海上高樁承臺基礎(chǔ)斜樁吊打新工藝

劉鳳松，丁文智，陳強(qiáng)，趙雨來

（1.天津港（集團(tuán)）有限公司，天津　300461；2.天津港航工程有限公司，天津　300457）

海上高樁承臺基礎(chǔ)斜樁吊打新工藝

劉鳳松1，丁文智2，陳強(qiáng)2，趙雨來2

（1.天津港（集團(tuán)）有限公司，天津300461；2.天津港航工程有限公司，天津300457）

為了推動高樁承臺基礎(chǔ)在海上風(fēng)電工程的應(yīng)用，克服傳統(tǒng)打樁船施工移船駐位次數(shù)多，受風(fēng)浪影響大的不足，文中提出了海上高樁承臺基礎(chǔ)斜樁吊打新工藝。研究了振動錘沉樁設(shè)備，設(shè)計(jì)了定位樁與限位導(dǎo)架，分析了施工關(guān)鍵技術(shù)，并在天津大神堂淺海活牡蠣礁獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)項(xiàng)目——海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺建設(shè)項(xiàng)目中應(yīng)用成功。工程實(shí)踐表明，該工藝具有施工速度快，沉樁質(zhì)量高，施工費(fèi)用低的特點(diǎn)。

高樁承臺基礎(chǔ)；振動錘；吊打；斜樁；工藝

0　引言

高樁承臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是在群樁基礎(chǔ)上后澆混凝土承臺形成的一種水工結(jié)構(gòu)，基樁多采用斜樁，具有承載力高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在碼頭、海上風(fēng)電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。特別是在海上風(fēng)電領(lǐng)域，采用多根斜樁抵抗風(fēng)機(jī)水平荷載，受力最為合理，是比較經(jīng)濟(jì)合理的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式。但是，高樁承臺基礎(chǔ)傳統(tǒng)工藝都是采用打樁船進(jìn)行施工，由于海上風(fēng)電均處于離岸較遠(yuǎn)的外海，施工無掩護(hù)，風(fēng)高浪急，作業(yè)海況惡劣，導(dǎo)致打樁船可作業(yè)時(shí)間非常少，施工效率極低，且打樁時(shí)容易損壞打樁架或者鋼樁，發(fā)生事故，制約了高樁承臺基礎(chǔ)在海上風(fēng)電領(lǐng)域的推廣使用。在天津大神堂淺海活牡蠣礁獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)項(xiàng)目——海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺建設(shè)項(xiàng)目中，首次采用起重船吊振動錘振沉鋼管樁施工工藝，開發(fā)出了高樁承臺基礎(chǔ)斜樁吊打施工技術(shù)，為推動高樁承臺基礎(chǔ)在海上風(fēng)電的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1　工程概況

天津大神堂淺?；钅迪牻釜?dú)特生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)項(xiàng)目——海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺建設(shè)項(xiàng)目位于大神堂牡蠣礁海洋特別保護(hù)區(qū)南端，中心漁港防波堤西南方向，距中心漁港防波堤堤頭4 km，垂直漁港航道距離2 km。工程采用高樁承臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，8根φ1 000 mm斜樁斜度為4：1。鋼管樁壁厚26～28mm，樁頂標(biāo)高+5.7 m，樁底標(biāo)高-42m，樁長49.5m。單樁重22.7 t。見圖1。

圖1 高樁承臺基礎(chǔ)Fig.1　High-rise pile cap foundation

2　斜樁吊打施工工藝

斜樁吊打工藝如圖2所示，采用專門設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式打樁導(dǎo)架，由起重船或方駁吊機(jī)組吊打樁錘沉樁，可實(shí)現(xiàn)船舶一次駐位施打全部鋼管樁，具有施工速度快、打樁精度高、施工安全等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合高樁承臺基礎(chǔ)群樁施工。施工時(shí)，首次在群樁基礎(chǔ)中心施打一根定位樁，然后安裝旋轉(zhuǎn)式打樁導(dǎo)架進(jìn)行沉樁。旋轉(zhuǎn)式打樁導(dǎo)架具有伸縮和旋轉(zhuǎn)功能，可根據(jù)施打斜樁的斜度和樁位進(jìn)行調(diào)整，打樁完成，拆除導(dǎo)架，采用振動錘拔出定位樁。

3　關(guān)鍵設(shè)備選擇與導(dǎo)向架設(shè)計(jì)

3.1振動錘選型

振動錘沉樁的原理是通過成對的偏心塊旋轉(zhuǎn)，在橫向力相互抵消，僅上下力存在的情況下，產(chǎn)生上下振動，利用夾樁器夾住樁，使樁產(chǎn)生沿樁身方向的運(yùn)動，將振動荷載通過樁身傳遞到樁尖土層，使土體發(fā)生液化（砂土）或被剪切（黏性土），阻力減小，利用錘和樁的自重實(shí)現(xiàn)沉樁施工[2]。

根據(jù)日本建機(jī)調(diào)查株式會社[3]的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，選擇沉樁振動錘必須滿足以下三個條件：1）振動錘實(shí)際振幅大于臨界振幅；2）激振力大于動側(cè)阻力；3）沉樁設(shè)備及樁總重量大于動端阻力。

對本工程中樁的可打性進(jìn)行分析[4]，選用上海振中600 kW電動振動錘EP800進(jìn)行沉樁施工。該錘最大激振力為350 t，能夠滿足施工要求。振動錘參數(shù)如表1所示。

3.2導(dǎo)向架設(shè)計(jì)

圖2 斜樁吊打示意圖Fig.2　Schematic diagram of lifting and d riving ofinclined pile

表1 振動錘參數(shù)Table1　Vibratory hammer parameters

為了配合斜樁吊打工藝的實(shí)施，設(shè)計(jì)了用于輔助打樁的限位導(dǎo)架[5-6]。限位導(dǎo)架分為上、下兩層，利用上下兩層導(dǎo)架外伸距離的不同確定基樁的斜度。通過手拉葫蘆可實(shí)現(xiàn)限位導(dǎo)架的伸出和收回，操作十分簡便。同時(shí)限位導(dǎo)架具有旋轉(zhuǎn)功能，根據(jù)基樁的位置在定位樁法蘭盤上預(yù)留螺栓孔，采用方駁吊機(jī)組或起重船配合纜繩可將限位導(dǎo)架旋轉(zhuǎn)到預(yù)定樁位。

考慮到本工程施工水位為+2.5 m，為了獲得更多的施工時(shí)間，下層限位導(dǎo)架標(biāo)高定為+3.0 m，同時(shí)上層限位導(dǎo)架標(biāo)高定為+9.0 m。這樣，施工時(shí)的基樁與上層限位導(dǎo)架距離為0.939m，當(dāng)振動錘通過上層限位導(dǎo)架沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，上層限位導(dǎo)架與振動錘的間距僅為0.32 m，詳見圖3。上層限位導(dǎo)架的標(biāo)高受到限制。

圖3　振動錘與上層導(dǎo)架間距Fig.3　Spacing of vibratory hamm er w ith the upper guide

3.3定位樁

定位樁上設(shè)置上下2層法蘭盤，法蘭盤根據(jù)樁位布置預(yù)留螺栓孔，采用螺栓與限位導(dǎo)架連接。沉樁過程中，定位樁承受上、下層限位導(dǎo)架傳遞的水平荷載，因此要求定位樁應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度和剛度。定位樁參數(shù)如表2所示。

表2 定位樁參數(shù)Table2　Spud parameters

4　施工技術(shù)

4.1測量定位

本工程基樁的定位確定是由定位樁的平面位置和限位導(dǎo)架的伸縮機(jī)構(gòu)的外伸長度所決定的。限位導(dǎo)架伸縮機(jī)構(gòu)的外伸長度在施工開始前已根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙核實(shí)并計(jì)算完畢。

定位樁測量定位直接采用GPS在船舷側(cè)進(jìn)行放點(diǎn)定位。起吊定位樁至預(yù)定樁位后直接沉樁，沉樁中采用2臺經(jīng)緯儀直角交匯對樁的垂直度進(jìn)行控制。

4.2定位樁沉樁

定位樁的沉樁質(zhì)量決定了全部基樁的位置，因此定位樁沉樁是施工中的重點(diǎn)。定位樁采用振動錘振沉，沉樁過程中保證鉤頭的帶力大于振動錘的自重，鋼管樁的垂直度就可以得到保證。

4.3限位導(dǎo)架安裝

在定位樁沉樁完成后，在潮水低于定位樁下層法蘭盤時(shí)進(jìn)行導(dǎo)架的安裝。用方駁吊機(jī)組將導(dǎo)架吊起，在定位樁法蘭盤頂3 cm穩(wěn)住導(dǎo)向架，通過纜繩調(diào)整限位導(dǎo)架的方向，當(dāng)導(dǎo)向架固定結(jié)構(gòu)上的限位孔與法蘭盤上的限位孔重合時(shí)，用限位銷將導(dǎo)架與法蘭盤連接，然后用18個M36螺栓將導(dǎo)向架與法蘭連接牢固。螺栓的擰緊順序是先擰緊施工位置相反側(cè)的螺栓，且是從中間向兩邊擰緊；然后再擰緊施工樁位側(cè)的螺栓，同樣是從中間向兩邊擰緊。導(dǎo)架安裝見圖4。

圖4　導(dǎo)架安裝Fig.4　Installation ofguides

4.4吊樁立樁

鋼管樁的起吊采用兩點(diǎn)起吊。在鋼管樁頂端切割2個對稱的吊孔作為上吊點(diǎn)，下吊點(diǎn)采用吊耳，并保證2個吊孔布置方向的連線與下吊耳所在樁身軸線垂直。并在上吊點(diǎn)處焊接門架，通過纜繩解除上吊點(diǎn)處的卸扣。鋼管樁立樁采用起重船的2個主鉤。

立樁完成后，移動起重船將鋼管樁吊入穩(wěn)樁架，然后用捯鏈將鋼管樁與穩(wěn)樁架固定。穩(wěn)樁架高15m，考慮到鋼管樁自沉10 m，鋼管樁重心位于固定捯鏈下方，鋼管樁連接可靠。連接時(shí)應(yīng)注意不要太緊，應(yīng)使鋼管樁能夠自由晃動。

4.5吊錘夾樁

將振動錘吊離穩(wěn)錘架，然后調(diào)整起重船扒桿的幅度以滿足吊高的要求，緩慢起鉤直至振動錘夾具下端距鋼管樁頂15～20 cm。達(dá)到高度后，先將夾具的前段導(dǎo)向?qū)?zhǔn)樁頂，下放鉤頭，使鋼管樁樁頂全部進(jìn)入夾具。在吊錘過程中，方駁吊機(jī)組要配合起吊振動錘的電纜來調(diào)整振動錘的夾樁方向。

4.6調(diào)整斜度

夾具夾緊鋼管樁后，將自沉的鋼管樁拔出。鋼管樁拔出后，將其吊入下層限位導(dǎo)架的微調(diào)結(jié)構(gòu)，使其與微調(diào)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)導(dǎo)向輪接觸，此時(shí)，應(yīng)保持鋼管樁未入泥。然后趴桿，使鋼管樁傾斜，過程中要注意觀察鋼管樁是否入泥。如果入泥，在趴桿的同時(shí)要提升鉤頭，始終要保持鋼管樁樁底未入泥。

4.7錘擊沉樁

斜樁吊打的關(guān)鍵就是鉤頭的帶力控制。帶力過小，易造成鋼管樁變形過大，同時(shí)與龍口接觸位置的鋼管樁易被壓癟。限位導(dǎo)架承受的荷載較大，易發(fā)生較大振動；帶力過大，易改變鋼管樁的斜度，使鋼管樁的傾斜度不符合設(shè)計(jì)要求。隨著入泥深度的不斷增加，鉤頭要緩慢下放，同時(shí)要時(shí)刻觀察鋼管樁與導(dǎo)向架的接觸情況，當(dāng)導(dǎo)向架有振動時(shí)，要增大扒桿的幅度。整個沉樁過程就是“顛鉤抬桿”，始終保持鉤頭具有足夠的帶力，見圖5。

圖5 沉樁施工Fig.5　Piling construction

4.8拔出定位樁

全部基樁施工完畢后，將限位導(dǎo)架吊放在方駁上，起重船起吊振動錘，將定位樁夾緊。為了確保能夠順利將定位樁拔出，先開啟振動錘振動5 min，然后放松鉤頭，使定位樁繼續(xù)下沉10 cm左右，再提升鉤頭拔樁。拔樁初期要注意鉤頭的帶力情況和起重船船頭吃水情況，當(dāng)鉤頭帶力達(dá)到鉤頭額定帶力的80%，且船頭吃水較深，應(yīng)先停止提升鉤頭，使船頭慢慢恢復(fù)，然后再提升鉤頭完成拔樁。定位樁拔出后吊入穩(wěn)樁架，起重船放下振動錘連接鋼絲繩鎖扣，重新連接定位樁上下吊點(diǎn)，將定位樁平放在方駁上，見圖6。

4.9實(shí)施效果

圖6 定位樁拔出Fig.6　Evulsion of spud

本工程的沉樁總工期為23 d，除去大風(fēng)天氣8 d，平均沉樁時(shí)間需要2 d。其中調(diào)整限位導(dǎo)架需要1 d，沉樁需要1 d。僅有第8根斜樁沉樁耗時(shí)1 d。原因在于第7根斜樁沉樁完畢后，水位處于低潮位，及時(shí)對限位導(dǎo)架進(jìn)行了調(diào)整，僅用1 d時(shí)間完成沉樁。

沉樁結(jié)束后，對8根斜樁的樁頂偏移進(jìn)行測量，鋼管樁的樁頂偏差情況如表3所示?？梢钥闯?，外海作業(yè)條件下，采用起重船吊振動錘進(jìn)行斜樁吊打沉樁施工，鋼管樁的樁頂偏差滿足施工驗(yàn)收規(guī)范的要求。

表3　單樁沉樁時(shí)間及偏位統(tǒng)計(jì)表Table3　Statisticsof the timeand position deviation of single p ile driving

對工藝中各個工序花費(fèi)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出各個工藝的平均耗時(shí)如表4所示。

從表4中可以看出，整個沉樁的時(shí)間為234 min（不包括調(diào)整導(dǎo)架）。打樁過程中，吊錘夾樁的耗時(shí)主要取決于起重船的卷揚(yáng)機(jī)速度。本工程施工沉樁過程中發(fā)電機(jī)過熱，需停錘待發(fā)電機(jī)冷卻，故錘擊沉樁的時(shí)間有些長。導(dǎo)架調(diào)整需要150min。導(dǎo)架的調(diào)整時(shí)間過長，制約了斜樁吊打的施工效率。

表4　各工序耗時(shí)統(tǒng)計(jì)情況Tab le4　Time statisticsofeach step

5　結(jié)語

通過大神堂海上監(jiān)視監(jiān)測項(xiàng)目的順利實(shí)施，證實(shí)了海上高樁承臺基礎(chǔ)斜樁吊打技術(shù)是可行的，同時(shí)規(guī)劃出施工操作的質(zhì)量控制點(diǎn)，總結(jié)出一套施工效率高、質(zhì)量好的斜樁吊打工藝，為今后施工同類項(xiàng)目打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，推動了高樁承臺基礎(chǔ)在外海深水區(qū)域的應(yīng)用。

[1] 史佩棟.樁基工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2008. SHI Pei-dong.Pile and pile foundation handbook[M].Beijing:China Communications Pres,2008.

[2]劉寶和，邊強(qiáng)，袁孟全.振動沉樁錘的選型及應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，2008（3）：38-41. LIU Bao-he,BIAN Qiang,YUAN Meng-quan.Selection and application of vibratory piling hammers[J].China Harbour Engineering,2008(3)：38-41.

[3] 王胤.振動打樁機(jī)下沉鋼管樁實(shí)用計(jì)算方法[J].河港工程，1996（3）：11-22. WANG Yin.Practical calculation method of steel piles drivability by vibratory hammer[J].River and Harbor Engineering,1996(3): 11-22.

[4]陳福全，雷金山，汪金衛(wèi).高頻液壓振動錘沉樁的打入性狀分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，6（1）：41-46. CHEN FU-quan,LEI Jin-shan,WANG Jin-wei.Penetration behavior due to vibratory pile driving using the high frequency hydraulic vibratory hammer[J].Journal of Railway Science and Engineering,2009,6(1):41-46.

[5]張連江，孫建波，徐波.移動導(dǎo)向架高精度沉樁技術(shù)在外海橋梁工程中的應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（6）：46-50. ZHANG Lian-jiang,SUN Jian-bo,XU Bo.Application ofmoving guide frame method for high precision pile-sinking in offshore bridge engineering[J].China Harbour Engineering,2015,35(6): 46-50.

[6]張鐵軍，徐波，史虎彬.固定導(dǎo)向架高精度沉樁技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，2016，36（1）：59-62. ZHANG Tie-jun,XU Bo,SHIHu-bin.Developmentand application of high precision sinking pile technology of fixed guide frame [J].ChinaHarbourEngineering,2016,36(1):59-62.

New technology for lifting and driving of inclined pile in high-rise pile cap foundation of offshore

LIU Feng-song1,DINGWen-zhi2,CHENQiang2,ZHAOYu-lai2
（1.Tianjin Port(Group)Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.Tianjin Port&Channel Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300457,China）

In order to promote the application ofhigh-rise pile cap foundation in offshorewind power project,to overcome the shortage of traditional pile driving barge construction such as the large number ofbarge shift and the large impact ofwaves,we put forward new technology of lifting and driving of inclined pile in offshore elevated pile cap foundation.We studied the vibratory hammer equipment,designed the spud and limiting guide,analyzed the key construction technologiesand successfully used in shallow live oysters reefuniqueecosystem protection and restoration projects ocean in Dashentang of Tianjin，which is a surveillancemonitoring platform construction project.Engineering practice shows,this process has the characteristics of fast construction speed,high pile quality and low construction cost.

high-rise pile cap foundation;vibratory hammer;lifting and driving;inclined pile;technology

U655.4

B

2095-7874（2016）10-0060-05

10.7640/zggw js201610014

2016-07-29

2016-09-06

劉鳳松（1974— ），男，天津市人，碩士研究生，高級工程師，水利工程專業(yè)。E-mail：13802009767@163.com