双塔结合梁斜拉桥，大桥为典型的沿海环境桥梁，桥位水深最大36m，流速达到2.93m/s，水文环境在沿海桥梁中较为典型。某索塔承台下设26根Φ2.8m的钻孔灌注桩，单桩桩长为62m，桩基均按嵌岩桩设计，以中风化含角砾凝灰岩为桩端持力层。桩基钢护筒内径均为Φ3.1m，壁厚δ20mm，长度28～40m不等。该主墩处为典型的沿海大斜坡裸岩条件。该主墩岩面倾斜、起伏变化大，群桩范围高差达到12.5m，海床面倾角达29度，且为横桥、纵桥双向斜坡。同时该墩位基岩裸露，局部覆盖层厚度仅为1.5m，下伏岩石表面强度达到44Mpa，桩端持力层岩石强度达到68MPa。因此按常规群桩基础施工工艺无法进行钢护筒沉放施工。
目前，对于类似恶劣水文地质条件下大型平台有三种施工方案：
(1)打桩船或起重船直接插打钢护筒施工方案：
在一些浅覆盖层条件下钢护筒下放，可采用打桩船配液压锤或者柴油锤直接锤击钢护筒，将其打入一定的深度，进而形成钻孔平台。而对于前述大桥工程A，为克服振动锤振沉钢护筒无法入岩的情况，对打桩船进行钢护筒搭设进行了结构分析。在钢护筒底部加强和钢护筒搭设过程不变形的情况下，钢护筒仅能进入岩层60cm，无法实现结构稳定。因而，该方案不适宜该工程A。
(2)大型导管架方案：
即事先将整个墩位的多根钢护筒在场地预制焊接完成，通过大型船舶运输，采用起重船舶直接在现场定位、吊放。完成调位后，在导管架外侧下放水下围堰，通过在围堰内浇筑混凝土与基础进行锚固，再依托该锚固平台进行钻孔桩施工。
但此方案针对该施工条件有一定局限性，导致前述大桥工程A无法以该方案实施：浅、薄覆盖层清理难度大，混凝土与基岩锚固效果不确定性大；岩面倾斜角度较大，导管架底部高差大，由于混凝土的流动性，无法保证对导管架基础进行全部锚固；岩面倾斜角度较大，每根导管架基础标高相差较大，对导管架每根基础标高控制难度大；大型导管架自重较大，需较大的起重船，而且前述大桥工程A桥位两侧受既有桥梁和跨海高压线净空影响，大型起重船无法进场，导管架起重作业条件受限。
(3)行式起升平台方案：
依托自行式起升平台沉放钢护筒，钢护筒沉放锚固后形成群桩，在群桩护筒上搭设平台进行钻孔。
同样该方案有较大局限，导致前述大桥工程A无法以该方案实施：起升平台作业水深有一定要求，而前述工程A大桥水域最大水深超过30m，超过起升平台最大水深的限制；起升平台对水流流速和基础倾斜度条件有一定要求，确保自身稳定性。
发明内容
本发明的目的在于：鉴于国内外已有的在恶劣水文地质条件下施工大型群桩基础钢护筒的方法无法适用于沿海一些特定水域的，因此需要研发一种创新的适用于浅覆盖层(无覆盖层、基岩裸露或局部覆盖层厚度低于2m)、深水区(水深或最大水深不超过40m)、流速大(流速不超过4m/s)、岩面倾斜(海床面倾角或最大海床面倾角不超过60度)的群桩基础施工装置及方法，提高桩基施工的适用范围，满足沿海恶劣水文条件、地质复杂多变浅覆盖层情况下的群桩基础施工。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工装置，包括主栈桥，与主栈桥连接的起始平台，用于钻孔平台的钢护筒沉放的导向架，以及振动锤和冲击钻；起始平台位于钻孔平台外侧，采用混凝土锚固的钢管桩基础；导向架位于起始平台朝向钻孔平台一侧形成一悬臂平台，且导向架焊接在已完成嵌岩锚固的起始平台钢管桩基础平联位置，或者导向架位于钻孔平台朝向欲沉放的钢护筒一侧形成一悬臂平台，且导向架焊接在最外侧已完成临时锚固的钢护筒的外侧壁板上；导向架之间焊接平联，导向架包括相连接的悬臂机构和导向框，悬臂机构与起始平台钢管桩或钢护筒焊接，导向框为上下平行的多层结构，各层上均竖直对应设有一容纳钢护筒沉放通过的导向孔，形成一竖直的导向通道，冲击钻驻位在导向架上。
作为选择，各钢护筒之间逐根平联形成钻孔平台。该方案中，通过钢护筒之间逐根平联形成稳定的钻孔平台，形成部分平台后，即可隔孔开钻。该方案取消了常规的护筒区的平台钢管桩，钢护筒锚固后既作为辅助平台桩又作为成桩钢护筒。
作为选择，导向框为三层结构的长方体框。该方案中，具有足够的强度、刚度，能够满足流速大、风速大、波浪高时沉放钢护筒的使用要求。
一种浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工方法，依次包括以下步骤：
1)搭设起始平台连接主栈桥，起始平台采用钢管桩基础，并对钢管桩基础进行混凝土锚固；
2)在起始平台上焊接导向架，导向架位于起始平台朝向欲沉放的第一排钢护筒一侧形成一悬臂平台，且导向架焊接在已完成嵌岩锚固的起始平台钢管桩基础平联位置，对应第一排每一钢护筒设有一导向架，导向架之间焊接平联；导向架包括相连接的悬臂机构和导向框，悬臂机构与起始平台钢管桩焊接，导向框为上下平行的多层结构，各层上均竖直对应设有一容纳钢护筒沉放通过的导向孔，形成一竖直的导向通道，导向通道对应欲沉放的钢护筒位置；
3)将钢护筒吊入导向架的导向通道内，起重设备吊装振动锤对钢护筒进行初振，钢护筒精确调位完成后，在起始平台上布置冲击钻，依托导向架在钢护筒内进行冲孔作业，使钢护筒逐步跟进、嵌入岩层；
4)钢护筒入岩跟进深度满足要求后，钢护筒内回灌混凝土锚固钢护筒，再将钢护筒与后方起始平台连接稳定；
5)第一排钢护筒锚固并待混凝土强度达到设计强度后，起重船移走冲击钻，拆除导向架，以已完成锚固的钢护筒为基础搭设钻孔平台，完成钢护筒锚固区钻孔平台搭设；
6)在已锚固的前一排钢护筒外侧继续采用起重船吊装循环焊接下一排钢护筒导向架，导向架的悬臂机构焊接在前一排钢护筒的外侧壁板上，并按照首排钢护筒施工的流程进行钢护筒的沉放、冲孔、锚固，再进行钢护筒间平联连接、导向架拆除、钻孔平台上部结构搭设；
7)周转重复使用导向架按照第6)步施工顺序进行剩余钢护筒的施工，最后完成整个钻孔平台的施工。
5.如权利要求4所述的浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工方法，其特征在于：钢护筒施工的沿海施工区域条件为：无覆盖层、基岩裸露或局部覆盖层厚度低于2m，水深或最大水深不超过40m，流速不超过4m/s，海床面倾角或最大海床面倾角不超过60度。
作为选择，钢护筒入岩跟进深度为3m以上。该方案中，相对传统方案只能入岩跟进深度不足1m，本发明远超现有技术，实现结构稳定。
作为选择，冲击钻冲击结束后，采用振动锤复振。该方案中，为防止钢护筒跟进不到位，冲击结束后，可以采用振动锤复振，以确保跟进深度。
作为选择，钢护筒内回灌混凝土锚固钢护筒时，采用导管法灌注C40细石混凝土至原海床标高位置。
作为选择，利用冲击钻通过导向架对岩面进行适当冲击。该方案中，桩位处岩面倾斜较大(无断崖式脱空)可能导致底口部分护筒脱空时，可以在沉放钢护筒前，利用冲击钻通过悬臂导向架对岩面进行适当冲击，以减小护筒区岩面的高差。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
工作过程为：本发明与常规钢护筒沉放施工不同，采用了新型钢护筒沉放方案：即采用先搭设并锚固起始平台，依托平台悬臂焊接导向架，下放钢护筒。冲击钻驻位在悬臂导向架上，对钢护筒内进行冲击作业，将钢护筒逐步冲击跟进设计深度后，护筒内回灌混凝土锚固钢护筒，再将钢护筒与后方起始平台连接稳定。拆除导向架，依次施工下一排钢护筒，并逐根平联形成稳定的钻孔平台。而且形成部分平台后，即可隔孔开钻。该方案取消了常规的护筒区的平台钢管桩，钢护筒锚固后既作为辅助平台桩又作为成桩钢护筒。
本发明的有益效果：对于某些与国外内其他斜拉桥相比，具有主墩施工环境极为恶劣、复杂的特点的沿海大桥工程，不适合采用目前国内外尚有的类似水文、地质条件下大型群桩基础施工方法。常规钢护筒单根沉放工效约为1～2天，采用本发明该主墩单根钢护筒用时约7天完成，该桥墩以4套导向架为例，可以在7个循环周期约50天内完成26根钢护筒沉放施工，且成孔过程无一根护筒漏浆，有效确保了成孔效率和成桩质量，解决了复杂条件下的大型群桩基础施工，为恶劣水域环境钢护筒施工积累了宝贵经验，进一步推动了大跨径桥梁建设技术的发展。
附图说明
图1是本发明实施例的导向架安装平面结构示意图；
图2是本发明实施例的导向架安装立面结构示意图；
图3是本发明实施例的施工第一排钢护桩的平面状态示意图；
图4是本发明实施例的钢护桩施工完毕的平面状态示意图；
其中1为主栈桥、2为起始平台、3为欲沉放的钢护筒位置、4为钢护筒、5为导向框、51为导向孔、6为悬臂机构、7为平联、8为混凝土锚固的钢管桩基础、9为钻孔平台。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
某大桥A采用主跨340m双塔结合梁斜拉桥，大桥为典型的沿海环境桥梁，桥位水深最大36m，流速达到2.93m/s，水文环境在沿海桥梁中较为典型。其9#索塔承台下设26根Φ2.8m的钻孔灌注桩，单桩桩长为62m，桩基均按嵌岩桩设计，以中风化含角砾凝灰岩为桩端持力层。桩基钢护筒内径均为Φ3.1m，壁厚δ20mm，长度28～40m不等。
该大桥A的主墩处为典型的沿海大斜坡裸岩条件。主墩岩面倾斜、起伏变化大，群桩范围高差达到12.5m，海床面倾角达29度，且为横桥、纵桥双向斜坡。同时该墩位基岩裸露，局部覆盖层厚度仅为1.5m，下伏岩石表面强度达到44Mpa，桩端持力层岩石强度达到68MPa。
钢护筒沉放方案采用先搭设并锚固起始平台2，依托平台悬臂焊接导向架，下放钢护筒4。冲击钻驻位在悬臂导向架上，对钢护筒4内进行冲击作业，将钢护筒4逐步冲击跟进3m后，钢护筒4内回灌混凝土锚固钢护筒4，再将钢护筒4与后方起始平台2连接稳定。拆除导向架，依次施工下一排钢护筒4，并逐根平联7形成稳定的钻孔平台9。形成部分钻孔平台9后，即可隔孔开钻。该方案取消了常规的护筒区的平台钢管桩，钢护筒锚固后既作为辅助平台桩又作为成桩钢护筒。
参考图1、2所示，其中导向架为钢管与型钢组合桁架结构，以提高整体结构刚度和强度。导向架之间焊接平联7，导向架包括相连接的悬臂机构6和导向框5，悬臂机构6与起始平台2混凝土锚固的钢管桩基础8或钻孔平台9已完成锚固的钢护筒4焊接，导向框5为上下平行的多层结构，各层上均竖直对应设有一容纳钢护筒4沉放通过的导向孔51，形成一竖直的导向通道。对应欲沉放的该排每一钢护筒4设有一导向架。进行第一排钢护筒4沉放时，导向架的悬臂机构6需焊接在已完成嵌岩锚固的起始平台2钢管桩基础(混凝土锚固的钢管桩基础8)平联位置，导向架位于起始平台2朝向欲沉放的第一排钢护筒一侧(欲沉放的钢护筒位置3)形成一悬臂平台；往前推进的过程中，导向架的悬臂机构6焊接在已完成临时锚固的钢护筒4上(注意焊接前钢护筒锚固混凝土需达到设计强度要求)，导向架朝向欲沉放的下一排钢护筒一侧(欲沉放的钢护筒位置3)形成一悬臂平台。导向框5分三层，每两层之间的高度均为2m；导向架内设置供钢护筒定位、施沉过程中纠偏、调整和锁定的装置，同时具有足够的强度、刚度，能够满足流速大、风速大、波浪高时沉放钢护筒的使用要求。
总体施工工艺：
水上9#墩采用搭设起始平台2连接主栈桥1，起始平台2采用混凝土锚固的钢管桩基础8，再依靠起始平台2搭设钻孔平台9。钻孔平台9考虑钢护筒4参与平台整体受力，不再设置钢管桩基础，由于该区域水深、流速快、覆盖层薄弱，需要对钢护筒进行冲击后浇筑混凝土临时锚固，即起始平台搭设→起始平台锚固→安装导向架→沉放钢护筒→冲击锚固钢护筒→平台连接→钻孔灌注桩施工。
1、冲击钻机就位与钢护筒临时锚固：
参考图1、2所示，导向架通过测量精确定位后，采用起重设备安装并焊接完成。起重船将钢护筒4吊入导向架导向孔51，带平潮期入水，确保下放过程的垂直度。为进一步增加锤入深度，起重设备吊装振动锤对钢护筒4进行初振，避免在涨落潮条件下钢护筒底口发生偏位。钢护筒精确调位完成后，在起始平台2上布置4台JK-15冲击钻机，采用直径2.95m钻头依托导向架在钢护筒4内进行冲孔作业，使钢护筒4逐步跟进、嵌入岩层。根据结构计算，同时为避免钻孔过程护筒4底口漏浆，钢护筒4入岩跟进深度为3m。为防止钢护筒跟进不到位，冲击结束后，可以采用振动锤复振，以确保跟进深度。跟进满足要求后，采用导管法灌注C40细石混凝土至原海床标高位置。
2、锚固区钻孔平台搭设：
参考图3所示，第一排4根钢护筒4锚固并待混凝土强度达到设计强度后，起重船移走钻机，拆除导向架。以已完成锚固的钢护筒4为基础搭设钻孔平台9，完成钢护筒锚固区钻孔平台搭设。
在已锚固的钢护筒4外侧继续采用起重船吊装循环焊接下一排钢护筒导向架，导向架焊接悬臂机构6在钢护筒4的外侧壁板上，导向架之间焊接平联7增强整体稳定性。按照首排钢护筒施工的流程进行钢护筒的沉放、冲孔、锚固，再进行钢护筒间平联7连接、导向架拆除、钻孔平台上部结构搭设。
参考图4所示(图中箭头为主栈桥方向)，周转重复使用导向架按照上施工顺序进行剩余钢护筒的沉放、锚固，最后完成整个钻孔平台的施工。
该大桥A与国外内其他斜拉桥相比，具有具有岩面倾斜、薄覆盖层的特点。不适合采用目前国内外尚有的类似水文、地质条件下大型群桩基础施工方法。常规钢护筒单根沉放工效约为1～2天，其9#墩单根钢护筒用时约7天完成，该桥墩共计制作了4套导向架，共计7个循环周期约50天完成了26根钢护筒沉放施工。且成孔过程无一根护筒漏浆，有效确保了成孔效率和成桩质量，解决了复杂条件下的大型群桩基础施工，为恶劣水域环境钢护筒施工积累了宝贵经验，进一步推动了大跨径桥梁建设技术的发展
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工装置，其特征在于：包括主栈桥，与主栈桥连接的起始平台，用于钻孔平台的钢护筒沉放的导向架，以及振动锤和冲击钻；起始平台位于钻孔平台外侧，采用混凝土锚固的钢管桩基础；导向架位于起始平台朝向钻孔平台一侧形成一悬臂平台，且导向架焊接在已完成嵌岩锚固的起始平台钢管桩基础平联位置，或者导向架位于钻孔平台朝向欲沉放的钢护筒一侧形成一悬臂平台，且导向架焊接在最外侧已完成临时锚固的钢护筒的外侧壁板上；导向架之间焊接平联，导向架包括相连接的悬臂机构和导向框，悬臂机构与起始平台钢管桩或钢护筒焊接，导向框为上下平行的多层结构，各层上均竖直对应设有一容纳钢护筒沉放通过的导向孔，形成一竖直的导向通道，冲击钻驻位在导向架上。
2.如权利要求1所述的浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工装置，其特征在于：各钢护筒之间逐根平联形成钻孔平台。
3.如权利要求1所述的浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工装置，其特征在于：导向框为三层结构的长方体框。
4.一种浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工方法，其特征在于依次包括以下步骤：
1)搭设起始平台连接主栈桥，起始平台采用钢管桩基础，并对钢管桩基础进行混凝土锚固；
2)在起始平台上焊接导向架，导向架位于起始平台朝向欲沉放的第一排钢护筒一侧形成一悬臂平台，且导向架焊接在已完成嵌岩锚固的起始平台钢管桩基础平联位置，对应第一排每一钢护筒设有一导向架，导向架之间焊接平联；导向架包括相连接的悬臂机构和导向框，悬臂机构与起始平台钢管桩焊接，导向框为上下平行的多层结构，各层上均竖直对应设有一容纳钢护筒沉放通过的导向孔，形成一竖直的导向通道，导向通道对应欲沉放的钢护筒位置；
3)将钢护筒吊入导向架的导向通道内，起重设备吊装振动锤对钢护筒进行初振，钢护筒精确调位完成后，在起始平台上布置冲击钻，依托导向架在钢护筒内进行冲孔作业，使钢护筒逐步跟进、嵌入岩层；
4)钢护筒入岩跟进深度满足要求后，钢护筒内回灌混凝土锚固钢护筒，再将钢护筒与后方起始平台连接稳定；
5)第一排钢护筒锚固并待混凝土强度达到设计强度后，起重船移走冲击钻，拆除导向架，以已完成锚固的钢护筒为基础搭设钻孔平台，完成钢护筒锚固区钻孔平台搭设；
6)在已锚固的前一排钢护筒外侧继续采用起重船吊装循环焊接下一排钢护筒导向架，导向架的悬臂机构焊接在前一排钢护筒的外侧壁板上，并按照首排钢护筒施工的流程进行钢护筒的沉放、冲孔、锚固，再进行钢护筒间平联连接、导向架拆除、钻孔平台上部结构搭设；
7)周转重复使用导向架按照第6)步施工顺序进行剩余钢护筒的施工，最后完成整个钻孔平台的施工。
5.如权利要求4所述的浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工方法，其特征在于：钢护筒施工的沿海施工区域条件为：无覆盖层、基岩裸露或局部覆盖层厚度低于2m，水深或最大水深不超过40m，流速不超过4m/s，海床面倾角或最大海床面倾角不超过60度。
6.如权利要求4所述的浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工方法，其特征在于：钢护筒入岩跟进深度为3m以上。
7.如权利要求4所述的浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工方法，其特征在于：冲击钻冲击结束后，采用振动锤复振。
8.如权利要求4所述的浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工方法，其特征在于：钢护筒内回灌混凝土锚固钢护筒时，采用导管法灌注C40细石混凝土至原海床标高位置。
9.如权利要求4所述的浅覆盖层深水区流速大岩面倾斜的钢护筒施工方法，其特征在于：利用冲击钻通过导向架对岩面进行适当冲击。
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