海上鋼管樁樁頭割除鋼平臺設計及應用

朱文功 徐為

(中國鐵建港航局集團有限公司第二工程分公司 浙江寧波 315000)

1 引言

隨著我國航運業(yè)的發(fā)展，沿海碼頭選址越來越向離岸化、深水化、開敞化發(fā)展，高樁碼頭主要采用受力性能較優(yōu)的鋼管樁。由于地質勘查孔無法全覆蓋各排架樁位處，在樁基設計時，出于安全性的考慮，部分樁基持力層標高選定會偏低，導致鋼管樁在沉樁過程中容易出現(xiàn)提前到達持力層的情況，從而使鋼管樁樁頂標高的實際值會比設計值偏大較多。高樁碼頭絕大多數鋼管樁為斜樁，直樁占比很少，當斜樁樁頂超出設計標高時，會大大增加沉樁交叉施工影響，很容易阻礙打樁船進行后續(xù)鋼管樁沉樁[1]。為避免單根樁受外力作用時發(fā)生傾斜，水上沉樁后需及時進行夾樁[2]。但在工程施工中，施工單位很少主動、及時地采取專用的夾樁措施，基本上是以下橫梁施工底模的支撐加上必要的縱向連接來作為夾樁措施[3]。這樣會造成鋼管樁在沉樁與夾樁這兩道工序之間存在較長的時間間隔，樁頂超高較多會增加單樁的自由擾度，大大降低其穩(wěn)定性，單根鋼管樁在沒有依靠的情況下容易受強風、大浪和急流影響而發(fā)生偏位。因此，在沉樁完成后需要及時對鋼管樁超高部分進行割除，才能有效降低對沉樁施工進度和樁位偏差的影響。

本文依托舟山市某高樁碼頭工程，設計了一款割樁鋼平臺，使鋼管樁樁頭割除方案施工效率高、安全性高。

2 工程背景

舟山市某高樁碼頭工程由西向東布置6個5萬噸級和1個10萬噸級泊位。碼頭總長2 175 m，共分為三段，其中東段為1 190 m連片式碼頭，寬度24 m；西段為620 m連片式碼頭，寬度29 m；外加365 m蝶形碼頭一座，由工作平臺、系纜墩、支引橋等組成。該工程鋼管樁共有1 925根，直徑有1.1 m、1.2 m和1.4 m三種。

該工程體量屬國內單項高樁碼頭之最，施工工期僅為9個月，施工進度壓力大，進度管控的關鍵在于1 925根鋼管樁的沉樁施工。為此項目部擬投入4艘打樁船，安排4個沉樁作業(yè)區(qū)域同時施工，待樁基施工到一定程度后有序開展下橫梁現(xiàn)澆、梁板安裝等后續(xù)分項工程，形成多條流水作業(yè)線。

該工程所處地質條件較為復雜，水下岸坡坡度大部分達到20°以上，局部區(qū)域海床面高差起伏大，覆蓋層不均[4]。在施工技術方案策劃階段，項目部預測在鋼管樁沉樁過程中會出現(xiàn)部分鋼管樁超高的情況。該工程鋼管樁共1 925根，若出現(xiàn)超高情況而不能及時處理的話，將大大影響碼頭整體施工進度。該工程所在水域海況較為惡劣，海上割樁頭易受急流和風浪影響，在此種環(huán)境下，需要制定施工效率高、安全性高的鋼管樁樁頭割除方案，才能有效保證施工進度達到預期要求。

3 割樁鋼平臺設計

3.1 設計思路

海上鋼管樁樁頭割除需要操作平臺，常規(guī)的操作平臺主要有以下3種形式：(1)直接以施工船舶作為操作平臺，需要候高潮，受潮汐、風浪和急流影響較大；(2)以橫梁施工底模作為操作平臺，需要等待時間較長，受橫梁施工進度影響較大；(3)以普通吊籃作為操作平臺，作業(yè)時起重船將吊籃懸吊在空中，當起重船受風浪和急流影響發(fā)生晃動時，操作平臺也會發(fā)生晃動，受風浪和急流影響較大，作業(yè)安全性較差。

以上三種形式的操作平臺都存在作業(yè)效率不夠高的問題，不適用于工期緊張的工程項目。針對該工程工期要求緊和海況惡劣的條件，鋼管樁樁頭割除方案需要滿足以下兩點要求：(1)割樁作業(yè)能夠在沉樁完成后及時開展；(2)割樁作業(yè)能夠盡可能克服潮汐、強風、大浪和急流的影響，可作業(yè)時間需盡可能長。

針對以上兩點要求，最合理的解決方法就是能夠將操作平臺快速地搭建在待割除的鋼管樁上。在高空作業(yè)中，安全性和經濟性最好的方法是借助于技術成熟的工作吊籃[5]。由于大多數鋼管樁為斜樁，因此設計時以單樁為研究對象，在充分參考吊籃結構特點和工作原理后，設計了一種鋼管樁樁頭割除鋼平臺。一方面依托鋼管樁彈性嵌固作用，鋼平臺可以有穩(wěn)定的依靠，不受潮汐影響，受強風、大浪和急流的影響較?。涣硪环矫?，鋼平臺還可以像吊籃一樣能夠快速周轉使用。

為提高施工流水作業(yè)效率，在鋼平臺設計時還充分考慮了割樁如何與鋼管樁樁芯和現(xiàn)澆橫梁施工快速對接。

3.2 結構形式

割樁鋼平臺主要由兩套吊裝鋼絲繩、懸吊平臺和安全鎖等部分組成[6]，該鋼平臺已獲中國實用新型專利授權，結構形式如圖1所示[7]。

圖1 鋼平臺仰視圖

3.3 結構及其特點

鋼平臺主要特點是：(1)具有兩套吊繩系統(tǒng)，第一套吊繩系統(tǒng)為臨時承重系統(tǒng)，主要目的是將鋼平臺安裝在鋼管樁樁頂，待第二套吊繩系統(tǒng)安裝至鋼管樁切割線處后，第一套吊繩系統(tǒng)即可拆除；(2)鋼平臺底板孔洞設計為正方形，其對角線長度大于橫梁反吊系統(tǒng)鋼扁擔梁的長度，使鋼管樁完成樁頭切除和樁芯施工后可以立即在樁頂安裝鋼扁擔梁，鋼扁擔梁安裝后不影響鋼平臺吊離；(3)設置有安全鎖，可以使鋼平臺與鋼管樁之間連接牢固，不易發(fā)生晃動。

3.3.1 吊繩系統(tǒng)

第一吊繩系統(tǒng)的鋼絲繩可以調節(jié)長度，第一吊繩分別與鋼平臺四角的圍欄上端連接，每根鋼絲繩在遠離圍欄的一端均設有用于與吊鉤配合的起吊部和用于鉤掛鋼管樁頂端的掛鉤，四個掛鉤之間通過彈性繩連接。在彈性繩的拉力作用下，掛鉤方向保持恒定，確保了在鋼平臺下放穿過鋼管樁樁頂時，掛鉤能夠順利鉤掛在鋼管樁頂部，彈性繩呈十字交叉狀態(tài)。第一吊繩系統(tǒng)的結構如圖2所示。

圖2 第一吊繩系統(tǒng)

第二吊繩系統(tǒng)的鋼絲繩也可以調節(jié)長度，鋼絲繩分別與鋼平臺四角的圍欄底端連接，每根鋼絲繩在遠離工作臺的一端均設有掛鉤，該掛鉤鉤掛在鋼管樁割除線上方的開孔中。

3.3.2 讓位口

將鋼平臺底板孔洞設計為正方形，使該鋼平臺除了可用于割除多余樁頭外，還能用于現(xiàn)澆橫梁底模板反吊系統(tǒng)安裝。

鋼平臺的中部具有給鋼扁擔梁讓位的讓位口，在鋼管樁樁頭割除和樁芯施工完成后，可以直接完成現(xiàn)澆橫梁底模板反吊系統(tǒng)，鋼平臺吊離時可不受扁擔梁的阻礙，可提高前后工序之間的對接，大大提高了流水作業(yè)工作效率。讓位口形式如圖3所示。

圖3 讓位口平面示意

3.3.3 安全鎖

鋼平臺底板的孔洞周邊設有4個與管樁表面抵緊以防止工作臺晃動的安全鎖，其結構形式如圖4所示。安全鎖的設置可以使鋼平臺穩(wěn)定，不會因為人的走動或大風而晃動，保證操作工人的安全，并且可以為操作工人提供一個良好的作業(yè)環(huán)境。

圖4 安全鎖結構示意

安全鎖包括固定座、螺紋孔座、螺桿以及抵接座，固定座焊接在鋼平臺底板上，螺紋孔座固定在固定座上，螺桿與螺紋孔座螺紋連接，抵接座與螺桿的端部活動連接，抵接座上設有抵緊塊，抵緊塊與管樁表面抵緊，螺桿遠離管樁的一端設有手柄，轉動手柄后就可以使螺桿轉動，在螺紋孔座的作用下，螺桿來回移動，帶動抵接座運動，使抵緊塊與管樁表面抵緊或松開，方便操作。抵接座與螺桿的端部活動連接是為了在螺桿轉動時，抵接座不跟著轉動，保證抵緊塊在抵緊時與沿鋼管樁的表面貼合緊密。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程(見圖5)

圖5 割樁施工工藝流程

4.2 操作要點

4.2.1 鋼平臺加工制作

鋼平臺可委托外部廠家制作，也可以自行制作，制作完成后，對鋼平臺每個結構部位進行嚴格質量檢查。檢查各部件材料型號、材料尺寸、焊縫尺寸、焊縫質量、鋼絲繩錨接牢固度等，并指定專人簽字驗收。

4.2.2 鋼平臺首次安裝

吊裝鋼平臺割樁作業(yè)設專人指揮，并設專職安全和質量監(jiān)督員[8]。起重船吊鉤與管樁切割鋼平臺的起吊部連接，將管樁切割鋼平臺吊起。人工通過牽引繩控制鋼平臺使管樁的頂部對準讓位孔，吊機由上至下緩慢放下鋼平臺，使管樁的頂部穿過讓位孔。

繼續(xù)下放鋼平臺，鋼平臺的第一吊繩系統(tǒng)頂部的4個掛鉤在彈性繩張力的作用下與管樁的需割除段的頂部鉤接；這樣，鋼平臺就可以依靠第一吊繩系統(tǒng)懸掛在鋼管樁上，隨后吊機鋼絲繩可以處于完全松弛狀態(tài)，起重船隨風浪搖晃對鋼平臺無影響。若未設置彈性繩，吊機由上至下放下管樁切割鋼平臺時，第一掛鉤容易產生歪斜而在下放時不易勾住管樁頂端。

4.2.3 平臺承重系統(tǒng)轉換

起重船停靠在待割除樁基旁，作業(yè)人員佩戴雙繩安全帶[9]，從起重船通過爬梯登上操作臺，卸掉起重船吊扣，使用起重船將待安裝的鋼扁擔梁吊至平臺上。此時，吊機上的吊鉤與起吊部已經脫離，起重船可以暫時離開，去執(zhí)行其他任務。由此，不需起重船在樁頭切割工作時原地待命，提高了起重船時間利用率。施工所用電焊機及氧氣乙炔均放置在起重船，氧氣瓶與乙炔瓶之間保持5 m以上的安全距離[10]。

在管樁的保留段與需割除段的交接處畫切割線，在管樁切割線處沿周向切割出4個對稱分布的開口。將管樁切割鋼平臺的第二掛鉤分別穿過開口掛接在保留段的頂部上，調節(jié)第二吊繩的長度，使第二吊繩處于緊繃狀態(tài)，將管樁切割鋼平臺的重量切換至由第二吊繩系統(tǒng)來支撐。

第一吊繩與需割除段的頂部連接需解除，保證需割除段移除時不受影響，因此不能使管樁切割鋼平臺的重量一直由第一吊繩系統(tǒng)來支撐。

將第一掛鉤系統(tǒng)與管樁的需割除段的頂部脫離，具體的方法是：先調節(jié)第一吊繩的長度，使第一吊繩處于松動的狀態(tài)，之后就可以將第一掛鉤與管樁的需割除段的頂部脫離。若需割除段的高度不高，可采用人工直接脫離第一掛鉤；若需割除段的高度較高，可以使用桿子輔助第一掛鉤脫離。

旋轉抵緊裝置的手柄，使抵緊塊與保留段的表面抵緊，使鋼平臺穩(wěn)定，保證操作工人的安全，為操作工人提供一個良好的作業(yè)環(huán)境。

4.2.4 樁頭割除吊離

在管樁的需割除段的頂部側壁上切割出吊孔，吊孔與保留段的水平距離盡可能保證最大值。將鋼絲繩穿過吊孔并將吊具與需割除段綁緊，為后面將需割除段移除做準備。

工人在鋼平臺上對管樁進行環(huán)形切割，割除時要確保樁基割樁位置準確，高程偏差不大于50 mm。在保留段與需割除段之間保留有連接部不予割除，大約1～2 cm，具體長度通過計算獲得，保留段與需割除段通過連接部暫時連接。這樣，連接部起到暫時連接保留段與需割除段的作用，避免需割除段傾倒。對于直樁，保留段可更加薄弱；對于斜樁，保留段需設置在樁基仰面。

起重船回到待吊離割除段附近，在鋼管樁仰面?？?，鋼管樁和起重船的相對位置如圖6所示。將樁頂的鋼絲繩與起重船吊具連接后，操作工人通過爬梯離開鋼平臺。

圖6 吊離操作圖示

在起重船的起吊力下，連接部受彎斷裂，保留段與需割除段分離。吊機將需割除段吊離至材料運輸船上。

若鋼管樁樁頂超高較多，可重復“平臺承重體系轉換”和“樁頭割除吊離”步驟，分2次或多次對樁頭進行切割，直至完全割除多余樁頭。

4.2.5 樁芯鋼筋籠安裝

樁頭處理完成后，將加工好的樁芯鋼筋籠使用小型起重船起吊至鋼筋籠底部距離樁頂約0.5 m高，工人站立在鋼平臺上，通過牽引繩配合小型起重船吊機將鋼筋籠移至樁頂正上方，穩(wěn)定后緩慢下放至鋼管樁中，鋼筋籠通過HPBφ28圓鋼與鋼管樁內壁之間焊接牢固。

4.2.6 樁芯混凝土澆筑

當一個排架的樁芯鋼筋籠均完成安裝后，將抽水泵和混凝土振搗器具起吊放置在鋼平臺上，對樁內有水的使用水泵排水至混凝土澆筑面以下，確保樁內積水不漫過封底板。移動水上混凝土攪拌船至排架附近，進行混凝土澆筑。樁頂以下10 m范圍內的混凝土，采用振搗棒振搗到位，澆筑完成后，對樁芯混凝土表面進行收面，在初凝前進行表面掃毛。

4.2.7 反吊系統(tǒng)扁擔梁安裝

在鋼管樁頂端側壁上放樣扁擔梁中軸線與管樁樁頂交接處。用材料船將岸上事先加工好的鋼扁擔及相應的配件機具轉運到已經施工完的樁基附近。采用小型起重船將扁擔梁起吊至樁芯外露鋼筋頂部以上1 m高度，人員在鋼平臺上通過牽引繩調整扁擔鋼梁的方位，調整完成后，緩慢下放扁擔鋼梁輕輕擱置在樁頂，微調方位后完全下放到位，采用鋼板或圓鋼幫焊，使扁擔鋼梁與鋼管樁樁頂或樁芯外露鋼筋連接牢固[11]。扁擔鋼梁安裝完成后，在其兩端吊筋待安裝處旁各安裝一個手拉葫蘆，用于后續(xù)底模主梁安裝。反吊系統(tǒng)結構如圖7所示。

圖7 反吊系統(tǒng)結構示意

4.2.8 鋼結構平臺轉移

將小型起重船吊機上的吊鉤與鋼平臺第一吊繩系統(tǒng)頂部的起吊部連接，將管樁切割鋼平臺緩慢吊起，工人將第二掛鉤從保留段的頂部脫離，然后通過爬梯離開鋼平臺，起重船將管樁切割鋼平臺吊離，繼續(xù)下一個鋼管樁樁頭割除和底模板反吊系統(tǒng)鋼扁擔安裝。

5 結束語

該鋼平臺，雖然結構部件較多，但制作較為簡單，耗材少，成本低，安全性高[12]。經統(tǒng)計，該工程樁頂超高達到了3 m以上的鋼管樁共有307根，最高達13 m。其中有76根超高鋼管樁由于傾斜方向和扭角為靠向打樁船這一側，在其沉樁完成后，打樁船受其影響無法進行后續(xù)鋼管樁沉樁施工。經測算，采用該鋼平臺，每根鋼管樁割除樁頭可節(jié)省1 h，整個工程共計縮短割樁工期38 d(＝307×1÷8)，共計減少對打樁船影響的時間9.5 d(＝76×1÷8)。由此可知，該鋼平臺具有良好的應用價值。

該鋼平臺既可以用來割除超高鋼管樁，又可以作為樁芯混凝土澆筑、橫梁底模板反吊系統(tǒng)安裝的施工平臺，極大提高了施工作業(yè)效率。同時，還減少了高樁碼頭施工中船機設備的投入費用，對于降本增效有較為突出的貢獻，可以在水工項目中推廣使用。