一种内河深水岩质地基嵌岩钢管桩快速施工系统及工艺的制作方法

本发明涉及桥梁水上作业施工技术领域，具体涉及相应的钢管桩施工工艺。

背景技术：

现有的内河深水岩质地基嵌岩钢管桩施工技术主要是在水中搭设钢支架板凳平台，以钢护筒作为施工辅助构件，具体布置形式采用四角钢支架平台，在平台上用gps确定桩的位置后，将钢护筒底部插入河床河床覆盖层一定深度，顶部要露出水面4～6m以上，最后采用冲击钻钻进桩基。

钢护筒的主要功能是为钻机导向、钻孔护壁、保持水头高度、混凝土灌注成型的容器。一般情况下，一个墩位的钻孔桩多达几十个，每个桩位需要一个钢护筒，尤其在深水区施工，需要钢护筒的长度很长，因此这种施工方法需要耗费大量钢材，成本很高，且施工工艺复杂；且采用冲击钻的成孔时间太长，因整个作业面桩基数量多，施工工期将特别长。

技术实现要素：

针对现有内河深水岩质地基嵌岩钢管桩施工技术在施工功效以成本上所存在的问题，需要一种高功效，低成本的内河深水岩质地基嵌岩钢管桩施工技术。

为此，本发明所要解决的技术问题是提供一种内河深水岩质地基嵌岩钢管桩快速施工系统及工艺。

为了解决上述技术问题，本发明提供的内河深水岩质地基嵌岩钢管桩快速施工系统包括：

水上移动施工平台，所述水上移动施工平台上配置有钻孔设备，与之配合的起重设备；

锚碇系统，所述锚碇系统设置在水上移动施工平台上，将水上移动施工平台定位在施工区域；

快速定位导向系统，所述快速定位导向系统设置在水上移动施工平台上，对钢管桩施工进行定位和导向。

在本施工系统的方案中，所述水上移动施工平台以平板驳作为平台主体，其上采用旋挖钻作为主要钻孔设备，采用履带吊作为起重设备配合施工。

在本施工系统的方案中，所述水上移动施工平台上设置有液压提升装置，所述液压提升装置布置在水上移动施工平台的四角。

在本施工系统的方案中，所述液压提升装置包括支腿和液压装置，所述支腿可移动的垂直穿设在水上移动施工平台中，其上匀距的设置若干销棒孔，并配合销棒进行支腿固定；所述液压装置相对于支腿固设在水上移动施工平台上，并驱动支腿相对于水上移动施工平台进行提升或沉降。

在本施工系统的方案中，所述锚碇系统包括至少六组锚碇装置，这至少六组锚碇装置分成两组，分别设置在水上移动施工平台的两端。

在本施工系统的方案中，每组锚碇装置包括一台卷扬机、钢丝绳以及混凝土锚，所述卷扬机设置在水上移动施工平台上，并通过钢丝绳连接至混凝土锚。

在本施工系统的方案中，所述混凝土锚包括中空的柱形锚体，以及设置在锚体上的至少两组锚尖，所述中空的柱形锚体内填充混凝土，所述至少两组锚尖沿柱形锚体延伸方向设置，并依次错开；每组锚尖中包括至少两个锚尖，这至少两个锚尖沿柱形锚体周向均匀布置。

在本施工系统的方案中，所述快速定位导向系统包括：

轨道，所述轨道沿水上移动施工平台的甲板即侧舷设置；

支撑架，所述支撑架移动的设置在轨道上；

导向架，所述导向架设置在支撑架上，整体位于水上移动施工平台外侧，并随支撑架沿轨道进行移动，完成桩位施工的定位和导向。

在本施工系统的方案中，所述导向架上设置有gps。

在本施工系统的方案中，所述导向架为笼式分体结构，并由液压装置驱动笼式分体结构的导向架合拢和分离。

在本施工系统的方案中，所述导向架与导向钢护筒配合完成桩位施工的定位和导向。

在本施工系统的方案中，所述导向钢护筒采用薄壁钢护筒。

为了解决上述技术问题，本发明提供的内河深水岩质地基嵌岩钢管桩快速施工工艺，包括如下步骤：

(1)在施工区域布置快速施工系统；

(2)通过gps系统确定桩基位置，然后将限位架固定在该桩基位置上；

(3)将钢护筒顺着限位架内部安插在河床覆盖层至少1米深处；

(4)再次定位复测下钢护筒的安装位置；

(5)以钢护筒为导向，在钢护筒内采用旋挖钻掘进，并成孔后进行混凝土浇筑；

(6)混凝土浇筑完毕后进行钢管桩定位施工，并进行钢管桩采用栽桩施工；

(7)钢管桩栽桩完成后，进行钢护筒拔除。

在本快速施工工艺方案中，所述步骤(3)中钢护筒采用履带吊吊装，振动锤振沉施工，护筒偏位允许误差≤50mm，深水区≤80mm，桩身垂直度≤1％。

在本快速施工工艺方案中，所述步骤(5)中进行钻孔施工时，终孔前进行孔深测量，孔底标高比设计标高超深≥50mm。

在本快速施工工艺方案中，所述步骤(5)中采用导管灌注嵌岩部分水下混凝土。

在本快速施工工艺方案中，所述步骤(6)中进行栽桩施工时，采用gps定位后采用振动锤将钢管桩打入混凝土底部，施工过程中保证钢管桩的深度和垂直度。

在本快速施工工艺方案中，在护筒拔除后，利用液压系统打开导向架，移至下一排桩位。

基于上述方案构成的内河深水岩质地基嵌岩钢管桩快速施工方案，其可节约大量钢材，并且大大提高了内河深水岩质地基嵌岩钢管桩施工效率，能够有效解决现有技术所存在的问题。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本实例中锚碇系统示意图；

图2为本实例中混凝土锚的示意图；

图3为本实例中自动化快速定位导向系统的结构示意图；

图4为本实例中自动化快速定位导向系统与钢护筒的配合示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本实例以某一大桥为例，来说明本方案提供的内河深水裸岩地质嵌岩钢管桩快速施工方案。

本实例针对的大桥是一座独塔自锚式不对称跨度悬索桥，主桥为钢箱梁和混凝土现浇结构，大桥桥位处河床覆盖层较薄(厚度约0.25m)，局部区域为裸岩地质，辅助桥梁施工的钢栈桥临时便道、现浇箱梁支架体系、钢箱梁顶推临时墩和塔吊基础利用嵌岩钢管桩为基础，共计605根，嵌岩总长3655m。

本实例针对该大桥地质条件和施工特点，利用大型平板驳作为施工平台，并安装可液压调节的支腿，将驳船改造成为快速移动和稳定安全的水上大型施工平台，并利用独创的护筒自动化快速定位导向系统，进行深水裸岩地质嵌岩钢管桩的快速施工。

具体的，配置水上移动施工平台：

本实例选择55m*14m*1.5m(不含跳板)的平板驳作为水上作业平台的主体部分，选择中联zr220a旋挖钻作为主要钻孔设备；同时，选择quy80履带吊作为主要的起重设备配合施工。

据此配置的当旋挖钻与履带吊同时置于驳船边缘时视为施工中最不利情况。通过受力分析知，当旋挖钻与履带吊同时置于平板驳边缘时，驳船的倾斜角度为5°左右；受该倾斜角度的影响，旋挖钻无法正常工作。

针对该情况，本实例中通过设置液压提升装置，以避免平板驳的倾斜，确保旋挖钻正常工作。

本液压提升装置主要由支腿和液压装置配合构成，该支腿可移动的垂直穿设在平板驳中，其上匀距的设置若干销棒孔，并配合销棒进行支腿固定，由此实现承载旋挖钻及履带吊的重力，以确保平板驳的稳定性；而液压装置相对于支腿固设在水上移动施工平台上，并驱动支腿相对于水上移动施工平台进行提升或沉降。

据此，本实例中，首先在平板驳的四个角处设置液压提升装置。利用4根ф600*20000mm的无缝钢管制作平板驳的支腿，且支腿底部制作成锥形，便于稳固于河床中，并且在5m以上位置每间隔50cm设置一个销棒孔，便于液压装置提升支腿。液压装置优选液压油缸，其设置在支腿上，以驱动支腿。

由此构成的液压提升装置，当驳船定位后，利用支腿自重及液压装置配合，将平板驳支腿置于河床上，用利用销棒进行固定。此时，旋挖钻及履带吊的重力主要由四个支腿承受，并确保了平板驳的稳定性。驳船需移动时，利用液压装置提升支腿，然后进行移动。

为节约成本及方便现场施工，本实例中的平板驳未设置自航功能，同时设置采用锚缆形式的锚碇系统，以便平板驳在施工区域移动和定位。

为此，本实例中的锚碇系统主要包括至少六组锚碇装置，这至少六组锚碇装置分成两组，分别设置在水上移动施工平台的两端。

作为举例，本实例的锚碇系统采用六组锚碇装置20(如图1所示)配合构成，每组锚碇装置由一台5t的卷扬机21、一根直径不低于φ17.5mm的钢丝绳22以及一个7t左右的混凝土锚23配合构成。

具体的如图所示，在平板驳10上焊接6台5t的卷扬机21，这6台5t的卷扬机21每三个一组，对称的分布在平板驳10的两端，每组三个卷扬机21分别沿平板驳10宽度方向呈直线分布。由此设置的每个卷扬机分别通过直径不低于φ17.5mm的钢丝绳22连接一个7t左右的混凝土锚23将驳船拉住。

由此设置的锚碇系统，能够实现在平板驳10的两端分别从三个方向同时对平板驳10进行锚固，保证平板驳10的稳定性。

针对施工区域覆盖层较薄，若采用普通船舶的锚无法有效的锚固在河床上的问题，本实例中采用混凝土锚，以便有效的锚固于河床上。

如图2所示，本实例中混凝土锚23包括中空的柱形锚体23a，以及设置在锚体上的至少两组锚尖23b配合构成，其中中空的柱形锚体23a内填充混凝土，构成实现的混凝土锚；同时至少两组锚尖23b沿柱形锚体延伸方向设置，并依次错开；且每组锚尖中包括至少两个锚尖，这至少两个锚尖沿柱形锚体周向均匀布置。

作为举例，本实例中采用两组锚尖，每组包括两个锚尖23b。这两组锚尖中一组设置在柱形锚体的上部，且该组中的两个锚尖对称分布；另一组设置在柱形锚体的下部，并与上部的锚尖错开90°，且该组中的两个锚尖对称分布。

另外，对于锚尖23b的结构，本实例中优选采用倒“l”形。

由此构成的混凝土锚能够有效的锚固于河床上。

设置自动化快速定位导向系统：

平板驳定位后，仅仅是初步定为，为确保桩基施工的精度，必须设置定位导向架。传统的导向架采用工字钢焊接成#字形或者矩形框，然后将导向架焊接于施工平台上。若采用传统导向架施工将存在以下几点弊端：

(1)导向架焊接及切割工作量大，并对施工平台及导向架造成一定的破坏；

(2)导向架定位困难，定位及固定消耗时间长，导致施工功效低；

(3)定位精度不足，由于导向架固定时坐标数据不能实时读取，导致定位架在固定过程中发生偏移无法及时发现；

(4)传统导向架仅可确定桩基平面位置，无法保证桩基垂直度。

针对传统导向架存在的以上问题，本实例在水上移动施工平台上设置自动化快速定位导向系统。

参见图3和图4，本实例中的自动化快速定位导向系统30主要由轨道31、支撑架32以及导向架33配合构成。

其中，轨道31轨道沿水上移动施工平台的甲板即侧舷设置，实现纵向和横向滑移轨道布置。

支撑架32，其可移动的安置在轨道31上，用于带动导向架33沿轨道31移动。

导向架33，其为快速定位到的主体部件，用于与钻头导向钢护筒40配合进行桩位施工。该导向架33设置在支撑架32上，整体位于水上移动施工平台外侧，并随支撑架沿轨道进行前后左右移动。

本实例中的，导向架33具体为笼式分体结构，由相应的液压装置34驱动实现合拢或张开(分体)，在合拢时中中部形成垂直于水面的导向安置通孔，容导向钢护筒40穿过，使得该导向架既能确定桩基平面位置，又能控制桩基垂直度，同时又方便施工。对于导向架33的尺寸结构根据实际需求而定，以直径800mm钢管嵌岩桩施工为例，优选内长宽高分别为1.5米的导向架。

该笼式分体结构的导向架33主要由对称设置的第一分体部33a与第二分体部33b配合构成，两者相对合拢时，能够组合形成笼式结构的导向架33。

其中第一分体部33a相对于第二分体部33b通过可转动机构设置在支撑架32，并由液压装置驱动绕可转动机构面向或背向第二分体部33b转动；

同时，第二分体部33b相对于第一分体部33a通过可转动机构设置在支撑架32，并由液压装置驱动绕可转动机构面向或背向第一分体部33a转动；

由此设置的第一分体部33a和第二分体部33b分别由各自的液压装置驱动向中转动至垂直位置时，两者正好配合完成合拢形成笼式结构的导向架33，能够容导向钢护筒40穿过。

在此基础上，本实例在导向架33上进一步配置gps装置，以实时读取导向架的坐标，确保导向架的准确度。这里的gps装置优选gps移动终端。

根据上述方案构成的自动化快速定位导向系统30采用纵向和横向滑移轨道，通过滑移轨道可以实现定位架的前后左右移动，配合gps移动终端实现桩基成孔导向架的快速定位，水平偏差＜50mm。同时，在定位导向系统上设置液压固定系统，当桩基成孔导向架完成定位后，利用液压固定系统实现导向架分体，以实现与桩基的分离。

另外，本自动化快速定位导向系统30在具体操作时，采用限位架33及钻头导向钢护筒40配合进行桩位施工(如图4所示)。由于钻头导向钢护筒40仅起导向作用，不用考虑受力，因此可采用壁厚δ1.2cm的薄壁钢护筒，且钢护筒可循环利用，从而基于本系统进行施工可节约大量钢材。

本实例在部署上述自动化快速定位导向系统30时，首先在平板驳的甲板上及侧舷上各设置一条轨道，使导向架能到沿平板驳方向滑移。同时将导向架设置成笼式分体结构，使得导向架既能确定桩基平面位置，又能控制桩基垂直度，并且桩基施工完成后，可通过液压装置，将导向架分体，从而实现与桩基的脱离，避免了焊接与切割作业。为实现导向架的快速定位并提高导向架的精度，在导向架上安装gps，实时读取导向架的坐标，确保导向架的准确度。

根据上述方案将构成深水裸岩地质嵌岩钢管桩的快速施工系统，基于该系统进行桩基施工时，旋挖钻具有施工速度快的特点，在可移动式施工平台制作完成后，确保了施工平台的稳定，在平台上安置旋挖钻，充分发挥桩基成孔速度快的优势。若针对硬度相对较低的泥质粉砂岩施工环境，本工程钢管桩嵌岩5m，旋挖钻成孔大约需要时间45min～60min；而采用冲击钻施工时，成孔需要4天时间，单桩成孔时间大幅度缩短。采用冲击钻每4天成桩1根，而采用旋挖钻施工每天成桩4根，相当于单套设备施工工效提高16倍。

以下结合上述的深水裸岩地质嵌岩钢管桩的快速施工系统，具体说明一下本实例进行深水裸岩地质嵌岩钢管桩的快速施工的过程。

1.采用驳船施工，将驳船的四个角落用定位桩定位到墩位附近，将履带吊和旋挖钻停靠在驳船上，以方便施工。

该步骤中进行驳船定位时，使得驳船长边方向平行于待施工群桩桩位，以实现一点多桩施工；同时通过调节支腿和锚固使得驳船稳定，且驳船抛锚稳定，倾斜度＜1％。

2.通过gps系统确定桩基位置，然后将限位架通过移动轨道移动并固定在该桩基位置上。

在利用船载gps定位系统实现快速导向架定位施工，时间＜30min。

3.将钢护筒顺着限位架内部安插在河床覆盖层至少1米深处(如图4所示)。

该步骤中，钢护筒采用履带吊吊装，振动锤振沉施工；同时护筒偏位允许误差≤50mm，深水区≤80mm，且桩身垂直度≤1％。

4.再次定位复测下钢护筒的安装位置。

5.进行旋挖钻施工，以钢护筒为导向，在钢护筒内采用旋挖钻掘进。

该步骤进行旋挖钻钻孔时，旋挖钻钻孔施工成桩效率≥10分/米；钻进过程中，应慢钻慢拔，以免塌孔；同时做好钻进记录与岩石样品采集；另外在终孔前进行孔深测量，孔底标高比设计标高超深≥50mm。

6.成孔后进行混凝土浇筑，采用导管灌注嵌岩部分水下混凝土。

该步骤进行水下混凝土灌注的施工如下：

①根据设计图纸计算砼理论方量，提前做好砼浇筑计划报搅拌站；

②砼坍落度应控制在160～200mm之间；

③砼浇筑采用导管法施工，施工前应对导管进行水密试验，合格后方可使用；

④根据首灌法要求选用漏斗型号，首灌完成后导管埋深应满足规范要求≥1m；

⑤水下混凝土应一次性浇筑完成，若发生特殊情况，间隔时间不宜超过砼初凝时间。

7.混凝土浇筑完毕后通过gps进行钢管桩定位，并进行钢管桩采用栽桩施工；

该步骤中栽桩工艺进行栽桩施工，即在用gps定位后采用振动锤将钢管桩打入混凝土底部，期间必须保证钢管桩的深度和垂直度。

本栽桩施工在水下砼浇筑完成后应立即进行，最晚不能超过砼初凝时间。另外，本钢管桩施工应进行精确定位，桩偏位允许误差≤300mm，垂直度≤1％。

8.钢管桩栽桩完成后，进行钢护筒拔除。

钢管桩栽桩完成后，采用振动锤将钢护筒拔除；再者，护筒拔除时间不超过砼初凝时间。

9.一次浇筑完成延船舶外边一排桩基后，待到混凝土达到一定强度后拔出钢护筒，船舶移位，进行下一根桩基施工。

具体在护筒拔除后，利用液压系统打开导向架，移船至下一排桩位。

基于上述施工工艺，平均施工工效为4根/天，为此本实例总针对钢管桩共605根，工期仅需5个月，施工功效极高。

另外，本实例提供的方案在实际应用时，还会带来极高的经济效益和社会效益。

经济效益：

按照常规施工方法，嵌岩桩施工需搭设临时钢管桩平台，在钢管桩平台上布置冲击钻进行冲击成孔，按照此工艺需投入16台冲击钻同时作业，方可达到旋挖钻上船的施工效率。

同工期条件下，旋挖钻上船法经济效益主要表现在施工平台的搭设、护筒消耗、机械设备租赁、人工费四个方面。总的经济效益为719.78万元。

社会效益：

(1)施工功效高，工期得到保证。

(2)施工船舶少，航道影响小。

(3)施工作业人员少，安全系数高。

采用搭设临时平台法，平台搭设及拆除时，起重吊装作业多，危险性较大。采用建议施工方法，可移动式作业平台，只需在船厂加工便可，避免了平台的搭设和拆除及交叉作业，安全系数高。

(4)旋挖钻避免造浆，环境污染小。

采用常规冲击钻施工，需采用膨润土造浆，造浆后，混凝土浇筑后，需对泥浆进行处理，对环境造成一定的污染。采用旋挖钻施工，不需造浆和清孔，避免了环境污染。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。