超長鋼管樁在海港工程中的應(yīng)用

■黃 彬

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州 350004）

髙樁梁板式碼頭在海港工程中應(yīng)用廣泛，樁基類型主要有預(yù)制混凝土樁、鋼管樁、灌注樁等，樁基長度一般在70m以內(nèi)。福州港羅源灣港區(qū)是福建省重點建設(shè)的港區(qū)之一，港區(qū)具備良好的風(fēng)浪掩護(hù)條件及水深條件，由于灣內(nèi)軟土覆蓋層深厚，普遍采用髙樁碼頭的結(jié)構(gòu)型式，部分碼頭樁基長度大。本文以最大樁長達(dá)96m的福州港可門作業(yè)區(qū)14#泊位工程為例，從工程設(shè)計、試驗樁檢測、施工關(guān)鍵技術(shù)等多方面分析，為碼頭超長鋼管樁的實施應(yīng)用提供技術(shù)支撐。可為類似工程的設(shè)計及施工提供借鑒。

1 工程概況

福州港羅源灣港區(qū)可門作業(yè)區(qū)14#泊位位于福建省羅源灣南岸，為專業(yè)化散貨泊位[1]，主要為后方的華電可門火電廠提供煤炭運(yùn)輸服務(wù)，碼頭長250m，寬32m，水工結(jié)構(gòu)按靠泊10萬噸級散貨船設(shè)計。

由于港區(qū)軟土覆蓋層深厚，合理確定碼頭結(jié)構(gòu)型式成為本工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。結(jié)合地質(zhì)條件、荷載條件、工程造價等因素分析，碼頭采用髙樁梁板式結(jié)構(gòu)、樁基采用超長鋼管樁。

2 主要設(shè)計條件

2.1 設(shè)計水位

設(shè)計高水位+3.04m（高程基準(zhǔn)為1956黃海平均海平面，下同），設(shè)計低水位-3.34m。

2.2 工程地質(zhì)條件

工程場地屬濱海及淺海地貌單元，地表為淤泥所覆蓋，海底地形較平緩，碼頭區(qū)域地面標(biāo)高為-10.3m～-13.1m[2]?？辈靾蟾骘@示碼頭區(qū)范圍自上而下主要土層為：流塑狀淤泥，一般厚度5～8m，標(biāo)貫擊數(shù)1擊；流塑狀淤泥質(zhì)粘土，一般厚度20～32m，標(biāo)貫擊數(shù)3擊；軟塑狀粉質(zhì)粘土、粘土，一般厚度10～15m，標(biāo)貫擊數(shù)5擊；可塑狀粉質(zhì)粘土、粘土，一般厚度17～38m，標(biāo)貫擊數(shù)11擊；硬塑狀粉質(zhì)粘土、粘土，一般厚度18-36m，標(biāo)貫擊數(shù)26擊；此外局部分布有稍密-中密狀砂礫層，厚度較??；下伏基巖為燕山晚期中粗粒-中細(xì)?；◢弾r及其風(fēng)化層。

2.3 荷載條件

設(shè)計荷載主要包括卸船機(jī)荷載、10萬噸級船舶作用力、碼頭面均布荷載、流動機(jī)械荷載等；其中卸船機(jī)（1600t/h橋式抓斗卸船機(jī)）荷載較大，共40個輪，每個支腿10個輪子，最大輪壓（kN/輪）見表1。

表1 卸船機(jī)軌道荷載

3 超長鋼管樁的設(shè)計

3.1 碼頭結(jié)構(gòu)選型

碼頭區(qū)地質(zhì)主要特點為軟土層厚度大（約52～70m）、基巖面埋深大（約64～76m），碼頭宜采用高樁梁板式，砂土狀強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化花崗巖可作為樁基持力層。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖

目前高樁碼頭常用樁型有：預(yù)應(yīng)力鋼筋砼方樁、后張預(yù)應(yīng)力砼大管樁、先張預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)管樁（PHC）、鋼管樁、灌注樁。預(yù)應(yīng)力鋼筋砼方樁承載能力較小，不滿足要求；后張預(yù)應(yīng)力砼大管樁和先張預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)管樁（PHC）承載能力可以達(dá)到要求，但預(yù)制樁每節(jié)最長在50～60m左右，均需接樁，樁基自重在94～100噸，增加了沉樁吊樁的難度，能適應(yīng)的打樁船不多。由于軟土層厚度大，若采用灌注樁鋼護(hù)筒長度大，且無法按斜樁施工，按全直樁設(shè)計則樁身直徑大，造價高?？紤]到碼頭荷載大、樁基長度大且需穿透部分砂礫層，要求樁基承載力高且具有較好的穿透能力，經(jīng)比較設(shè)計選用直徑為1200mm的鋼管樁。

3.2 超長鋼管樁的內(nèi)力計算

（1）樁力計算

該項目各排架間距均勻（間距為10m）、樁基沿橫梁布置相近，橫向排架內(nèi)力采用平面結(jié)構(gòu)計算[3]。采用豐海PJJS排架計算程序進(jìn)行計算，碼頭樁力計算結(jié)果見表2。

表2 碼頭結(jié)構(gòu)樁基計算結(jié)果

（2）單樁軸向極限承載力計算[4]

單樁軸向極限承載力設(shè)計值按《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167-4-2012）第4.2條承載力參數(shù)法進(jìn)行計算，計算式如下：

公式中各參數(shù)含義詳見文獻(xiàn)[4]。

經(jīng)計算典型斷面單樁軸向極限承載力設(shè)計值為8535KN，大于碼頭最大樁力，符合承載力要求。

3.3 鋼管樁尺度設(shè)計

（1）鋼管樁長度

鋼管樁長度主要根據(jù)持力層深度確定，樁尖持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖，碼頭鋼管樁長度為75～96m。

（2）鋼管樁厚度

厚度考慮強(qiáng)度需要并預(yù)留鋼管樁腐蝕余量，經(jīng)計算取上節(jié)壁厚為22mm，上節(jié)長40m，下節(jié)壁厚為20mm。

（3）鋼管樁材料及焊接方法

鋼管樁材料選用Q345B鎮(zhèn)靜鋼，制作采用螺旋焊縫形式，鋼管樁卷制焊接采用自動雙面埋弧焊工藝。所有焊縫均應(yīng)進(jìn)行100%超聲波探傷，超聲波檢查有疑問的位置應(yīng)進(jìn)行射線探傷，確保焊縫質(zhì)量等級符合規(guī)范要求。

（4）吊點設(shè)計

鋼管樁采用二點吊工藝，考慮預(yù)留長度，最長樁基長度按98m，根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》（JTS 167-4-2012）附錄F.0.1,水平吊運(yùn)和吊立時彎矩分別按下式計算：

水平吊運(yùn)：M=0.0215αγqL2吊立過程：M=0.0250αγqL2水平吊運(yùn)和吊立過程中動力系數(shù)a分別取1.3及1.1，經(jīng)計算吊運(yùn)過程最大彎矩為2058kN·m。

按 《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS152-2012）[5]第4.3.6.1條驗算抗彎強(qiáng)度：

經(jīng)計算抗彎強(qiáng)度76MPa＜295 MPa，符合吊運(yùn)強(qiáng)度要求。

3.4 耐久性設(shè)計

耐久性按照50年使用期的要求設(shè)計，鋼管樁采用犧牲陽極陰極保護(hù)與涂層的聯(lián)合防腐蝕措施。鋼管樁防腐蝕范圍劃分浪濺區(qū)段（含大氣區(qū)和水位變動區(qū)）、水下區(qū)段和泥下區(qū)段。

防腐蝕設(shè)計范圍需考慮施工、地質(zhì)等不利因素，適當(dāng)留有富裕長度，具體防腐蝕范圍劃分見圖2。

圖2 碼頭樁身防腐涂層位置示意圖

鋼管樁在預(yù)留4mm腐蝕裕量的前提下，輔以其它必要的防腐蝕措施以保證鋼管的設(shè)計使用年限，防腐蝕主要措施如下：

（1）涂層保護(hù)

涂層保護(hù)范圍為：浪濺區(qū)段+水下區(qū)段。

除銹應(yīng)達(dá)Sa2.5級，采用設(shè)計使用年限達(dá)25年的厚漿型環(huán)氧玻璃鱗片組合方案（底層：富鋅漆，75μm；中間層：環(huán)氧玻璃鱗片涂料，350μm；面層：厚漿型環(huán)氧玻璃鱗片涂料，700μm），總膜厚＞1125um。

（2）犧牲陽極陰極保護(hù)

犧牲陽極陰極保護(hù)范圍為：水下區(qū)段。

水下區(qū)段采用犧牲陽極陰極保護(hù)與涂層聯(lián)合防腐蝕措施，犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計使用年限為25年，達(dá)到設(shè)計使用年限或損壞應(yīng)及時更新和修復(fù)。

4 試樁檢測

該項目樁基長度大，超過了大部分高樁碼頭，且需穿透的覆蓋層厚，以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為持力層，施工難度大，需先進(jìn)行試樁，并進(jìn)行高應(yīng)變動力檢測。該項目碼頭樁基共246根，選取7根進(jìn)行試打并作基樁高應(yīng)變動力檢測。

試樁檢測主要結(jié)果匯總見表3。

經(jīng)試樁驗證，各樁基均能順利沉樁，樁身完整性、單樁垂直極限承載力均滿足設(shè)計要求。

表3 試樁檢測主要結(jié)果匯總

5 超長鋼管樁施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 確定合理的打樁順序

該項目碼頭排架間距為10m，布置有斜樁及縱向叉樁，鋼管樁長度大、基樁在平面或立面上間距較小，且存在較多相互交叉施工影響，確保順利沉樁是施工關(guān)鍵技術(shù)之一。

設(shè)計時充分考慮打樁的可行性及空間上是否會交叉碰樁，施工前先做好施工組織，利用打樁船的準(zhǔn)確參數(shù)在CAD里繪制出船型，采用圖上模擬對位，逐根驗證樁基平面扭角的施工可行性，及方駁喂樁的位置。通過詳細(xì)核驗，制定詳細(xì)規(guī)劃沉樁順序，確保各根樁按順序順利施打。

5.2 鋼管樁制作及運(yùn)輸

根據(jù)安排好的沉樁順序，由廠家按照施打的先后順序進(jìn)行制樁。為確保樁基質(zhì)量，超長鋼管樁按照“整樁制作、整樁運(yùn)輸、整樁施打”的要求進(jìn)行制作及運(yùn)輸，避免現(xiàn)場進(jìn)行二次對接。所有鋼管樁全部采用螺旋焊縫鋼管，鋼板材質(zhì)均采用Q345B鎮(zhèn)靜鋼，樁身防腐在廠家完成，鋼管樁制作完成并通過各項驗收合格后由專用碼頭吊樁裝駁。采用2,500t駁船從制樁廠家運(yùn)到施工現(xiàn)場。

5.3 鋼管樁防腐涂層的保護(hù)

鋼管樁防腐涂層的保護(hù)也是施工過程中需注意的重點問題，該項目主要采取了以下措施：

（1）為避免防腐涂層在運(yùn)輸過程中與樁身固定鋼絲繩摩擦造成防腐涂層脫落，采用土工布包裹鋼絲繩（見圖 3）；

圖3 樁身防腐涂層保護(hù)

（2）在上層鋼管樁裝船時，要求吊樁安放時對準(zhǔn)下層樁縫隙準(zhǔn)確輕放，避免上層樁吊耳對下層樁防腐涂層造成刮蹭磨損；

（3）打樁船抱樁器與鋼管樁接觸部位采用滑動導(dǎo)向輪；安排專人全程跟蹤檢查樁身防腐涂層，發(fā)現(xiàn)磨損部位要及時補(bǔ)刷。

上述措施最大程度降低了樁身防腐涂層的摩損，保證了防腐涂層的質(zhì)量。

5.4 打樁設(shè)備選型

超長樁型對施工設(shè)備的要求高，根據(jù)施工需要選定主要施工船舶，配備如表4所示：

表4 鋼管樁沉樁主要船機(jī)配備

5.5 吊樁及沉樁

由于樁長大，部分超過運(yùn)樁船甲板面長度，起吊時，需先吊起船頭這一端后再將船尾懸空的一端吊起，以防樁端橫移撞擊船頭建筑物。吊樁完畢，移船至擬施打位置后，樁船收緊各錨纜，隨后再進(jìn)行精確測量定位。沉樁測量定位采用“雙控”方式，即GPS定位，全站儀復(fù)核，確認(rèn)定位準(zhǔn)確后，開始下樁。

下樁過程中注意觀察樁錘、替打和樁是否在同一軸線上，且需不斷帶緊樁船錨纜，通過帶緊錨纜對樁錘中心線進(jìn)行微調(diào)。樁錘采用D138，在錘擊沉樁過程中注意觀測貫入度，等樁穿過淤泥層或黏土層后再加大錘擊能量。

圖4 打樁船及打樁錘

沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)為：沉樁時樁尖應(yīng)進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖或中風(fēng)化花崗巖，沉樁以貫入度控制，樁頂設(shè)計高程作為校核。沉樁控制貫入度要求，最后一陣錘擊平均貫入度≤3mm，若樁端未達(dá)到設(shè)計標(biāo)高時，應(yīng)繼續(xù)錘擊貫入100mm或錘擊50擊，其平均貫入度不應(yīng)大于控制貫入度。

通過精心組織、并進(jìn)行紙上推演，規(guī)劃布置出最合理的沉樁順序及工作安排，該項目用4個月時間順利完成了碼頭全部鋼管樁的施工。

6 結(jié)語

（1）針對軟土覆蓋層深厚，巖面埋深大，樁身超長的髙樁碼頭，采用鋼管樁結(jié)構(gòu)是合適的，可以滿足樁基承載力及穿透深厚土層的要求。

（2）由于鋼管樁超長，設(shè)計需充分考慮鋼管樁制作、施工因素，為確保樁基質(zhì)量，應(yīng)按照“整樁制作、整樁運(yùn)輸、整樁施打”的要求進(jìn)行鋼管裝制作及運(yùn)輸、施打。

（3）應(yīng)通過試樁確定超長鋼管樁施打技術(shù)方案、沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)等主要技術(shù)參數(shù)，并驗證樁基承載力是否滿足設(shè)計要求。

（4）為確保鋼管樁耐久性，可采用犧牲陽極陰極保護(hù)與涂層的聯(lián)合防腐蝕措施，樁身防腐應(yīng)在廠家完成，運(yùn)樁、吊樁、打樁過程中應(yīng)采取有效措施保護(hù)防腐涂層。

[1]福建省交通規(guī)劃設(shè)計院.福州港羅源灣港區(qū)可門作業(yè)區(qū)14＃泊位工程施工圖設(shè)計文件[R].福建：福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，2014.

[2]福建省交通規(guī)劃設(shè)計院.福州港羅源灣港區(qū)可門作業(yè)區(qū)14＃泊位巖土工程勘察報告[R].福建：福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，2013.

[3]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.JTS 167-1-2010，髙樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2010.

[4]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.JTS 167-4-2012，港口工程樁基規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2012.

[5]中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計院有限公司.JTS 152-2012，水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2012.