在桥梁桩基施工过程中, 由于不良地质条件的影响, 往往需埋设一定深度的钢护筒, 钢护筒不仅可对孔桩进行保护防止塌孔, 而且永久性钢护筒作为桩基础的一部分承受部分荷载。如果施工中钢护筒发生变形, 不能对其进行及时有效处理, 会导致项目成本增加、工期延误, 甚至会导致难以处理的事故发生。因此, 对钢护筒的变形及施工工艺的研究具有重大意义。

大王山旅游度假中心桐溪路景观桥工程位于长沙市望城区桐溪路, 本桥主桥总体布置为 (15+55.5+145+55.5+15) m连续刚构梁。桥位地处岩溶地区高陡边坡边缘位置, 各墩桩基钢护筒施工过程中均出现不同程度的变形。本文将针对长沙景观桥3号墩桩基施工过程中钢护筒变形, 围绕变形情况、变形原因、处理施工工艺, 提出岩溶地区高陡边坡桥梁桩基施工工艺。

根据地质勘察报告, 场地内地质条件复杂, 覆盖的地层主要有人工填土层、第四系冲积层, 下伏基岩为泥盆系灰岩。拟建桥梁地处深100m矿坑高陡边坡边缘位置, 边坡计算结果表明, 桥梁桩基处于边坡滑动面之上, 且边坡在自然状态下处于极限平衡状态。场地整体地势呈现南高北低, 场地地表水及地下水作用强烈。场地内岩溶作用强烈, 下伏基岩岩溶裂隙发育, 钻孔岩溶能见率高达84.4%, 钻探过程中漏水明显。

本桥主要有5个主塔墩, 桩基础采用φ2.2m钻孔灌注桩, 全桥共设40根。单桩孔深达50m, 桩基成孔施工采用内径2.4m钢护筒。3号桥墩有8根φ2.2cm冲孔灌注桩桩基础, 设计桩长49m。在对3号墩3-5号桩冲孔过程中遇溶洞发生偏孔和漏浆现象, 回填片石、黏土复冲顺利穿过溶洞区域, 安放隔离钢护筒, 钢护筒长31m、内径2.4m、壁厚1cm, 完成隔离钢护筒施工后, 继续对隔离区以下桩基冲孔, 对隔离区以下桩基进行冲孔时孔壁溶洞内岩石断层坍塌, 隔离钢护筒变形严重, 钢护筒顶以下10～24m段受挤压往桩孔内凸最大值1.2m, 如图1所示。

引起钢护筒变形的因素很多, 不良地质条件、钢护筒刚度、钢护筒的制作精度、施工不当等都会引起钢护筒变形。从力学角度分析钢护筒变形, 当作用在钢护筒的应力大于其临界应力时, 钢护筒发生屈服变形。作用在钢护筒上的应力主要由环向和轴向应力承担, 在制作精良的情况下, 环向应力是导致钢护筒变形的最主要因素。

1) 当3-5号桩钢护筒发生变形时, 项目技术人员根据设计图纸, 仔细分析、多次核对和计算, 发现钢护筒设计与施工无误。但在桩基施工中, 钢护筒发生变形, 根据地质勘探, 3号墩位处地质与设计勘察地质发生改变, 由于场地的地质条件复杂, 岩溶作用强烈, 3号墩下伏基岩岩溶裂隙发育, 在施工中桩基经过溶洞内, 其内岩石断层坍塌, 隔离钢护筒顶以下受挤压往桩孔内凸而产生侧向变形。

2) 该桥梁地处经人工采石而成深度达100m矿坑高陡边坡边缘位置, 桩基处于该高陡边坡滑动面上, 且边坡在自然状态下处于极限平衡状态。当对墩桩基冲孔时, 破坏边坡的局部平衡状态, 下放的钢护筒由于边坡的局部土体下滑力发生屈服变形。

3) 钢护筒的加工精度对钢护筒变形影响也较大, 在实际工程中钢护筒的制作总存在缺陷, 其中不圆度对钢护筒的临界应力十分敏感。大量试验表明, 没有精细加工的构件, 其临界应力只能达到计算值的15%～60%。如果w₀表示钢护筒长轴和短轴之差的一半, 即不圆度, t表示壁厚, 通过计算分析, 当w₀/t=0.5时, 轴向临界应力降低到25%;当w₀/t=1时, 轴向临界应力降低到14.3%。

1) 钢护筒厚度在施工过程中, 钢护筒受的力为岩体的侧向土压力。根据本工程实际情况, 距护筒顶24m处发生变形, 则应在24m处加强处理。根据地质勘察资料, 岩体重度γ=27kN/m³, 摩擦角φ=30°, 则24m处对钢护筒的土压力为:

钢护筒厚度根据《钢结构稳定性设计原理》可按下述公式计算:

式中:K为安全系数, 取1.65;D为钢桶外直径, 根据本工程取2.4m;p为土压力;f_c为钢材的轴心抗压强度设计值, 取215N/mm², 则有:

钢护筒厚度取>2mm为宜, 本工程钢护筒厚度采用10mm。

2) 设置内支撑由于钢护筒外侧承受压力较大, 为防止3-5号桩基钢护筒进一步变形, 在钢护筒内其变形区段设置内撑, 即在钢护筒变形区段从上往下设置型钢内撑, 型钢内撑采用80mm×80mm×2.5mm矩形钢管, 以增强钢护筒变形处的刚度, 钢护筒变形部位支撑设置如图2所示。

假设土压力全部作用在平面上主要由4根杆支撑, 土压力作用长度l为1.5m, 则每根杆有:

内撑型钢采用80mm×80mm×2.5mm矩形钢管, 按杆件单轴抗压强度计算:

满足要求。

钢护筒变形处理方法有很多, 如气切割钢护筒法和千斤顶孔内校正变形法等。针对3-5号桩基钢护筒变形, 本项目主要采用气切割钢护筒法。

由于桩周溶洞大, 其内部岩石塌方量较大, 任何局部性的加固措施都存在较大风险, 都不能保证钻孔桩的施工安全, 故在切割护筒变形部分前, 须采用C30高流态混凝土填充、注浆加固办法, 切割后进行补注浆, 使钻孔施工不漏浆、不塌孔。

场地准备→超前钻取芯→抽排泥浆→钢护筒变形区段设置内撑→桩周溶洞填充→钢护筒外周加压注浆→钢护筒切割→冲孔→成孔后安放内层隔离钢护筒→成桩后隔离间隙填充。

处理变形3-5号桩基钢护筒的施工设备共计20余台套, 如表1所示。

1) 场地准备平整场地, 清除坡面危石、孤石、浮土, 坡面有裂缝或坍塌迹象的应加设必要的保护, 铲除松软土层并夯实。为避免已开孔桩基对3-5号桩钢护筒变形处理的影响, 暂停3号墩其他桩基施工, 并对已开孔的3-2号桩孔采用黏土回填至护筒顶面, 待开孔的桩孔稳定后, 再对3-5号桩钢护筒变形进行处理。

2) 超前钻取芯待钢护筒变形稳定后, 为了探明钢护筒变形区段的地质条件, 桩周溶洞的分布、大小高度及填充物的详细情况, 需对桩位附近进行超前钻取芯。采用地质钻机套管跟进, 在钢护筒变形侧往外2m处钻孔, 成孔后套管作为桩周溶洞填充注浆管。对变形钢护筒处理如图3所示。

3) 抽排泥浆为了避免水下施工, 确保钢护筒切割过程施工安全, 桩孔内的泥浆采用泥浆泵抽送, 将泥浆抽排至钢护筒变形部位的底部, 待变形区段裸露出来停止抽排。

4) 钢护筒变形区段内撑设置由于钢护筒外侧承受压力较大, 为防止钢护筒进一步变形, 在钢护筒变形部位从上往下设置型钢内撑, 型钢内撑采用钢护筒加固设计的80mm×80mm×2.5mm矩形钢管, 环向布置分为3个三角形, 竖向设置间距为0.5m, 矩形钢管与钢护筒焊接要求焊缝饱满, 每根矩形钢管焊接处设置10mm厚加筋钢板, 并确保矩形钢管与钢护筒焊接牢固。

5) 桩周溶洞填充及钢护筒外侧加压注浆为防止桩周溶洞内岩石断层进一步坍塌, 对桩基成孔和成桩后桩身的稳定性造成影响, 对桩周溶洞进行混凝土填充。在桩周岩壁与钢护筒间隙之间预埋8根50×3.5钢管作为竖向注浆小导管, 小导管插入钢护筒底部, 对桩周溶洞进行混凝土填充, 同时可利用钢护筒外侧地质勘探孔进行灌注, 高流态混凝土可直接灌入溶洞, 对溶洞腔体有较好的填充效果。

混凝土灌注完成后, 对钢护筒外侧间隙进行高压注浆 (水泥浆) 。水泥浆采用P·O32.5水泥, 水与水泥质量比为1∶1, 密度控制在1.50～1.60g/cm³。加压注浆时, 注浆压力为0.15～0.6MPa, 浆液通过注浆小导管压入钢护筒外侧破碎岩体及空洞, 注浆由下至上压注, 从而确保钢护筒四周全部填充密实。

6) 钢护筒切割钢护筒变形部分切割采用气切割法逐层切割, 每层切割高度50cm, 1/3圆环向划分切割。第1层钢护筒切割后, 观察钢护筒外侧岩壁情况, 若存在空洞, 则采用M20水泥砂浆注浆填充, 注浆饱满后凿除岩石, 岩石凿除面形成一环圆顺孔壁;在钢护筒切割部位, 将1cm厚钢板弯制成2个半圆焊接封闭成环, 护筒变形部位按50cm一节循环处理, 直至完成整个变形部位的处理。

7) 钻孔当变形钢护筒切割完成并分块取出后, 重新用检孔器对孔径进行检测。若不满足要求, 还要按前面的施工方法继续进行补割。变形钢护筒处理结束后, 检查孔内遗留铁件, 以防影响后续钻孔施工。检查完成后, 对桩基钻孔, 直至钻孔至设计深度49m。钻孔结束后清除孔底沉渣。

8) 安放内层隔离钢护筒由于钢护筒外周已采用高流态混凝土填充, 钢护筒与孔壁间的隔离间隙已失效, 为满足设计要求, 成孔后在桩顶隔离区段安放内层隔离钢护筒。内层隔离钢护筒长32m、内径为2.25m、壁厚为1cm, 内、外两层钢护筒之间即可形成间隙10cm的环形断面, 桩身混凝土灌注后采用炉渣将隔离间隙进行填充。隔离钢护筒施工完成如图4所示。

为了提高工作效率, 在合理工期内完成3-5号桩钢护筒变形处理, 钢护筒切割、焊接、凿除岩石共安排16人, 每4人分为1组, 分4班24h不间断作业, 在钢护筒变形处理完成前, 墩台内其他桩孔均暂停施工, 以保证变形钢护筒桩孔施工安全。

由于桩孔内切割钢护筒危险性较大, 因此每日必须采用气体检测仪检测井下的有毒、有害气体, 并应有相应的安全防范措施。

当地下渗水量较大、地下水位较高时, 应先采取统一降水措施, 再进行切割。同时, 孔内如渗水, 用污水泵抽排, 以确保孔内作业人员安全。

为了防止剩余3号墩桩基钢护筒插打后再次发生变形, 提出针对岩溶地区高陡边坡桥梁桩基内外双层隔离钢护筒施工工艺, 隔离双护筒施工工艺如图5所示。

如3-1号桩基设计桩径220cm, 桩长47m, 为避免桩基施工过程中钢护筒再次发生变形, 采用内外双层隔离钢护筒施工工艺。首先对3-1号桩基超前钻勘探, 钻孔孔径为108mm, 通过取芯探明溶洞的高度及填充物的详细情况, 利用超前钻取芯孔插入套管进行岩溶注浆。注浆完成等浆液凝固到一定强度后即进行钻孔桩施工, 成孔后下放内外隔离钢护筒, 对于内外钢护筒环形断面, 桩身混凝土灌注后采用炉渣填充隔离间隙, 以确保有效的桩周隔离和桩顶区段的柔性隔离。

1) 通过对长沙景观桥3号墩桩基施工过程中钢护筒变形机理和原因分析, 发现钢护筒变形与地质条件、钢护筒材质、壁厚、加工精度、不圆度等有关, 并提出改变壁厚和设置型钢内撑的加固方案。

2) 结合本项目实例研究证明, 气切割钢护筒法处理岩溶发育地区钢护筒变形有效, 并且根据本项目的特点结合钢护筒的加固综合处理变形钢护筒。

3) 为防止剩余3号墩桩基钢护筒再次发生变形, 提出内外双层隔离钢护筒施工工艺。