001大直径钢护筒下沉施工设备及其应用

文章编号:1003-4722(2006)S1-0123-02

大直径钢护筒下沉施工设备及其应用

崔雪梅,吴泽和

(中铁大桥局股份有限公司机械租赁分公司,湖北武汉430050)

摘　要:通过分析大直径基础施工中钢护筒下沉施工的机理与条件,介绍大直径钢护筒下沉

施工的关键设备的选型及其在实际施工中的应用。

关键词:钢护筒;钻孔灌注桩;桥梁施工;设备中图分类号:U445.31

文献标识码:A

ConstructionEquipmentforandItsApplicationtoSinking

ofLargeDiameterSteelCasings

CUIXue2mei,WUZe2he(MachineryLeasingCompany,ChinaZhongtieMajorBridgeEngineering,Inc.,Wuhan430050,China)

Abstract:Onthebasisofanalysisofthemechanismandconditionsofsinkingofsteelcasingsinconstructionoflargediameterboredpilefoundations,thispaperdescribestheselectionofthekeyequipmentforsinkingofthelargediametersteelcasingsandapplicationoftheequipmenttotheactualconstruction.Keywords:steelcasing;boredpile;bridgeconstruction;equipment

1　前　言

随着桥梁工程向大跨、新型、整体、快速施工方向的发展,桥梁基础也不断加大、加深,大直径钻孔灌注桩基础的应用已相当普遍。在大直径钻孔灌注桩基础施工中,常常需要沉入钢护筒以固定桩位、引导钻头方向、隔离地面水防止其流入孔内、保护孔口及孔壁不坍塌,确保成孔、成桩的质量。2　大直径钢护筒下沉施工设备

重工生产的中字系列、浙江振中机械厂生产的DZJ

系列、中铁工程机械研究设计院研制的高频液压振动锤等,国外有法国PTC系列、美国APE和ICE系列、德国MGF系列振动锤等。3　下沉施工机理与条件

使用振动锤沉入钢护筒,是利用振动锤产生的周期性激振力,使钢护筒周边的土壤液化,减小土壤对钢护筒的摩阻力,达到钢护筒下沉的目的。钢护筒下沉施工作业时,振动锤、钢护筒和土壤共同作用,形成一个工作体系。振动锤受载后振幅、频率等参数发生改变,使钢护筒周围的土壤在振动作用下性态发生改变,土壤的动摩阻力急剧下降,钢护筒克服土壤阻力下沉。在振动锤、钢护筒和土壤这个体系中,满足下沉施工条件时,护筒才会下沉施工。

钢护筒下沉条件为[1]:

P≥TV,Q≥RV,A≥A临

用于钢护筒下沉施工的设备种类较多,但大直径钢护筒下沉施工普遍采用振动锤。按原动机形式分类,振动锤分为液压振动锤和电动振动锤2种。

振动锤的激振装置为1组或多组由电动机或液压马达驱动的2个旋转方向相反的偏心块,2个偏心块水平方向的离心分力互相抵消,而竖向分力互相叠加,在竖直方向形成了周期性激振力。近年来,振动锤的技术得到了较快的发展,国内有中铁武桥

收稿日期:2006-03-31

作者简介:崔雪梅(1968-),女,工程师,1990年毕业于西南交通大学自动控制专业,工学学土。

124桥梁建设　　2006年增刊1

式中,P为激振力;TV为动摩阻力,与振动锤加速度

和土壤性态有关;Q为振动锤、夹持器、钢护筒的重量之和;RV为钢护筒下端阻力,与土壤性态、钢护筒下端形式和振动的动量有关;A为实际振幅;A临为临界振幅,振幅超过临界振幅才能实现钢护筒下沉。4　振动锤选型因素4.1　土壤性质和动摩阻力

有足够的振幅,使得振动力大于护筒周围土壤的瞬间全部弹性力,并破坏钢护筒周围土壤,减少阻力。

(3)频率。频率F是单位时间内偏心块的转数,即F=n/60。振动锤的频率分低、中、高频。对于低频(15～20Hz),是强迫振动与土层共振下沉的,振幅7～20mm,适宜粘土层;对于中频(20～60Hz),此类振动锤的加速度很大,振幅3～8mm,适宜砂土层;对于高频(100～150Hz),是利用钢护筒的弹性波高能冲击土壤下沉的,能用于硬土层。结合实际土层情况,经综合考虑,选定适当的频率。

(4)功率。功率N=k×M×n/9550(kW),取

k=1.25。功率是振动锤必要的工作条件,大型锤的

由于钢护筒下沉是一个振动锤、钢护筒、土壤互相作用的体系,故进行振动锤选型时应综合考虑钢护筒通过的土壤性质、钢护筒尺寸、钢护筒下沉深度。对于钢护筒下沉施工,钢护筒直径、钢护筒下沉深度、土壤性质都影响贯入阻力,施工中这些阻力成为振动锤的载荷。选择振动锤型号规格时,须使振动锤、土壤相匹配,即要使振动锤的能力满足实际工况需要。

不同的土壤性质直接影响钢护筒下沉施工时的动摩阻力。钢护筒下沉过程中,在振动锤的振动作用下,钢护筒周围土壤液化,动摩阻力急剧下降,但振动锤的加速度达到十倍重力加速度后,动摩阻力改变不大,只与土壤的单位动摩阻力及沉入面积成正比,即有:

TV=

功率都在250kW以上,因此电动振动锤对现场的电源要求很高;液压锤通常用柴油机作动力源。5　大直径护筒下沉施工设备的选型实例近年来修建的一些桥梁中,大量灌注桩直径都在<2.5m以上,最大达到了<3.4m。这些灌注桩施工时,钢护筒基本上是用中-250型电动振动锤或APE400B型液压振动锤沉入的。如芜湖长江大桥、长寿长江大桥、宜昌长江大桥的钢护筒是采用中-250型振动锤下沉施工的;孟加拉国帕克西桥、苏

∑Sτii

=LτH∑i

i

通长江大桥、武汉天兴洲长江大桥的钢护筒是采用APE400B型振动锤沉入的。现以芜湖长江大桥工

式中,TV为土壤对钢护筒内、外壁的动摩阻力;Si

为对应i段的沉入面积;τi为对应i段的单位动摩阻力;L为钢护筒的内、外壁周长;Hi为对应i段的钢护筒沉入深度。护筒的τi按表1选取。

表1　护筒下沉施工时的单位动摩阻力

饱和砂土、

软粘土

6

况为例进行分析。

芜湖长江大桥1～8号墩桩采用<3.0m的钻孔灌注桩,钢护筒外径<3.2m,壁厚δ=22mm,平均长度35m,沉入粘、砂相间的覆盖层均深18m。在选振动锤时,根据以上条件对振动锤参数初步选择,大致确定振动锤的选择范围,然后结合现存设备进行选取。

振动锤参数计算值及实际参数见表2。

表2　芜湖长江大桥<3.2m护筒选锤计算

项目

激振力P/kN振幅A/mm锤、夹持器及护筒重量之和Q/kN偏心矩M/N・m转速n/rpm功率N/kW

计算值≥25

7～201200～2400

kPa

饱和砂土、软粘土

(有实粘土与砾石层相间)

8

塑硬性粘土

15

4.2　振动锤参数

振动锤选型时,要重点考察激振力、振幅、频率、功率4个参数[1]。

(1)激振力。振动锤的激振力P与偏心矩M、偏心块转速n的平方成正比。选择激振力时,一方面要满足钢护筒下沉条件要求,即激振力要大于动摩阻力;另一方面,激振力与振动锤、夹持器、钢护筒三者重量之和Q的比值应满足协调方程:V1≤P/Q≤V2。对护筒下沉施工有V1=5/3,V2=10/3。

(2)振幅。理想振幅A由偏心矩除以振动锤、夹持器、钢护筒三者重量之和求得,即A=M/Q。实际工作振幅受激振力、频率、土壤弹性影响而改变,但不得小于临界振幅。为了有效下沉钢护筒,要

试选实际参数(双锤)

400081500120006858

4000～6000

1710602×5390570～700710

≥12000

6858

　　由于下沉激振力约为4000kN,选中-250型振动锤双锤并联可满足要求。实际使用表明效果良好,完成施工任务。

(下转第130页)

130

表1　焊接工艺评定试验结果

接头形式

对接焊缝熔透角焊缝坡口角焊缝T形角焊缝

σs/MPa

380～5560～5095～6220～550

桥梁建设　　2006年增刊1

σb/MPa

515～6005～605595～670535～635δ5/%

22～3222～2722～2623～29硬度HV10193～251218～2221～322213～268

-20℃冲击功/J

52～93///

侧弯180°

完好

///

　　　注:标准间隙的对接焊缝抗拉强度为560MPa,大间隙的对接焊缝抗拉强度为0MPa。

弯完好;焊缝金属的最高硬度均低于HV10350;对接焊缝-20℃Akv冲击功均能满足设计要求(Q370qD为41J;Q345D为34J)。5　结　论

(1)模拟随梁试板试验表明:焊缝喉厚满足设

(4)焊接热影响区最高硬度试验结果表明:Q345D、Q370qD钢的淬硬倾向不大,焊接性良好。

(5)系列温度冲击试验结果表明:顶板、锚腹

板、板单元对接接头的脆转温度均在-20℃以下。(6)焰切工艺评定试验结果表明:切割面光滑,无裂纹等其他危害永久性结构使用性能的缺陷,焰切坡口对焊接接头力学性能无影响,该工艺可用于南京长江第三大桥钢箱梁制造中预处理钢板焰切边和板单元对接焊缝V形坡口的火焰切割。

(7)焊接工艺评定试验结果表明:试验采用的焊接工艺合理,焊接接头的力学性能全部满足技术要求,试验中所用焊接工艺参数可作为编制南京长江第三大桥钢箱梁焊接工艺规程的依据。

计要求。

(2)斜Y坡口焊接裂纹试验表明:板厚≤30mm的钢板焊前不需要预热,板厚>30mm的钢板焊前预热80～120℃,可以防止冷裂纹的产生。

(3)锚腹板Z向拉伸试验结果表明:板厚30mm的Q370qD钢板Z向性能达到Z25级,抗层状

撕裂性能良好。(上接第124页)6　振动锤的使用6.1　施工方法

目前振动锤下沉钢护筒有2种施工方法:固置法、悬挂法。

固置法多用于箱式振动锤,是将振动锤固定于护筒顶部,然后启振沉进。

国外上世纪70年始广泛使用悬挂法,能使用悬挂法的振动锤在起吊横梁和振动装置间设有弹簧或橡胶减振块,用以减少振动对吊机的影响(一般减振效果在90%以上)。悬挂法作业时,振动锤的振动部分通过夹持器夹紧在护筒顶部,辅助吊机吊住横梁,通过减振装置拉住锤和护筒,然后振动沉进(见图1)。悬挂法的优点是:使得振动锤接近自由的方式振动,得到较大的振幅;可以拔桩;当不能下沉施工进尺时,可以采用探桩方式工作。探桩方式是将钢护筒拔出50cm,然后再下沉(此法是让振动锤以空载振幅去冲击钢护筒筒尖土层)。缺点是:悬挂张紧力不易控制;须配大吨位的辅助吊机,起吊能力须大于锤、夹持器和护筒重量之和,并有一定的富裕度,施工成本比较高。6.2　注意事项

启振下沉施工时要密切观察沉进过程,开始下

图1　PTC60HD液压锤沉桩作业

沉施工时不要过快,中间停顿几次检查护筒是否歪斜,如果歪斜,须牵正或拔出重打。停振收锤有2种情况:一是桩已沉至标高;二是虽未至标高但无进尺或进尺微小,此时切不可盲目死振,盲目死振可能使护筒口卷曲。对第2种情况,应停振检查,并对工况进行分析,确定是否改变振动参数试沉;或是否需要辅以射水、吸泥等手段进行下沉施工作业;必要时可采取钻机钻孔与振动下沉交替进行的方式施工,以达到设计标高。参　考　文　献:

[1]　刘古岷,王　渝,胡国庆,等.桩工机械[M].北京:机

械工业出版社,2001.