水中桩护筒施工技术

水中桩护筒施工技术

文/陈凯——摘自《路桥论坛》

[摘要]本文详细介绍了水中桩施工用钢护筒的各项技术参数的选取、施工设备、施工技术以及施工中常见的问题。

[关键词] 水中桩 护筒 施工技术 1、富春江大桥概况

富春江大桥全长1543.04m，桥跨布置为：10跨30m + 8跨40m+68m+120m+68m+ 6跨40m+ 14跨30m，11号墩至27号墩在富春江水域中。主桥下部为矩形实心墩、高桩承台、桩基础，主墩单个承台尺寸10.6×9.6×5m，下接4根φ2.5m桩基，边墩单个承台尺寸7.7×6.2×2.5m，承台顶标高+5.5m，下接4根φ1.5m桩基；引桥下部为下部为排架式墩、桩基础，水中引桥桩基直径2.0m，其中16、17号墩由于挖砂船挖砂作业造成河床面下降，桩基直径后变更为2.2m，陆上引桥桩基直径1.8m；桥台桩基直径为1.2m。富春江大桥全桥水中2.5m直径桩基16根、水中2.2m直径桩基8根、水中2.0m直径桩基44根、水中1.5m直径桩基16根、陆上1.8m直径桩基92根、陆上1.2m直径桩基16根。 2、富春江大桥护筒施工介绍

富春江大桥11号墩至27号水中桩基全部需要沉设护筒，其中11-15、22-27＃墩直径2.0m桩基采用直径为2.3m、壁厚12mm的钢护筒共计40根；18、21＃边墩直径1.5m桩基采用直径为1.8m、壁厚10mm的钢护筒共计16根；19、20＃主墩直径2.5m桩基采用直径为2.8m、壁厚14mm的钢护筒共计16根。 3、护筒施工技术

护筒沉设施工是钻孔灌注桩施工的开始，护筒平面位置与垂直度准确与否，护筒周围和护筒底脚是否紧密、不透水，对成孔、成桩的质量都有重要影响。 3、1护筒的作用和种类

护筒是水中钻孔灌注桩施工的三要素之一（水中钻孔灌注桩施工的三要素：护筒、泥浆、水头差），护筒有固定桩位，引导钻锥方向，隔离地面水免其流入井孔，保护孔口不坍塌，并保证孔内泥浆高出地下水或施工水位一定高度，形成静水压力（水头），以保护孔壁免于坍塌等作用。 护筒是重复使用的设备，故在构造上要求坚固耐用，便于安装、拆除，不漏水。根据所用的材料，主要分为木护筒、钢筋混凝土护筒和钢护筒三种。深水桩基础施工中主要使用的是焊接整体式钢护筒。

3、2钢护筒构造与技术参数

焊接整体式钢护筒有其强度高、刚度大、结构简单、施工方便、适应性强、有利于实现机械化作业，加快施工进度等优点。 3.2.1内径

根据《公路桥涵施工技术规范》要求护筒内径应比桩径大200-400mm，原因是护筒沉设时不可能做到100% 垂直，总会或多或少存在倾斜度，这个倾斜度会使得护筒上口和下口中心产生偏位，当钻机锥头从护筒上口中心下放，落到护筒下口时就不在下口中心了，如果护筒内径与桩径一样，钻机锥头在护筒下口就会碰到护筒壁，影响桩基钻孔施工。但是护筒内径增大后，护筒本身钢材和灌桩时混凝土用量需要增加，所以在护筒内径取值时要在技术性和经济性两方面权衡利弊。根据下沉工艺确定护筒垂直度最大允许偏差，然后通过护筒总长度计算最大允许垂直度产生的护筒下口偏位，再考虑一个钻机钻孔过程中锥头摆动，最终确定护筒内径。

以富春江大桥主墩2.5m桩基础护筒内径取值为例：下沉施工用导向架上下两层间距为5m，护筒在导向架内的允许摆动为1.0cm，导向架本身变形考虑1.0cm，则护筒垂直度最大允许偏差为（0.01+0.01）/5*100% =0.4%，护筒长度30m，最大允许垂直度产生的护筒下口偏位30*0.4% =12cm，锥头摆动考虑5cm，则护筒内径2.5+0.12*2+0.05=2.79m，护筒内径取值为2.80m。 3.2.2长度

护筒的长度由护筒的上口高程和下口的埋设深度决定，护筒上口与下口的高程差及是护筒的长度。

水中桩基施工护筒的上口标高应高出施工期间最高水位1.52.0m，潮水影响地区还应考虑潮水的影响，采取稳定护筒内水头的措施。

深水及河床软土、淤泥层较厚处，应尽可能深入到不透水层粘质土内1m-1.5m；河床下无粘质土层时，应沉入到大砾石、卵石层内0.5-1.0m；河床为软土、凇泥、砂类土时，护筒底埋置深度要能防止护筒内水头降低（如桥位处于潮水区或河流水位上涨时）产生的涌砂（即流砂）现象，从而使护筒倾陷。具体埋置深度，可按照公式1-1计算，但安全系数应大于2；有冲刷影响的河床，应埋入局部冲刷线以下小于1.0m1.5m。在大河深水情况下的灌注桩施工时，护筒埋置深度的确定显得十分复杂，目前尚无法确切的定论，因此护筒埋置深度应当引起高度重视。一旦护筒的埋深出现失谍，将导致出现重大工程质量事故和经济损失。 3.2.3壁厚、加强措施

壁厚、包箍选择的问题本质上就是确定护筒的强度、刚度的问题。护筒在下沉过程中需要将作用在护筒上口的震动锤的击振力传递到护筒下口，并刺穿地层达到护筒下沉的目的。护筒沉设采用的震动锤都在120kw以上，富春江大桥施工采用的是180kw震动锤（采用的是我公司提供的DZJ-180型振动锤），击振力达到118T。一般情况下，由于护筒材料使用的是A3钢板，强度上不会有太大的问题；关键是护筒的刚度问题，震动锤的击振力作用在护筒上口，在向下传递的过程中，护筒产生圆截面变形颤动，消耗掉一部分震动锤的能量，使得到达下口的击振力减小，护筒刚度越小，变形颤动越大，消耗的能量越大，下口的击振力衰减越大，使得震动锤发挥不出其作用，造成护筒下沉困难，影响后续施工环节。要加强护筒的刚度，就需要增加护筒的壁厚，但完全根据刚度要求选择的护筒壁厚要比根据强度要求选择的护筒壁厚要大的多，造成材料费用的大幅增加，为了解决这个矛盾可以采取选择较小的护筒壁厚，然后在护筒中设置加强措施的方法解决护筒刚度要求和材料经济性的统一。加强措施有两种：一是设置抱箍，即在护筒

外侧，间隔一段距离，在护筒外壁上帮焊一个箍圈与护筒形成一个整体，箍圈的宽度在护筒的上下口一般为50cm80cm，中部为20cm40cm，间距为13米，箍圈钢板厚度比护筒钢板薄2040%，这种加强措施不影响护筒沉设，简单实用，效果也好；二是设置加强肋，加强肋的优点是护筒刚度增量大，缺点是增加了护筒与土层间的摩阻力，设置部位有限制。加强肋可以设置在护筒的内壁或外壁。加强肋设置在护筒内壁需要根据厚度加大护筒直径，但是这种方法容易在打孔过程中挂锤，使用不方便。加强肋设置在护筒外壁会增加护筒与土层间的摩阻力，除了均匀、松散的粉沙层外一般只用在护筒河床标高以上至上口的部分。 3.2.4分段设置

一般护筒长度超过一定长度后就需要分段加工，沉设现场吊入导向架后拼接成整体。这样做主要是因为护筒本身是一个大体积、大重量的物体，施工过程中要受到加工场地、转运起重机械、转运运输机械、存放场地、下沉起重设备等等因素的限制。以富春江大桥2.5米桩基为例，护筒内径2.8m，长度30米，上口以下27米壁厚为14mm，下口以上3米壁厚16mm，上下口各设置一道50cm宽14mm厚包箍，中间范围每隔2m设置一道20cm宽14mm厚包箍，整个护筒重33t,平均每延米重量1.1t。这样一个庞然大物要整个一起加工、运输、吊装是非常困难的。施工中转运起重机械采用30t轮胎吊，转运运输机械为13米长平板拖车，下沉起重设备为50t履带吊，护筒分两段加工，每段15米长，并在每段的上下口内增设一个十字撑，以保护护筒在吊装时不因吊点集中力的作用发生变形。 3.2.5护筒盖

当护筒已经沉设完毕，而未能及时钻进时，护筒顶部须设置护筒盖。其作用是防止人或工具掉进井孔内，保证施工安全。护筒盖一般用5cm厚木板制成。如木料困难时，也可用3mm厚的花纹钢板制成。

3、3施工机械设备、设施 3.3.1震动桩锤、液压钳

震动桩锤是保证护筒沉设的关键设备，它为护筒下沉提供击振力。震动桩锤型号识别如下： □DZ□△□ 1 2 3 4 5

1更新变型代号：按大写印刷体汉语拼音字母顺序表示 2主参数代号：电动机功率，kw 3特性代号：无代号普通型震动锤 P变频型震动锤 4组型代号：震动桩锤 5电动机数（单电动机不注）

例：DZP180B表示单电动机、电动机功率为180kw、变频、第二次改进设计的震动锤。 根据工程要求震动桩锤

下表为各功率震动桩锤的激振力、许用拔桩力对应表。

项 数 值 目 电动机功率/KW 激振力/KN - 512 许用拔桩力(不小于)/KN 100 120 160 160 240 240 300 300 330 330 330 - 575 - 704 - 769 - 961 - 856 - 1218 - 410 - 1692 - 1180 - 2256 170 192 234 256 320 307 410 513 615 684 820 40 45 55 60 75 90 120 150 180 200 240 液压钳是震动桩锤和钢护筒的连接设备，它向上通过高强螺栓与震动桩锤链接在一起，向下通过液压系统夹住钢护筒实现与钢护筒的连接。震动桩锤与液压钳构成成套设备进行购买或者租赁（我公司振动锤可由主机与夹具成套进行租赁）。一个震动桩锤一般配有两套液压钳（一个单夹具液压钳、一个双夹具液压钳），当振沉小直径的钢管桩时采用单夹具液压钳，振沉大直径的钢护筒时采用双夹具液压钳。 3.3.2导向架

导向架的作用是控制并引导护筒在桩孔的正确位置竖直的沉入河床。护筒是一个大体积、大吨位的钢构件，在安装过程中起重设备无法对其进行细部的定位调整，需要借助导向架的帮助。护筒的导向架一方面确定护筒的平面位置，另一方面能保证护筒的垂直度。导向架有两层型钢框架组成，两层型钢框架可以分别固定在施工平台上，借助平台形成稳固的整体；也可以用大型号的型钢连接在一起，自成体系。型钢框架的净空比护筒的外径大23cm，两层之间的竖向距离在5m以上，净空小有利于平面位置的控制，竖向距离大有利于垂直度的控制。 3.3.3起重机械、运输设备

护筒沉设时，起重机械需要同时吊起震动锤和钢护筒，在护筒震动下沉的过程中起重机械还需要承受震动力，所以需要大吨位的起重设备，水中栈桥法施工时，一般采用履带吊车；船只法施工时，一般采用浮吊船。富春江大桥施工采用的是50t履带吊车。

由于护筒是一个大体积、大吨位的钢构件，运输过程中，车辆应有足够的稳定性和安全储备。富春江大桥施工尝试过多样，包括自加工拖式挂车、平板车、半挂车，最终选用的是13米长半挂车。

3、4钢护筒制作

第一步：根据护筒尺寸定制钢板，钢板的长度为护筒的周长；宽度根据卷板机可加工单节长度确定，一般为1.5m2.0m；钢板的长度为护筒的壁厚。 第二步：用卷板机将整张钢板卷制成护筒短节段。

第三步：在加工台上，将护筒短节段接长成为单端护筒，并加上抱箍。短节段接头采用双面满焊，抱箍两端与护筒筒身焊接，每个10cm焊一段10cm的焊缝。护筒上下口和单端接头处的抱箍与端头留20cm的距离。

3、5钢护筒存放

由于护筒沉设施工比加工速度快很多，一般需要提前制作钢护筒，然后将钢护筒集中存放，待护筒沉设施工开始后，可以不间断的运到现场，保证护筒沉设施工的连续进行。

护筒存放时只能单层存放，摆放位置要有利于再次起吊时，吊车与运输车辆协调作业。由于护筒单节重量达到15T以上，转运使用的一般为25T吊车，为了保证吊装安全，吊车吊起护筒后，不能再转向，只能由运输车开到护筒下，吊车将吊起的护筒落放到汽车上。 3、6钢护筒沉设

第一步：测量放样。护筒的中线点即桩基础的中心点。放样时，一般是将中心点引到两边型钢上，以方便施工工程控制。

第二步：安装导向架。导向架根据放样点的位置安装，中心与设计护筒中心点重合。导向架的内净空要比护筒的外径大3cm，以保证护筒能顺利进入导向架。当采用两层框架分离借助平台固定形式的导向架时，上下两层型钢框架都要牢固的焊接在平台上，且上下两层框架净空尺寸一致，中心点重合；当采用两层框架通过自身型钢立柱连接形式的导向架时，上层框架要可靠与平台焊接，导向架要保证自身的垂直，型钢立柱要有足够的刚度，在受到护筒作用时产生的变形量很小，以保证护筒的垂直度。

第三步：将护筒转运到施工现场。

第四步：吊起护筒下节，喂入导向架。当护筒下节上口距导向架1m左右时，停止下放护筒上节，在护筒上焊接两个反牛腿，将护筒上节挂在导向架上。吊车松勾，此时护筒下节的重量全部由导向架承受。

第五步：吊起护筒上节。将护筒上节下口与护筒下节上口靠在一起，微调钢板，使上下接整齐的对接在一起，焊接牢固。若护筒分段超过2节，重复以上两个步骤，拼接好整个护筒。 第六步：吊车将护筒上节连同下节一起吊起。使反牛腿脱离导向架10cm，割掉反牛腿，然后下放护筒。若护筒分段超过2节，重复以上三步骤，直到拼接好整根护筒。

第七步：到护筒底口距离河床面50cm时，停止下放，测量护筒夹角为90度的两个方向的垂直度。测量垂直度用线锤靠近护筒，导向架上下两层位置各测出一个测线与护筒在同一水平面的距离，两个数值之差与两个测点的垂直高差之比及为护筒的垂直度。若此时垂直度不满足要求，调整吊车大臂，利用护筒重心的变化和其在导向架内可活动空间调整护筒垂直度，直到满足要求。 第八步：将钢板或型钢顶住护筒后焊牢在导向架上，以填塞护筒外壁与导向架内壁之间的空隙，已使得护筒在下一步沉设过程中，在导向架内没有活动的余地，保证调整好垂直度不在发生变化。

第九步：吊车下放护筒入河床，直到护筒靠自身重力不能再下沉，吊车不受力。吊车松，钩取下护筒顶口的钢丝绳。

第十步：调整震动锤双液压夹具，使两夹头内侧不活动边的距离比护筒内径小2cm。 第十一步：吊起震动锤，将双液压夹具的两个夹头套住护筒壁，启动液压，夹紧护筒。 第十二步：开启震动锤，将护筒沉设到预定的标高，下沉过程中吊车吊住震动锤但不受力，且随着护筒的下沉同步下放吊钩。

震动锤开始提供激振力使护筒下沉的初期，激振力不宜过大，以防止护筒在河床表层软弱层中，下沉速度过快，吊车放钩速度跟不上，导致吊车翻车的安全事故。控制激振力的方法为：变频型震动锤，启动以后调到10Hz，然后每次增加2Hz后，稳定后10秒观察护筒，若只是跳动，但不下沉，继续加大2Hz，若护筒开始下沉，不再加大激振力，观察1分钟，若护筒下沉速度加大，则减小2Hz再观察；加大2Hz后，护筒下沉速度不变或者减小，则再加大2Hz观察，如此反复，直到调到最大60Hz。当变频器调到30Hz以上时，每次调整可以加到5Hz。 第十三步：护筒沉设到位后，填写护筒沉设记录，测量最终的护筒垂直度和上口中心偏位。 3、7特殊条件下钢护筒沉设施工 3.7.1河床基岩裸露情况下的钢护筒沉设

当河床基岩裸露时，钢护筒在振动桩锤的作用下不能沉入河床，但桩基础施工要求护筒必须沉入河床一定深度，富春江大桥施工中11号墩就遇到了这种情况，采取的处理方案如下：11#墩桩基直径2.0m，护筒采用直径2.3m壁厚12mm。

第一步平台搭设完成后，先用冲击钻机在钻孔位置冲孔，冲孔时采用2.5m的钻锥，中心与

桩基础中心重合，不用泥浆循环系统，在桩孔位置的河床上冲出一个深1.5m、直径大于护筒的孔；第二步然后撤走钻机，将护筒吊入孔内，对中、调整好垂直度；第三步将护筒提起20cm后，上口用反牛腿固定在平台上，在孔内用导管法浇筑1.5m厚水下混凝土，在冲成的孔内，用混凝土包裹固定钢护筒以满足施工要求。

3.7.2河床地层中有大块孤石情况下的钢护筒沉设

河床地层中有大块孤石时，护筒的沉设深度一般不能达到设计要求，最为严重的是护筒的垂直度偏差较大，当护筒底的一部分接触到孤石后，由于下沉阻力的不对称，护筒产生偏斜，富春江大桥施工中20号墩就遇到了这种情况，采取的处理方案如下：

第一步记录好护筒发生偏斜的沉设深度后，将偏斜的护筒拔出河床；第二步调整护筒的中心和垂直度，然后将护筒底座在河床上；第三步开动震动桩锤，将护筒沉设至发生偏斜的深度浅一米处；第四步将护筒上口用反牛腿固定在平台上，在护筒内用冲抓将河床地层中砂、卵石取出；第五步护筒内孔的底面低于护筒1m时，停止冲抓，用震动桩锤沉设护筒，将护筒底口跟进孔底；第六步重复上两个步骤直至护筒沉设至设计标高。 3、8结束语

护筒施工在桩基础特别是深水桩基础施工中起着至关重要的作用，护筒沉设深度、垂直度、平面位置的施工控制决定了桩基础钻孔施工的成败，护筒的材料用量对桩基施工成本有着重要的影响。因此，我们要充分重视护筒施工，在参数设计、加工、沉设各个环节加强控制，以期为基础施工开个好头。 参考文献：

[1]《GB/T 8517-2004 振动桩锤》

[2]公路桥涵施工及验收标准规范汇编.[M].北京：人民交通出版社，2001 [3]公路施工手册 桥涵 下册.[M].北京：人民交通出版社，2000