108m打樁船在超長(zhǎng)超重鋼管樁施工中的應(yīng)用

金 曄

（中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引 言

近年以來(lái)，隨著東海大橋、杭州灣大橋、金塘大橋和港珠澳大橋等跨海大橋的成功建設(shè)，我國(guó)在橋梁建設(shè)施工技術(shù)方面已逐步達(dá)到世界先進(jìn)水平；同時(shí)，隨著巴黎氣候協(xié)定的簽訂，各國(guó)對(duì)清潔能源使用和環(huán)保要求的日益提高，海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目逐漸增多。無(wú)論是跨海大橋建設(shè)還是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)，樁基施工都是其中最重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。為了滿(mǎn)足橋梁對(duì)跨距和水深的要求及海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)離岸距離的要求，鋼管樁作為樁基的重要組成形式，正在朝超長(zhǎng)、超重的方向發(fā)展，對(duì)施工設(shè)備的性能和施工工藝提出了更高的要求。

中國(guó)鐵建港航局投資建造的超大型打樁船“鐵建樁01”架高108m，最大可打樁重200t，最大可打樁徑φ3.5m，俯仰角度為±18.5°。該船性能優(yōu)良，已在實(shí)際項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，創(chuàng)造了樁徑φ2.0m、樁長(zhǎng)125m、樁重177t超長(zhǎng)超重鋼管樁的安全沉樁施工紀(jì)錄，得到了業(yè)主的認(rèn)可。

1 工程應(yīng)用

“鐵建樁01”投入使用之后，先后在福建長(zhǎng)樂(lè)H區(qū)測(cè)風(fēng)塔項(xiàng)目和唐山樂(lè)亭菩提島300MW風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的樁基施工中得到應(yīng)用。2個(gè)項(xiàng)目的樁基形式均為鋼管樁群樁（斜樁）承臺(tái)基礎(chǔ)，其中：福建長(zhǎng)樂(lè)H區(qū)測(cè)風(fēng)塔項(xiàng)目遠(yuǎn)離陸地，施工水深達(dá)50m，設(shè)計(jì)的單根鋼管樁樁徑為2.0m，樁長(zhǎng)為125m，上節(jié)樁壁厚36mm，下節(jié)樁壁厚27mm，單樁質(zhì)量達(dá)177t，在樁長(zhǎng)、樁重和水深方面都創(chuàng)造了打樁船施工紀(jì)錄，能滿(mǎn)足該項(xiàng)目沉樁要求的打樁船很少；唐山樂(lè)亭菩提島300MW風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目地處外海，常年風(fēng)高浪急，鋼管樁樁徑為2m，樁長(zhǎng)為80～90m，作業(yè)點(diǎn)風(fēng)向多變，沉樁施工難度很大?！拌F建樁01”憑借其獨(dú)有的架高和吊重優(yōu)勢(shì)，在這2個(gè)項(xiàng)目的超長(zhǎng)超重鋼管樁施工中得到了成功應(yīng)用，充分驗(yàn)證了核心船舶裝備在大型工程建設(shè)中的關(guān)鍵作用。

1.1 施工準(zhǔn)備

為了完成超長(zhǎng)超重鋼管樁沉樁施工任務(wù)，需針對(duì)項(xiàng)目的特點(diǎn)和可能遇到的海況條件進(jìn)行一系列的準(zhǔn)備工作，克服可能出現(xiàn)的各種困難，保證安全、高效地完成沉樁施工任務(wù)。

1.1.1 GPS改造

打樁船作為常規(guī)水工項(xiàng)目中用到的樁基施工船，無(wú)論是對(duì)碼頭樁施工還是對(duì)橋梁樁施工，施工區(qū)域的離岸距離一般都在10km以?xún)?nèi)。由于在海上施工無(wú)法提供固定的測(cè)量控制點(diǎn)和參照物，打樁船一般配備有GPS（Global Positioning System）-RTK（Real Time Kinematic）測(cè)量定位系統(tǒng)，打樁時(shí)GPS接收機(jī)通過(guò)與衛(wèi)星和岸上的基站通信實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，打樁定位精度（平面位置和高程）達(dá)到厘米級(jí)別?！拌F建樁01”的GPS打樁定位系統(tǒng)由3臺(tái)LEICA GS10流動(dòng)站和1臺(tái)LEICA GS10基準(zhǔn)站組成。

福建長(zhǎng)樂(lè)H區(qū)測(cè)風(fēng)塔項(xiàng)目的施工地點(diǎn)位于長(zhǎng)樂(lè)市外海海域，場(chǎng)址區(qū)域中心點(diǎn)距離最近的陸地岸邊約40km，若通過(guò)岸上架設(shè)的基準(zhǔn)站通信，電臺(tái)信號(hào)無(wú)法傳輸?shù)酱驑洞希以诤Ｉ蠠o(wú)法架設(shè)中繼電臺(tái)；同時(shí)，施工現(xiàn)場(chǎng)基本上無(wú)手機(jī)信號(hào)，無(wú)法通過(guò)手機(jī)信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。因此，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海定位功能，需對(duì)原船的GPS進(jìn)行升級(jí)改造。

1) 實(shí)施方案。由于LEICA GS10無(wú)法開(kāi)通SEASTAR遠(yuǎn)海定位功能，在施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)增加1臺(tái)TRIMBLE SPS855流動(dòng)站進(jìn)行定位，并開(kāi)通SEASTAR HP功能；同時(shí)，增加1臺(tái)TRIMBLE SPS461雙天線(xiàn)GPS進(jìn)行定向，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)GPS打樁定位功能（見(jiàn)圖1）。

圖1 打樁船GPS硬件設(shè)備

2) 定位精度。SPS855流動(dòng)站通過(guò)開(kāi)通SEASTAR HP功能進(jìn)行定位，平面精度能達(dá)到10cm，高程精度能達(dá)到15cm；SPS461具有雙天線(xiàn)定向功能，在2臺(tái)天線(xiàn)距離10m的情況下定向精度能達(dá)到0.05°。

綜合以上定位情況，樁中心的單次定位精度在10cm，2次重復(fù)的定位精度在20cm。

樁位校核：SPS855流動(dòng)站配備手簿，可直接測(cè)量樁位的坐標(biāo)。

3) 精度提升。由于GPS定位是依靠1臺(tái)SPS855流動(dòng)站實(shí)現(xiàn)的，有可能因SEASTAR功能的問(wèn)題造成定位精度較差，在條件允許的情況下可考慮增加1臺(tái)SPS855流動(dòng)站進(jìn)行相互校核。

1.1.2 可打性分析

針對(duì)福建長(zhǎng)樂(lè)H區(qū)測(cè)風(fēng)塔項(xiàng)目中用到的樁徑φ2.0m、樁長(zhǎng)125m、樁重177t的超長(zhǎng)超重鋼管樁，需結(jié)合地質(zhì)情況和樁應(yīng)力等進(jìn)行可打性分析，選擇合適的打樁錘。由地質(zhì)資料可知，該項(xiàng)目的地層巖性主要為第四系海積砂、淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土和含礫砂質(zhì)黏性土夾塊石等，標(biāo)貫擊數(shù)較小，沉樁阻力不大，但考慮到水深、樁長(zhǎng)和樁重，需選用大能量的液壓錘。采用IHC公司的軟件（見(jiàn)圖2）對(duì)“鐵建樁01”配備的S600液壓打樁錘進(jìn)行可打性分析，結(jié)果表明其可滿(mǎn)足沉樁施工要求。

圖2 可打性分析軟件

1.1.3 替打設(shè)計(jì)和加工

“鐵建樁01”的S600液壓打樁錘配備有直徑為3.5m的原裝替打（見(jiàn)圖3），適應(yīng)的樁徑范圍很廣，但在2.0m以下鋼管樁的施工時(shí)原裝替打會(huì)顯得較為笨重，且會(huì)增加不必要的吊鉤負(fù)荷。為滿(mǎn)足2個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目中直徑為2.0m的鋼管樁的施工精度要求和套樁對(duì)位便捷性的要求，需對(duì)替打結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新配置。

為此，針對(duì)S600液壓打樁錘替打砧鐵的特殊結(jié)構(gòu)形式，既要保證替打砧鐵的限位和穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求，又要保證2.0m鋼管樁的施工便捷性，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一套過(guò)渡套筒和2.0m接駁替打套筒（見(jiàn)圖4），以替換原裝替打上的3.5m套筒。通過(guò)將過(guò)渡套筒與不同直徑接駁替打相組合，可方便地覆蓋所需鋼管樁的樁徑。為適應(yīng)不同樁徑的使用要求，在過(guò)渡套筒和2.0m套筒筒壁上均布可調(diào)整導(dǎo)向板的插口和固定基座，以非常便捷地對(duì)可打樁徑進(jìn)行調(diào)整，在2.0m樁徑范圍內(nèi)無(wú)須重新加工替打套筒。

圖3 原裝替打砧鐵結(jié)構(gòu)

圖4 過(guò)渡套筒和2.0m替打套筒

1.1.4 抱樁器改造

與替打設(shè)計(jì)的初衷相同，原船3.5m抱樁器具有能施工大直徑鋼管樁的優(yōu)勢(shì)，適用范圍較廣，但在用其施打直徑為2.0m的鋼管樁時(shí)稍顯笨重。對(duì)此，設(shè)計(jì)一種適應(yīng)樁徑φ0.8～φ2.5m的小型分段可調(diào)式液壓抱樁器（見(jiàn)圖5），安裝于樁架0#平臺(tái)（原抱樁器位置）下約6.85m處，與原抱樁器共用液壓系統(tǒng)，在使用時(shí)通過(guò)手動(dòng)換向閥實(shí)現(xiàn)動(dòng)力轉(zhuǎn)換。同時(shí)，在小抱樁器上增設(shè)機(jī)械鎖緊和分段可調(diào)拉桿裝置，確保在斜樁施工過(guò)程中的安全性。

圖5 新增液壓抱樁器加工

1.1.5 加裝提錘架導(dǎo)向和穩(wěn)定裝置

在用S600液壓打樁錘打樁時(shí)要保證樁錘始終坐實(shí)在鋼管樁上，故在打樁時(shí)吊錘絞車(chē)處于隨動(dòng)狀態(tài)，吊錘鋼絲繩滑輪組會(huì)隨著高頻次和高能量的錘擊發(fā)生跳動(dòng)，導(dǎo)致依靠單軸鉸點(diǎn)與樁錘本體連接的提錘架發(fā)生劇烈晃動(dòng)，對(duì)各構(gòu)件造成沖擊。

為了保證提錘架在打樁過(guò)程中的穩(wěn)定性，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一套提錘架導(dǎo)向裝置，并將其與龍口滑道約束連接，以減少跳動(dòng)。但是，由于“鐵建樁01”具有能施工大直徑管樁的優(yōu)勢(shì)，使得提錘架與龍口滑道的水平距離較大，要滿(mǎn)足導(dǎo)向架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，勢(shì)必要增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量，再加上增加滑道約束帶來(lái)的摩擦力，總體上會(huì)給吊錘絞車(chē)增加很大的負(fù)擔(dān)。在實(shí)際使用過(guò)程中，通過(guò)簡(jiǎn)化導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)和減小板材厚度來(lái)削減整體質(zhì)量，導(dǎo)向架在打樁過(guò)程中存在變形和焊縫撕裂現(xiàn)象，不僅使用壽命大幅降低，而且給打樁施工帶來(lái)一定的安全隱患。

要解決該難題，必須從結(jié)構(gòu)形式和原理上著手。對(duì)此，開(kāi)發(fā)一套簡(jiǎn)單實(shí)用的四腳緩沖穩(wěn)定裝置（見(jiàn)圖6），巧妙地滿(mǎn)足提錘架穩(wěn)定和減重的要求，實(shí)際使用效果良好。

1.1.6 吊索具準(zhǔn)備

對(duì)于177t的超重樁來(lái)說(shuō)，吊樁索具的規(guī)格和質(zhì)量都超出常規(guī)，在選用索具時(shí)，要考慮捆樁施工的便捷性，質(zhì)量不宜過(guò)大。通過(guò)對(duì)破斷拉力和安全系數(shù)進(jìn)行校核，吊樁鋼絲繩選用φ80mm規(guī)格，鋁合金壓制琵琶頭，配合使用美標(biāo)85t卸扣和100t單柄滑車(chē)。單個(gè)卸扣自重約75kg，鋼絲繩的質(zhì)量約為26.7kg/m。

圖6 四腳緩沖穩(wěn)定裝置

1.2 沉樁施工過(guò)程

在所有準(zhǔn)備工作就緒之后，對(duì)作業(yè)班組人員進(jìn)行安全技術(shù)培訓(xùn)，進(jìn)入關(guān)鍵的沉樁施工階段。

1.2.1 超長(zhǎng)鋼管樁運(yùn)輸

125m超長(zhǎng)樁的海上運(yùn)輸對(duì)裝運(yùn)碼頭的裝卸能力和運(yùn)輸船舶的運(yùn)輸能力都提出了更高的要求。綜合現(xiàn)有船型，選用一種特殊結(jié)構(gòu)的中空型自航駁船承擔(dān)運(yùn)輸任務(wù)，在剛性允許的范圍內(nèi)，將超長(zhǎng)鋼管樁的兩頭懸挑至舷外（見(jiàn)圖7）。

為了保證超長(zhǎng)鋼管樁在運(yùn)輸和施工期間的安全性，必須在懸挑至舷外的鋼管樁上加裝警示標(biāo)志，避免在夜間與漁船碰撞。

圖7 超長(zhǎng)鋼管樁的船運(yùn)

1.2.2 船舶定位

鋼管樁船運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)之后，運(yùn)樁船靠泊至提前在樁位附近拋錨的定位駁船旁邊，完成運(yùn)樁船定位，為打樁船移船吊樁做好準(zhǔn)備。

1.2.3 超長(zhǎng)超重鋼管樁吊樁

鋼管樁的吊樁主要分為捆樁和起吊立樁進(jìn)龍口2個(gè)過(guò)程。經(jīng)過(guò)幾十年的應(yīng)用實(shí)踐，打樁船已形成一套慣用的吊樁操作流程。但是，對(duì)于125m的超長(zhǎng)樁來(lái)說(shuō)，吊樁過(guò)程中的繩索夾角、入水深度和樁頂空間余量等都與常規(guī)樁型有很大不同，需對(duì)吊樁的各個(gè)細(xì)節(jié)做更細(xì)致的考慮。

首先，從吊耳布置位置來(lái)看，由于樁身較長(zhǎng)，考慮到吊索夾角的影響，要盡可能地對(duì)吊耳的布置進(jìn)行優(yōu)化，既要保證間距不能過(guò)大，又要保證超長(zhǎng)樁在起吊時(shí)的平衡性。吊耳按“4+1”形式布置，樁身一側(cè)布置4個(gè)吊樁點(diǎn)，對(duì)側(cè)布置1個(gè)翻身吊耳。

其次，對(duì)于吊裝177t超重樁的索具來(lái)說(shuō)，其規(guī)格和質(zhì)量都超出常規(guī)，靠傳統(tǒng)的麻繩牽引和人力拉拽的形式系扣相對(duì)比較困難，不僅操作非常吃力，而且存在較大的安全隱患。在超重樁掛索系扣過(guò)程中，主要靠打樁船移位實(shí)現(xiàn)索具對(duì)位，降低船員勞動(dòng)強(qiáng)度，保證作業(yè)安全，但捆樁過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，施工效率比常規(guī)樁型低（見(jiàn)圖8）。

捆樁完成之后，所有船員撤至打樁船上，開(kāi)始起吊鋼管樁（見(jiàn)圖9），同時(shí)將船移至樁位附近，并翻身立樁進(jìn)龍口（見(jiàn)圖10）。

圖8 掛索系扣捆樁

圖9 鋼管樁起吊

圖10 翻身立樁進(jìn)龍口

超長(zhǎng)超重鋼管樁的起吊、翻身和進(jìn)龍口操作要格外謹(jǐn)慎，密切注意鉤頭負(fù)載的變化，保證受力均衡和平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。

1.2.4 鋼管樁定位

鋼管樁進(jìn)龍口之后，立即套樁進(jìn)替打，抱樁器合攏抱緊，對(duì)鋼管樁形成穩(wěn)定的平面位置固定。鋼管樁中心與錘芯位置吻合之后，在打樁定位軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)控下，通過(guò)移船位和樁架俯仰等一系列動(dòng)作來(lái)調(diào)整鋼管樁的平面位置和扭角，完成鋼管樁定位。

對(duì)于超長(zhǎng)超重鋼管來(lái)說(shuō)，在沉樁結(jié)束取下替打時(shí)，因鋼管樁自身傾斜而產(chǎn)生的重力方向上的分量和打樁過(guò)程中累積的彈性變形都會(huì)使樁有輕微下沉，并引起船體姿態(tài)發(fā)生微小改變。因此，在實(shí)際定位時(shí)應(yīng)預(yù)估打樁前后的偏位值，以確定斜樁俯仰角和樁位的提前預(yù)留量。

1.2.5 打樁

定位完成之后開(kāi)始下樁，液壓錘隨同下放。自然下樁到位之后開(kāi)錘，啟錘時(shí)采用重錘輕打，逐步加大打擊能量。在沉樁過(guò)程中，要根據(jù)鉆探地質(zhì)資料做好預(yù)案，及時(shí)應(yīng)對(duì)溜樁等突發(fā)情況，保證施工人員和設(shè)備的安全。沉樁到指定標(biāo)高和貫入度之后，及時(shí)停錘。

首根超長(zhǎng)超重樁沉樁完成之后，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)不足，進(jìn)一步優(yōu)化施工方案，提升后續(xù)樁基施工的效率。

2 結(jié) 語(yǔ)

超長(zhǎng)超重鋼管樁施工時(shí)所處的海況一般都比較惡劣，為確保施工作業(yè)安全可靠，對(duì)船機(jī)設(shè)備的性能和施工工藝的要求較高。中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)建造的108m打樁船“鐵建樁01”在性能指標(biāo)上完全滿(mǎn)足超長(zhǎng)超重鋼管樁的施工要求，但在應(yīng)用中仍要對(duì)設(shè)備的保障能力、工藝組織和應(yīng)急預(yù)案等進(jìn)行詳細(xì)、深入的分析和論證?！拌F建樁01”在超長(zhǎng)超重鋼管樁施工中的成功應(yīng)用充分驗(yàn)證了核心船舶裝備在大型工程建設(shè)中的關(guān)鍵作用。