近年来, 随着施工技术的快速发展, 跨海大桥的建设逐渐增多;而在跨海大桥施工中, 由于海上施工条件复杂, 受地质条件突变、施工环境多变、装备定位精度问题等诸多因素均可影响钢护筒定位精度, 需要钢护筒拔除纠偏重新沉放。目前, 对大直径钢护筒沉放施工工艺已经较为成熟, 但对钢护筒尤其是海上特大直径钢护筒拔除纠偏研究较少, 可指导拔除纠偏的案例也不多见。结合某跨海大桥钢护筒纠偏施工案例, 对外海大型钢护筒纠偏处理方案进行探讨, 先后使用了气压顶升法和振动拔除法2种不同的方法, 最终达到了拔除纠偏的目的。从拔除原理、设备、工法、应用效果等多个方面对2种不同的拔除方法进行了比较, 并探讨了2种不同方法的适用范围。

东海海域某跨海大桥由于桩位地质突变, 出现钢护筒偏位超出规范及设计值的情况。需要进行钢护筒拔除并重新沉放。偏位护筒直径为3.4m, 壁厚26mm, 总长为47.5m, 重达104t;护筒设计顶标高为4.500m, 底标高为-43.000m。涨落潮海面水位变动范围为0~2m。

偏位钢护筒下部约35m插入泥面以下, 分别穿透不同性状的淤泥质粉质黏土、粉砂层, 具体地质情况如表1所示。

目前, 钢护筒拔除常规采用液压振动锤, 通过大型起重设备起吊振动锤并通过振动锤夹桩拔除。还有一种采用气压顶升法经钢护筒顶出的方法。

通过振动锤的高频振动液化周围土体, 减小土的侧摩阻力拔除钢护筒。本工程钢护筒直径、长度、质量较大, 考虑振动锤质量和现场起吊角度, 该方案需要1 200t起重船作为拔除的起重设备。起吊设备和振动锤的调遣周期较长, 且施工费用较高。

依据现场地质资料, 钢护筒极限抗拔力 (JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》第4.2.6条) 为:。考虑到钢护筒直径过大, 拔除过程中钢护筒内外两侧都与土体产生相对滑动, 因此, 桩侧摩阻力内外两侧都需要计算。

若采用振动拔除法, 则根据规范, 土体液化后, 折减系数对黏性土取0.7~0.8;对于砂土取0.5~0.6;桩的入土深度大时取大值, 反之取小值;计算所需激振力为8 014k N。激振力所需非常大, 目前国内单台振动锤无法满足拔除需求, 必须采取辅助措施, 这样必然延长处理时间。经综合测算, 拔除总费用约300万元。

压力顶升法即首先密封钢护筒上部, 利用高压气泵或高压液泵对其顶部密封腔施加一定的压力, 利用作用力和反作用力的原理, 将钢护筒从桩位中顶升出来。若采用压力顶升法, 土体不受液化破坏影响, 所以折减系数都取1;则护筒抗拔力为11 091.4k N;换算成压力值为1.22MPa。压力值较小, 现场施工较为方便、安全系数较高、施工效率高, 可有效保证钢护筒拔除成功率并能够再次使用, 且此方法已在灵昆特大桥、洞头跨海特大桥等项目中成功应用。2种不同的施工方法比较如表2所示。

经综合比选, 首先选用压力顶升法对护筒进行拔除, 同时将振动拔除法作为备用方案。

该方法主要工艺流程如下:准备工作→密封装置安装→顶升装置调试→密封装置测试→加压、顶升→拔除护筒。

1) 准备工作在偏位护筒搭设工作平台, 并设置导向架控制钢护筒顶升的竖直度, 同时在护筒顶口位置焊接吊耳。

2) 密封装置采用圆台形式, 上下顶面均采用法兰连接, 在专业加工厂进行加工。为了保证施工安全, 下底面与钢护筒进行焊接加固处理 (间隔30cm焊接2cm厚的加劲板) 。

3) 装置调试对密封钢护筒和上封盖组成的密封腔进行加压测试, 防止因密封腔不密封而造成安全事故;并对混合动力设备进行检查, 保证设备的正常运转。

4) 加压、顶升钢护筒顶升前先往钢护筒内注水至钢护筒顶, 预留5~10cm高度, 再焊接安装密封装置, 通过加压设备逐步往密封腔内注水加压, 达到计算的初始压力值, 然后保持恒压, 直至拔除护筒。

气压加压过程采用逐步加压的方法, 加到单次加压设计最大值时, 稳压1h以上。按照设计计算分析, 在加压到设计压力的过程中, 钢护筒即可依靠护筒内压力缓慢提升。采用气顶法总共试拔5次, 历时10d, 均未成功拔除护筒 (其中第4, 5次配合1 200t浮吊进行提升) , 顶升情况如表3所示。

5) 原因分析针对上述过程, 技术团队对此进行了认真研究和分析。经过研究, 发现钢护筒未拔除的原因主要有2点: (1) 由于地质较差, 在顶升过程中, 施加的压力作用于土体而非刚性体 (如已成混凝土桩基) 后, 反而使护筒内土体变得更加密实, 增大摩阻力; (2) 土体密实后, 使护筒与周围的土体接触更加紧密, 土体与护筒之间的黏结力增大, 护筒周围土重不足以破坏这种黏结力时, 此时拔除护筒会将周围一定范围内的土体一起拔除, 类似于“拔萝卜”现象。因此, 护筒的抗拔力需考虑护筒周围的土体质量, 经计算, 此时所需的压力>8MPa, 而试拔压力最大加至4.5MPa, 远低于计算值。

综上原因, 造成钢护筒拔除失败。此时钢护筒拔除所需压力已经大大增加, 超出了设备和钢护筒自身结构可承受的范围且危险性较大, 压力顶升法已经不适用于本次护筒拔除。

压力顶升法无法满足拔桩条件后, 启动了振动锤法进行拔除, 为了克服顶升法造成的摩阻力变大, 决定先采用射水法吸除30m护筒内泥面, 再配合振动锤拔除钢护筒。

射水法主要是通过气举反循环将被射水器冲散的快泥、粉砂连同水吸入吸泥管, 随高压气流排出, 从而降低泥面标高;振动拔除法主要是通过振动锤产生的激振力, 使护筒产生高频振动、周围土体产生液化, 从而使护筒在较小的提升作用下拔除。

射水吸泥主要工具由吸泥器、吸泥管、高压风管和射水器及其连接件组成, 动力系统采用大功率空压机。准备完成之后, 开启空压机, 进行吸泥, 注意吸泥管口要距泥面20~40cm, 以达到最佳效果。

射水吸泥计划工效为4m/d, 8d完成施工, 现场实际施工用时20d, 工效1.5m/d;实际情况表明压力顶升法确实导致护筒内部土体密实, 以至于无法拔除钢护筒。

1) 设备选型

泥面标高下降30.000m后, 由于护筒内土体变得密实, 为保证激振力接近实际值, 折减系数取1, 则拔除护筒所需激振力为 (考虑护筒内外摩阻力) T_d=7 392k N。

根据振幅计算经验公式A=N/12.5+3进行估算, 最大振幅需要>11mm, 而美国ICE公司认为水下的砂质土壤只要2mm就足够, 法国PTC公司认为在有水的土中, N为0~5, 5~10, 10~15, 15~30时, 振幅分别为1, 1.5, 2, 2.5mm。

经过市场调研, 项目部最终选用2台YZ-400振动锤并联使用, 选定振动锤额定激振力为8 370k N>7 392k N;最大振幅40mm>11mm;满足护筒拔除要求。

2) 现场施工情况

采用浮吊作为护筒拔除的主要起重设备, 将拼装完成的YZ-400振动锤吊至护筒位置, 用液压夹持器夹住钢护筒, 启动振动锤, 先点振, 再逐渐增加振动频率, 待护筒松动后, 缓慢提升浮吊, 直至全部拔除, 全程用时25min。

振动锤每次振动时间不宜过长, 最好控制在10~15min;防止振动锤遭到破坏, 护筒拔除应一气呵成, 防止周围土体重新固化, 更难拔除。

钢护筒2种不同拔除方法, 各有优缺点。在无法直接采用振动锤拔除的海洋环境中, 压力顶升法与吸泥辅助振动锤拔除法两者适用范围不尽相同, 主要如下。

1) 在护筒内有刚性体 (如已成混凝土桩) 或者有不易压缩土体的情况下, 采用压力顶升法较为适宜, 其施工工效较快、施工安全、费用较低, 一般情况下从准备到完全拔除可控制在1星期以内。

2) 在地质条件较差的情况下, 采用压力顶升法可能会造成护筒内土体更加密实, 反而对护筒拔除起到反作用。建议采用振动拔除法纠偏, 同时护筒内外辅以射水吸泥, 虽然施工工效较低, 但工艺比较成熟, 成功率较高、比较稳定。