深水栈桥钢管桩基础浅覆嵌岩技术的工程实践

深水栈桥钢管桩基础浅覆嵌岩技术的工程实践摘要：钢管桩基础是大跨径现浇箱梁深水基础施工的关键，本文根据岩寨水库大桥成功运用钢管桩进行基础浅覆嵌岩的实例，从方案比较、钢管桩布设、施工控制及检测试压等过程进行阐述，为同类型深水桥梁基础提供新的思路。

[关键词]：深水基础；钢栈桥；钢管桩；浅覆嵌岩。

1 工程概述
中交股份承建新建沪昆客专贵州段岩寨水库大桥,位于台江县
革一乡排生村境内。

本桥以（72+128+72）m 连续梁跨越岩寨水库，起点为报信山隧道出口，终点至排生上寨，全长290.45m。

两主墩（1#和2#）为深水基础，采用桩长分别为35.5m和51m各16根直径2.2m的钻孔桩；承台为（18m×22.39m×4.0m）圆端型高桩承台；主墩为圆端形实心墩，高度均为7m，两桥台为8m高的矩形空心台。

由于本桥位于岩寨水库山区，交通非常闭塞，没有等级公路，只有两条分别通抵河岸两侧的新建施工便道。

根据周围环境情况,水中墩施工运输通道采用搭设钢栈桥施工方案。

2主桥结构型式
栈桥主梁采用贝雷梁,具体断面布置图如下所示，在分配梁上布置六片贝雷梁，间距为0.9m。

会车道分配梁上布置8片贝雷梁，间距0.9m。

为了防止贝雷梁发生侧移，各榀桁架下的墩顶分配梁两侧需设置挡块，同时在贝雷梁下需架设20x20x8cm橡胶支座，使受力
更加均匀，以免贝雷梁和分配量之间发生点接触。

栈桥断面布置图如下所示：
图1 钢栈桥断面布置图
3下部结构计算过程
3.1钢管桩入土深度的确定
本设计中要求每根钢管桩的竖向承载力不小于1000kn，现场地质覆盖层为卵石土，卵石土厚度为1～2m,卵石土下为强风化板岩，卵石土的平均侧摩阻力值取90kpa，端阻力值取500kpa,钢管桩所需最小入土深度x值为：
计算得出：x>3.48m，即最小入土深度为3.48m。

在本设计中要求钢管桩透过卵石土层，贯入强风化板岩深度不小于3m，满足设计要求。

3.2单桩承载力验算
本项目计算桩顶荷载包括轴向力、横向力和力矩，所以要验算单桩的承载力。

在轴向荷载作用下，无论受压还是受拉，桩丧失承载能力一般表现为两种形式：其一，桩周土的阻力不足，发生急剧而量大的轴向位移（沉降或拔升），或者位移虽不急剧增加，但因位移量过大而不适于继续承载；其二，桩自身的强度不够，被压坏或拉坏。

所以，桩的轴向承载力应分别根据桩周土的阻力和桩身强度确定，采
用其中较小者。

一般来讲，轴向受压时摩擦桩的承载力决定与桩周土的阻力，支承于岩层上的端承桩承载力则往往是桩身强度起控制作用。

在横向作用下，桩的破坏同样可表现为桩周土的抗力或桩身强度不足。

此外，当长期或经常承受横向力或拔力时，对建筑桩基还需限制桩身的裂缝开展宽度，甚至不允许出现裂缝，视坏境条件而定。

在这种情况下除桩身强度外，还应进行抗裂计算。

图2 钢管桩示意图
如果卵石土覆盖层厚度≤2m时，由上述结果得知钢管桩贯入强风化板岩3m满足要求。

由于钢管桩被河床岩石、砂封实，钢管桩桩顶加载后钢管桩壁与填充物不会发生相对错动，钢管桩容许承载力按实心桩体计算。

在《路桥施工计算手册》的p392查的公式如下：
式中：
—单桩轴向受压承载力容许值，桩身自重与置换土重的差值作为荷载考虑；
u—桩身周长，对于本桩；
—桩尖入各强风化板岩层厚度，对于本桩=4m；
—各土层与桩壁的极限摩阻力，对于本桩；
—桩尖处强板岩的地基承载力，对于本桩；
—振动沉桩对各土层的影响系数，查表知本桩＝1.0；
—振动沉桩对桩底承载力的影响系数，查表知本桩＝1.0；
—桩端截面面积，对于扩底桩，取扩底桩截面面积，对于本桩：；
计算过程如下：
根据激振力p＞容许承载力[p]减去钢管桩和振动锤自重g=20t 进行选择振动锤型号。

激振力公式：p＞[p]－g =121t～20t=101t；
因此，根据dz150a型振动锤的激振力最大为1025kn，满足插打要求。

3.3钢管桩的压杆稳定计算
钢管桩按一端固定、一端铰接计算：
钢管桩的自由长度：
计算长度：
回转半径：
长细比：
经查《路桥施工计算手册》p790页得出：竖向弯曲系数φ为：0.38。

φ1000*10mm钢管桩截面积：
根据《路桥施工计算手册》表12～2结构构件总稳定计算公式p413页中的轴心受压公式：σ=n/a≤φ[σ]得出：
满足受压构件压杆稳定的要求。

4施工控制
4.1施工方法及施工控制要点
震设钢管桩的施工流程为：
就位→沉管→振动下沉→灌注砂。

插打法施工中需严格控制最后30s的电流值，通常根据施工经验控制在95～110a之间，确保桩尖进入土质良好的持力层。

钢管桩沉管后，先弱振动5～10s，待入土50cm后，垂直度满足要求，再开始强震，边振边下放，每下去0.5～1m停振5～10s，如此反复，直至钢管桩达到设计深度。

震设速度应严格控制，裸岩层宜为0.3～0.5m/min；一般土层宜为1.2～1.5m/min；在软弱土层宜控制在0.6～0.8m/min。

施工控制要点
(1) 钢管桩开始沉入土中，应保持位置正确，如有偏斜应即纠正。

(2) 预制钢筋砼桩尖需满足倾斜率、防水性能、耐打性能要求，避免施工中因桩尖质量造成桩尖打碎，桩管吞桩尖事故的发生。

(3) 钢管桩震裂事故的发生，主要原因是震设不当，因此施工中应严格按土层变化情况控制振桩速度。

4.2钢管桩插打专项措施
据地质资料显示，排生巴拉河大桥主墩处河床表层为厚薄不均
的碎石土或卵石土覆盖层；中层为强风化的板岩；底层为微风化的板岩。

覆盖层的厚度从1.0m～2.0m不等，加上管桩这么大高度，插人深度若小于3.0m的很难自稳，因此要使钢管桩插打和自稳，采取的措施如下：
4.2.1钢管桩导向装置定位
定位装置主要作用是为了沉放钢管桩，安装钢管桩定位导向架，提供具有足够刚度和稳当、固定的工作平台。

在定位装置的端头和中间部位分别焊接4个定位导向框架，此时定位装置可同时定位4根钢管桩的位置而不需要移动。

每个定位导向框架采用2根i40b工字钢焊接，其内截面尺寸应比钢管桩直径大5cm，将定位装置对应桩位到位后，焊接牢固就可以进行钢管桩的插打。

定位装置见图3所示。

图3 钢管桩导向装置定位图
4.2.2水下钢套箱围堰灌注法
采用在每个墩钢管桩基础周围下放一个钢套箱，抛填砂袋在套箱外侧底部，潜水员人工堆码砂袋，钢套箱横向×纵向×高为：700cm×600cm×200cm，围堰内用c30水下混凝土灌实，把深水栈桥基础的四根桩浇筑成一个整体。

灌注平台采用钢管桩下放的工作平台，在其上布置4m3混凝土集料斗，集料斗下设多方向的溜槽，多点均匀布设水下混凝土封底
导管。

按每根导管流动半径2.0m计算，布置5根φ30cm的导管进行钢套箱围堰内水下混凝土封底。

导管在工作平台上预先分段拼装，吊放时再逐渐接长，下放时保持轴线顺直。

导管口下沉至底板后提升至距底板面层20～40cm，然后用倒链固定在工作平台上。

浇注平台结构见下图所示。

封底导管的布置要特别注意使混凝土在钢管桩周围和围堰内的流动顺畅。

封底前设置5个测点进行测点标高的测定，确保封底厚度基本一致。

图4 浇注平台结构示意图
封底混凝土采用水下导管法对称灌注，混凝土拌和站集中拌和，混凝土泵车泵送入集料斗中，混凝土沿滑槽流入浇注导管中进行灌注。

封底混凝土设计为c30砼，封底厚度2.0m。

封底前根据河底的水压力，用砂袋封堵四根钢管桩外围四周，以免封底混凝土流出,砂袋应均匀堆压于钢管桩外壁四周，堆积高度控制在200cm～250cm之间。

灌注封底混凝土时，导管底口距底板不应超过20cm，以确保导管埋深。

封底混凝土从两端往中间浇注，相邻导管间的水下砼灌注时应掌握好灌注时间（砼初凝前灌注）。

导管在移至新位置时，应插入水下混凝土内，并用自吸泵将导管内的水抽干，再行灌注混凝土，以确保混凝土结合的良好性（根据计算首盘混凝土方量，加工大型
储料斗，按水下混凝土灌注方法进行封底施工；根据现场实际情况，为方便施工，混凝土灌注采用从下游端开始依次倒移向上游前进施工）。

封底砼浇筑过程中，应勤测封底砼面的标高，测锤底部加焊一块钢板（20cm×20cm×1cm），提放测锤要缓慢，以免封底砼面的水泥浆被水过多地洗走；封底砼面的最终灌注高度应比设计提高3～5cm，封底混凝土具有一定强度（混凝土试块试验）后进行下一跨施工，确保履带吊在桩顶上施工不会扰动桩周混凝土。

灌注混凝土遵循“由低往高、由边往中”的原则，在工艺上要求“保证不间断供料，埋管足够，逐管压注。

砼灌注过程中派专人用测锤每隔一段时间，测出砼表面标高，将原始资料记录下来，随时告诉现场值班技术员，用以指导各导管提升及下料，要求砼均匀上升，以免造成砼面高低偏差过大，同时，也避免导管埋置过浅而使导管悬空，砼浇注终结时，用测绳多方位测量深度，尽量保证砼表面平整度。

4.2.3栽植钢棒法
对于覆盖层厚度较薄，钢管桩插打不深的桩位，可以采用一种栽植钢棒建造钢管桩基础的方法，它是将至少一根钢棒部分栽植入基岩内，将钢管套在钢棒外，将水下混凝土灌注在钢管内，使钢管与钢棒及基岩连接成整体。

它是基岩内与钢棒部分连接固定，基岩外的钢棒设在钢管内，钢管与钢棒连接成整体形成的钢管桩基础。

该方法解决了水下基岩面上钢管桩基础很难打入岩层足够的深度，因此桩身的稳定性很难保障等施工难题；通过相对较小的施工量来解决问题，将复杂的水下基岩面上钢管桩基础施工相对简单化，保证钢管桩基础承载力。

该结构的钢管桩基础新颖，简单，适用于水下浅覆盖层或裸露基岩上的钢管桩基础施工。

4.2.4钢管桩刃脚加工
河床下强风化板岩层坡度约为20°，对于直径100cm的管桩来说，管桩两侧的高差可达到36cm，对于薄覆盖层的河床，插打管桩时必然出现，管桩一侧已经嵌岩，另一侧还悬在覆盖层中，因侧向土压力不平衡，管桩易沿着斜坡岩石面下溜，造成管桩准确定位和插打困难。

解决方法：1）增长导向架的长度，使之伸到河床面，增加管桩的侧向约束力，阻止管桩下溜；2）改变管桩最下部的一段管桩的钢材和结构，最下一段管桩的钢材改用q345厚度16mm的三级钢材，为了增加管桩的入岩的性能，将管桩最下部刨成20°刃脚；3）在管桩的最下部焊接2.0cm×15cm的合金钢板，并伸出管桩5cm，间距50cm，增加管桩吃岩能力；4）施工过程中，还根据每个管桩底部的河床高程图（用测量的方法做出准确高程图），把管桩的底部做成椭圆型，加大与河床密贴性，钢管桩大样见图5。

图5 钢管桩大样图
插打管桩，交替施工，每完成每根管桩都要及时的焊接斜撑和
水平撑进行稳固连接，扩充平台的面积，依次类推，每完成一跨钢管桩，就扩大一次栈桥面积，直至完成所有管桩的插打。

5 静载试验
在桥面施工前为确保安全并检验设计计算的可靠性，选择有代表性的钢管桩进行静载试验。

静载试验方法是在钢管桩震设完成达到设计深度后，在其上用水箱加载，用百分表观测沉降值，并填写沉降观测表。

在施工时共进行了五跨基础的静载试验，经观测沉降在2—3mm，结果较理想，能满足施工要求。

6 讨论及结语
经过近半年的施工实践证明，利用工程中常用的钢管桩作为钢栈桥的基础, 结果表明，钢管桩承载力与设计要求值符合较好，桩身质量完好，达到了设计要求，施工工艺简单、可靠性高、投入较小，此种方案为深水栈桥浅覆嵌岩技术提供了一种新的思路。

注：文章内的图表、公式请到pdf格式下查看。