特殊地质临时钢管混凝土组合桩施工技术研究

郑 涛，张露露，秦晓锋

（重庆城建控股（集团）有限责任公司，重庆 400021）

0 引言

四川省阆中市嘉陵江四桥（主跨为2×130m 独塔斜拉桥）项目跨越嘉陵江，21 号主墩距岸边约383m，墩位水深约7m，为满足主墩基础及主塔施工材料运输要求，拟从岸边向墩位设置车行栈桥。施工栈桥设计宽为6m，总长261m，栈桥桩基基础采用D820×10mm 钢管桩。该桥位区地质条件较差，水中墩覆盖层均为砂卵石地质，栈桥钢管桩按设计要求必须打入河床下5m，但第6跨钢管桩仅打入河床下3m，无法下沉到设计深度，这给钢管桩下沉施工带来极大困难。

针对上述相关施工特点和难点，本施工技术利用钻机在钢管桩内钻孔，然后灌注水下混凝土且使混凝土桩与钢管桩形成有效锚固，形成钢管混凝土组合桩。具体施工工艺如图1 所示。

1 施工工艺流程及操作要点

用钻机在钢管桩内钻孔，通过泥浆循环实现出渣，清孔，然后下放钢筋笼及二次清孔，灌注水下混凝土且使混凝土与钢管桩形成有效锚固，形成钢管混凝土组合桩。其施工流程图和施工工艺示意图如图1 所示。

2 主要操作要点

2.1 钢管桩初步沉桩施工

2.1.1 钢管桩加强

根据工程所处的地质情况，栈桥桩基选择相应规格的钢管。分别对钢管桩刃脚和振动夹持端各加一道环箍带，环箍带（宽10mm）上、下缘与钢管满焊，使刃脚在插打过程不致卷屈及振动锤夹持端不被振破。对于阆中嘉陵江四桥栈桥需要对D820mm钢管桩（每根12m）上下两端进行加强。具体加强方法是用D830mm×10mm、L=0.6m 的钢管套在钢管桩的端头，焊接成为整体。

2.1.2 振动锤的选择

根据钢管桩规格，选用适当的振动锤。

图1 阆中嘉陵江四桥临时钢管混凝土组合桩施工工艺（单位：cm）

2.1.3 沉桩施工

钢管沉桩施工采用浮箱汽车吊配合振动锤吊打工艺。钢管桩由工作船组拼的平台进行就位，在平台上设置导向架，由测量定点出钢管桩位置，工作船平台先行就位，下锚定位并将导向架固定，用浮箱吊具将钢管桩吊入导向架，缓慢下落。导向架上设置有供钢管桩定位、纠偏、调整的液压千斤顶，对钢管桩在下沉和冲孔钻进过程中进行微调定位与纠偏。沉桩过程中观察垂直度，同时用测量仪器量测钢管桩中心位置是否偏位，若偏位立即校正。

钢管桩以最终贯入度控制为主（控制贯入度2cm/min），桩尖标高作为校对。当贯入度达到控制贯入度，而桩底标高未达到设计标高，应继续打入10cm 左右，并连续复打3 次，每次停锤2min，若无异常变化，方可停止，然后利用钻机在钢管桩内钻孔，灌注水下混凝土，形成钢管混凝土组合桩。因钢管桩兼做钻孔用护筒，钢管桩需高出水面3m，若不足需接长至高出水面3m。

2.2 钢管混凝土组合桩设计

钢管混凝土组合桩（以砂卵石地质为例）具体构造设计图如2 所示。

图2 钢管混凝土组合桩设计（单位：cm）

2.2.1 钻孔深度验算

（1）竖向荷载设计值；由栈桥上部荷载可反算出单根钢管桩承受竖向恒载和基本可变荷载。

（2）水平荷载（其他可变荷载）设计值；

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60—2015），钢管桩承受的流水压力产生的水平荷载设计值：

式中：K-水流阻力系数，桩为圆形，取 0.8；r-水容重，取 10kN/m3；V-水流速度；g-重力加速度，取9.8m/s2；A-单桩入水部分在垂直于水流方向的投影面积；且流水压力合力作用点，假定在水位线以下0.3 倍水深处。

根据竖向荷载和水平荷载设计值，计算出钢管桩所承受的竖向力NT。钢管桩所受的竖向力通过钢管桩与混凝土的有效粘结传递给钢管桩内的钻孔灌注桩，由钻孔灌注桩提供支承。所以钢管桩内钻孔灌注桩容许承载力p=NT。

对于单一的碎石、卵石层；τp=τi=160，钻孔深度

讯洪期流体产生的水平力较大，应进行抗冲刷能力计算，即各土层产生的摩阻力应满足；

Στili=为讯洪期混凝土桩所受的流体上拔力）

所以钻孔深度应由下式确定；

其中：NT-钢管桩承受的竖向力：-讯洪期钢管所受的流体上拔力；U-桩周长（m）；τp-桩壁土的平均极限摩阻力（kPa），可按下述公式计算。即钻孔灌注桩桩壁与各土层的极限摩阻力（kPa）；li-钻孔进入局部冲刷线以下各土层厚度（m）；A-桩底横截面面积（m2）；σR-桩尖处土的极限承载力（kPa）。

2.2.2 钢管桩与混凝土有效粘结长度计算

钢管与混凝土的粘结力在钢管滑移前由化学胶结力和机械咬合力组成，当钢管发生滑移后，粘结力主要是由摩擦阻力来承担。

由于钢管桩无法打入设计深度，考虑到钻孔对周围土层的影响，且为了提高结构的安全系数此处不考虑桩端土的承载力和钢管桩外壁与各土层之间的摩阻力；钢管桩的竖向承载力全部由混凝土与钢管桩的粘结力提高，极限状态下混凝土与钢管桩产生相对滑移，此时的粘结力主要是由摩擦阻力（Ψ·h·fa）来承担，钢管桩与混凝土的粘结长度应满足下式；

Ψ·h·fa=NT（NT钢管桩所受的竖向力）

讯洪期流体产生的水平力较大，应进行抗冲刷能力计算；

Ψ·h·fa=′讯洪期钢管桩所受的流体上拔力）

所以有效粘结长度由下式确定:

其中Ψ-钢管内表面截面周长（m），NT-钢管桩所承受的竖向力，NT′-讯洪期钢管桩所受的流体上拔力，fa-混凝土与钢管桩的摩阻系数。参照《钢围堰设计规范》（DBJ50/T—300—2018），钢管与混凝土的摩阻系数应由试验确定。

2.2.3 稳定性计算

按照《钢结构设计规范》规定（考虑二阶效应）；钢管桩稳定性应满足：

f 为钢材抗弯强度设计值。

φx、φy、γx、γy、βmx、βmy、βtx、βty、可由查表获得。

对于闭口截面：影响系数η=0.7，整体稳定性系数φby=φby=1.0。

2.3 冲击钻孔施工

搭设临时钻孔平台进行钻孔作业。对于特殊地质，尤其是砂卵石地质钻孔灌注桩一般采用冲击钻机成孔，同时配合泥浆循环系统出渣清孔和气举反循环二次清孔。

钻孔完成经检测合格后，钢筋笼采取在后场钢筋加工场内分节制作，运输至钻孔施工平台处，用履带吊或汽车吊分段吊入桩孔接长下放、就位。在钢筋笼下放过程中，接好声测管。

在灌注水下混凝土前，采用气举反循环二次清孔，当沉渣厚度满足要求时（≤150mm《建筑地基基础工程施工质量验收规范》）即可进行灌注水下混凝土施工。

2.4 桩基无损检测

采用超声波检测仪对桩进行无损检测。检测结果以检测报告形式反映，无问题的可进行下道工序施工。

2.5 钢管桩的拆除

拆除时，派潜水员下潜至河底，割除钢管桩，确保航道要求。

3 结语与展望

阆阆中嘉陵江四桥项目中，栈桥基础、主墩及交界墩钻孔施工平台基础均采用了钢管混凝土组合桩，总计约120 根。栈桥在整个项目建设期使用，历经4 个汛期考验，钻孔平台在嘉陵江四桥桩基及承台施工期使用，历经2 个汛期，其中2013 年、2014 年汛期洪峰值及流速值是近些年的最大值，栈桥及钻孔平台均安然渡汛，证明钢管混凝土组合桩应用于砂卵石地层，其承载力、抗冲倾覆稳定性可靠。

钢管混凝土组合桩技术成功运用，为在砂卵石地质建设栈桥、操作平台等等施工措施，为工程建设提供可靠的技术参考，且钢管兼作钻孔桩的护筒，一物两用，不再做专用护筒，节约材料与工序，降低了成本；具有广的推广前景。