淺談大直徑鋼管樁沉樁設備改造及施工技術

■楊志文

（福建省港航建設發(fā)展有限公司，福州 350011）

1 工程概況

本工程位于湄洲灣灣內(nèi)南岸的青蘭山與黃干島之間水域，其后方陸域為中化泉州項目青蘭山庫區(qū)。由北向南依次為#1～#4泊位，#1～#4泊位均呈“蝶”形布置，由工作平臺、靠船墩、系纜墩、鋼引橋等組成，總岸線長度為1150m，工作平臺均通過單引橋同后方罐區(qū)連接。

本工程4個泊位結(jié)構(gòu)形式均為高樁梁板結(jié)構(gòu)。

#1泊位：系纜墩采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，基樁采用4根Φ2600mm鉆孔灌注直樁；平臺采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架間距12m，每榀排架采用4根Φ2200mm鉆孔灌注直樁。

#2泊位：系纜墩采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，基樁采用4根Φ2200mm～2600mm鉆孔灌注直樁；平臺采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架間距12m，每榀排架采用3根Φ1800mm嵌巖樁。

#3泊位：系纜墩采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，基樁采用4根Φ2200mm鉆孔灌注直樁；平臺采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架間距12m，每榀排架采用3根Φ1800mm鉆孔灌注直樁。

#4泊位：系纜墩采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，基樁采用4根Φ1800mm鉆孔灌注直樁；平臺采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架間距12m，每榀排架采用3根Φ1800mm鉆孔灌注直樁。

本工程需施打鋼套管總計258根，全部為直樁。其中#1引橋靠根部的④、⑤排架共4根、#2～#4引橋靠根部的⑤排架共6根由于需穿過現(xiàn)有圍堤的拋石層，施工時無法采用打樁船直接施打，擬采用搭設平臺方案，邊沖孔邊跟進鋼套管的方法，陸上用振動錘進行施工，該方法在灌注樁方案里詳細闡述。這里主要介紹打樁船施打鋼套管的工藝。鋼套管的規(guī)格及數(shù)量見表1所示。

施工區(qū)的地質(zhì)情況為：勘探深度內(nèi)揭露的土層自上而下主要為：淤泥、淤泥質(zhì)粘土、中砂混淤泥、中砂、粉質(zhì)粘土、碎石混粘性土、殘積粘性土、砂礫性粘性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖。

表1 鋼套管的規(guī)格及數(shù)量

2 施工工藝

打樁施工工藝流程見圖1：

圖1 打樁施工工藝流程圖

3 設備改造

本工程單樁最重約58t，最長46m，最大樁徑Φ2600mm，根據(jù)現(xiàn)場的水深情況，粵工樁8打樁船樁架高度超過93.5m，打樁長度達80m+水深，粵工樁8最大起吊能力120t，最大施打樁徑Φ2000mm，需改造后方可滿足Φ2600mm樁的施打要求。

3.1 樁中心距離確定及材料選擇

根據(jù)Φ2600mm鋼管樁直徑，考慮到樁錘、替打、背板以及樁錘起落架一整套設備在施工作業(yè)中能較為精確定位，并有利于樁工的解扣作業(yè)，將樁錘、替打以及背板的中心點的縱軸線與樁架龍口外平面的直線距離選為1600mm；因樁錘整體外移，須對樁錘起落架的導向腳相應地加長，為滿足起落架在起落樁錘有足夠的支承強度和剛度，將其導向腳做成衡架鋼結(jié)構(gòu)形式與起落架連接。同時，因樁錘整體外移，樁錘導向腳也相應地被加長；因其懸臂太長，對導向腳的材質(zhì)與加工精度也必須要有較高的要求，其鉗口的材料采用35#鋼優(yōu)質(zhì)鍛件，加工精度須到達6.3級以上；以樁架龍口外平面為基準面，要求樁錘、替打以及背板的中心點在同一縱軸線上，因此，四個樁錘導向腳的制作精度與強度尤為重要，導向腳本體采用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼—錳16鋼，其焊接焊條采用低氫碳鋼焊條—TH427，對焊條直徑、焊接電流以及坡口、焊腳寬度也有較為嚴格的要求；焊接成型后，整體退火處理，以消除焊接應力。此外，替打及背板的導向鉗口均采用35#鋼優(yōu)質(zhì)鍛件，其制作工藝與機械加工精度均有相應嚴格的技術要求；替打承力主板以及替打鋼墊板均采用35#鍛鋼加工成型，保證足夠的強度與剛度，同時也能較好地傳遞樁錘的錘擊能量，以滿足施工要求。

Φ2600mm樁替打 （兼用Φ2200mm樁）如下圖2所示：

Φ2600mm樁背板（兼用Φ2200mm樁）裝配圖如下圖3所示：

圖2 Φ2600mm樁替打（兼用Φ2200mm樁）圖

圖3 Φ2600mm樁背板（兼用Φ2200mm樁）裝配圖

因為本工程須施打直徑為 Φ1200mm、Φ1600mm、Φ1800mm、Φ2200mm以及 Φ2600mm五種規(guī)格的鋼管樁，為減少更換打樁配套設備的頻率，提高施工效率，施打各種規(guī)格的鋼管樁所用的替打、背板以及樁錘導向腳均以其中心點的縱軸線與樁架龍口外平面的直線距離均采用1600mm的基準尺寸制作而成，使施工過程中，施打各種規(guī)格的樁時，都是使用同一套樁錘導向腳和樁錘起落架。此外，為節(jié)約成本，施打直徑為Φ1200mm、Φ1600mm、Φ1800mm三種規(guī)格的樁時，采用同一套替打和背板；施打直徑為Φ2200mm和Φ2600mm的樁時，采用另外一套替打和背板；根據(jù)樁徑的不同，通過調(diào)節(jié)桿來調(diào)節(jié)，配套使用。

3.2 設備改造難點及解決方法

粵工樁8打樁船原來一直采用樁錘起落架的形式來吊重起落樁錘，其優(yōu)點在于：當錘擊樁頂后出現(xiàn)幅度較大的滑樁時，不但可以避免扯斷吊錘鋼絲繩險情的發(fā)生；而且，當施打坡比較大的仰樁時，還可以省卻人工推鋼絲繩的工序，減少人力勞動，提高施工效率。但是此次須施打直徑為Φ2600mm的鋼管樁，其替打本體、替打鋼墊板以及墊替打的鋼絲繩的重量總和近20t，而樁錘本體、樁錘導向腳以及樁錘起落架的重量總和超過41t。如果采用以往樁錘和替打一體吊重的形式來起落樁錘，可能會超出相關配套設備的機械負荷和強度極限。因為樁錘起落架的定滑輪組的轉(zhuǎn)軸直徑為Φ100mm，而且其只有配套兩個滑輪，如果使用該定滑輪組直接吊起重量超過61t的樁錘和替打，加上摩擦系數(shù)，勢必會超出該定滑輪組的強度極限；此外，吊錘卷揚機的額定負載為120kN，如果使用該卷揚機來直接吊重起落樁錘和替打，也已超出了該卷揚機的機械負荷。另外，不僅樁錘提錘檔塊的強度無法滿足同時起落樁錘和替打的重量；而且，如果使用2×150kN雙滾筒卷揚機來同時吊重起落樁錘和替打，就只能使用飛機架的形式來吊重，不僅要專門訂做配套設備，而且吊錘鋼絲繩和吊鉤鋼絲繩在同一平行線上，稍有浪涌，就會造成機械事故。綜合考慮了以上因素，在施打Φ2600mm鋼管樁過程中，決定采用樁錘與替打分開吊重起落的形式來施工作業(yè)，即是120kN卷揚機吊重起落樁錘，而用2×150kN雙滾筒卷揚機來吊重起落替打，以保證施工安全。

4 施工方法

4.1 施工前準備工作

（1）對勘測平面控制網(wǎng)點、水準點和設計圖紙進行必要的交接和復核；

（2）測量沉樁區(qū)泥面標高；

（3）根據(jù)樁位平面布置圖，結(jié)合工程要求和施工條件，布置沉樁順序，并按順序預制加工，安排基樁運輸及沉樁工作。

4.2 拋填袋裝碎石

1#、2#、5#系纜墩樁基在沉樁前拋填袋裝碎石穩(wěn)樁，碎石粒徑不大于80mm，袋裝碎石按設計要求拋填至設計標高。

4.3 拋錨定位

碼頭1#、2#泊位海側(cè)水深在15m以上，施打時樁船定位于海側(cè)，可直接拋錨（頭中纜除外）；碼頭岸側(cè)為淤泥質(zhì)淺灘，沉樁區(qū)域離岸較近，不適于拋錨，需埋設地牛帶纜上岸。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在岸上間隔約每100m設置一個地牛，并用一條50m的鋼絲繩引出來，沉樁需要時直接帶纜到鋼絲繩上，與地牛相連。4#引橋樁基所處位置泥面較高，須趕潮水作業(yè)，利用高潮水進行沉樁施工，低潮時將樁船退出至水深足夠的地方，防止擱淺。樁船吊樁錨位如下圖4所示：

圖4 打樁船錨位示意圖

4.4 沉樁控制

4.4.1 測量控制

（1）平面控制

水上沉樁的平面測量主要采用在打樁船上安裝的GPS打樁定位系統(tǒng)，由GPS進行定位。具體原理如下：

打樁定位的結(jié)果是要測定樁身的位置、方位和傾斜度，由于不能將GPS天線直接安裝在樁身上，因此為實現(xiàn)對樁身的定位和定向，在樁船上安裝三臺GPS（RTK）接收機 （流動站）和一臺傾斜儀以確定船體的位置和姿態(tài)，進而可以確定船體上樁的位置，從而實現(xiàn)對樁的定位和定向。

在儀器安放時首先確定GPS儀器天線的安裝位置。其中的兩臺GPS天線應盡可能與船的縱軸線對稱，兩天線連線的中點O視為樁船的縱軸線所在的垂直平面上。另一方面，船的縱軸線應過替打中心，過替打中心和兩個GPS天線連線的中點構(gòu)成船體三維坐標系統(tǒng)的XOZ平面，坐標軸OX和OZ位于該平面內(nèi)。在船體水平的狀態(tài)下，選定過某點的水平面為船體高程基準面，O點至船體過替打中心線在該平面上的投影可定義為船體三維坐標系的X軸正向，在該平面內(nèi)右轉(zhuǎn)90°為Y軸正向，Z軸垂直向上，構(gòu)成左手坐標系統(tǒng)，即船體三維坐標系統(tǒng)。

另在岸上設測站，用全站儀和經(jīng)緯儀對樁位進行校核。校核方法有兩種：

①全站儀和經(jīng)緯儀前方交會

如圖5所示，分別在兩控制點架設全站儀（經(jīng)緯儀），后視已知點或者已知角度的固定建筑物，設置好控制點到已知點的方位角，然后測量別的控制點進行復核，然后轉(zhuǎn)動儀器到所要放樣的樁位的方位角，應特別注意該方位角對應的是樁位的左側(cè)還是右側(cè)。這樣由兩個控制點按計算角度轉(zhuǎn)動后固定，視線交會即可確定樁位。施工中，樁位難免會有所偏差，測量過程中可根據(jù)觀測到的角度偏差β，注意單位要換算成度，按公式l=2πLβ/360估算樁位在視線切線方向的偏移量l，式中L為樁位中心到測站的距離。

圖5 前方交會法

②全站儀極坐標法

如圖6所示，在控制點架設全站儀，后視已知點或者已知角度的固定建筑物，設置好控制點到已知點的方位角，然后測量別的控制點進行復核，然后轉(zhuǎn)動儀器到所要放樣的樁位的方位角，應特別注意該方位角對應的是樁位的左側(cè)還是右側(cè)。并在棱鏡置于控制點和鋼套管中心的連線上，測量鋼套管外側(cè)到測站的距離L（控制點到樁位中心的距離-鋼套管半徑）。測角和測距相結(jié)合即可確定樁位。極坐標法的誤差主要來源于棱鏡放置誤差，樁位中心和控制點連線的切線方向誤差，可通過轉(zhuǎn)動全站儀到控制點到樁位中心的方位角來克服，而樁位中心和控制點連線方向的誤差，可通過別的方法（通過鋼卷尺量一垂直墻體A到某一點B的距離，棱鏡靠墻A，全站儀架設到點B，測量距離）提前測定。

（2）高程控制

圖6 全站儀極坐標法

高程通過岸上架設水準儀或全站儀進行測量控制。通過觀測樁身的劃樁刻度，以橫絲作為樁頂標高的觀測基準，通過觀測樁身刻劃在橫絲上的讀數(shù)來推求樁頂標高。必要時可通過觀測水面線處的樁身刻度直接計算樁頂標高。

（3）錘擊數(shù)及貫入度的測定

錘擊數(shù)采用人工記錄，記數(shù)人員用計數(shù)器記錄錘擊數(shù)，通過測量樁的貫入深度來計算貫入度。在貫入度大的時候貫入深度一般1m記錄一次，貫入度小的時候可按20cm、10cm記錄一次。

4.4.2 沉樁貫入度的控制

沉樁使用D-160柴油錘施工，鋼管樁沉樁以貫入度控制為主，標高控制為校核。

沉樁停錘控制標準：

因本工程屬于新建港址，地質(zhì)情況復雜，要求樁基進入強風化層一定的深度，且除鋼護樁之外，所有的樁都必須做灌注樁（嵌巖樁）。結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)情況、樁基類型及樁錘性能等情況，且考慮防止鋼套管卷邊，沉樁收錘標準如下：

（1）D160錘二檔控制標準：最后一陣10擊平均貫入度＜10mm/擊可停錘；D160錘一檔控制標準：最后一陣10擊平均貫入度＜8mm/擊可停錘；當貫入度尚未達到設計要求，但樁端標高比設計標高高30cm以內(nèi)即可停錘。

（2）當沉樁過程中貫入度出現(xiàn)異常突變時，應立即停止錘擊，分析原因并將情況匯報給相關單位研究解決。

4.5 沉樁操作流程

沉樁操作流程見圖7。

5 問題及處理方法

5.1 吊環(huán)改吊孔

原設計方案在距樁頂0.207L處焊2個吊環(huán)、距樁尖0.207L處焊1個吊環(huán)作為吊樁之用，如果采用焊接吊環(huán)為吊點，不僅焊接工作量大，也不利于運輸，更麻煩的還是在施打樁過程中，還必須將吊耳割除，影響了施工進度。為此，將吊環(huán)改為樁頂處開4個十字對稱分布直徑80mm的圓孔，孔的邊距樁頂100mm；吊樁時采用35t卸扣卡住圓孔，樁尖位置采用特制的吊鉤卡住樁尖底部，樁立起來后，底部的吊鉤自動脫落，節(jié)省了解扣的時間，加快了施工進度。

圖7 沉樁操作流程圖

吊點布置如下圖8所示：

圖8 吊點布置圖

5.2管內(nèi)氣體排出

本工程鋼管樁樁徑較大，大管徑鋼管樁在錘擊過程中，隨著樁身不斷的下沉，其樁身內(nèi)部的空氣由于錘擊的不斷進行，而無法及時地從四個吊樁孔排出，因而會形成一種顫流氣體產(chǎn)生的反作用力，由此產(chǎn)生的合力反作用于替打上，與錘擊產(chǎn)生的頻率會形成一種共振，對替打和樁錘的破壞力極大。為消除此種危害，項目部決定在距離樁頂150mm處對稱開2個直徑為Φ120mm的透氣孔，以保證鋼管樁內(nèi)氣體順利排出，確保樁錘以及替打的正常使用壽命。

5.3 垂直度控制

本工程大部分樁都需要做灌注樁（嵌巖樁），為避免后期沖孔因樁身傾斜而導致卡錘現(xiàn)象，做好沉樁垂直度控制是非常有必要的。打樁船軸線方向的垂直度可以通過調(diào)整樁架來實現(xiàn)，而打樁船左右方向的垂直度則需要通過調(diào)整壓艙水的方法來實現(xiàn)。最直接有效的方法是，將兩個對稱安裝的主吊鉤盡量松落至水面，調(diào)駁本船壓載水，使兩個主吊鉤相對于龍口的中軸線較為對稱分布，從而確保所施打鋼管樁的垂直度，以滿足施工工藝的要求。

6 結(jié)語

目前水工樁基不斷的朝著樁徑更大，樁長更長的方向發(fā)展，對設備及施工工藝的要求也越來越高，因此，通過對本項目樁基工程的總結(jié)，為以后類似工程積累經(jīng)驗。