大直徑CT 鎖口鋼管樁海上施工精度控制技術(shù)

鄒偉 ，嚴(yán)小衛(wèi) ，吳中正 ，2，3*

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能建造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

早在20世紀(jì)60年代，CT鎖口鋼管樁廣泛應(yīng)用于日本工程中[1]，在國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于橋墩基礎(chǔ)圍堰、船塢、港池接岸施工等[2-4]。在板樁碼頭中，我國(guó)已建的深水板樁碼頭多采用鋼管板樁結(jié)合作為前墻，且已取得相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)[5]。大直徑CT鎖口鋼管樁作為前墻在板樁碼頭進(jìn)行施工，無(wú)先例可循，其海上施工精度控制技術(shù)是前墻成功施工的關(guān)鍵。

在深水碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，會(huì)采用大直徑CT鎖口鋼管樁作為結(jié)合墻。這類(lèi)鎖口鋼管樁直徑大，使板樁前墻可承受更大彎矩，對(duì)深水碼頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是有利的。但是該鋼管樁直徑大，長(zhǎng)度長(zhǎng)，施工誤差要求小，海上施工精度控制難度大。常用的施工方法是安裝各種導(dǎo)向架輔助控制施工精度[6-7]，確保沉樁質(zhì)量。該施工方法技術(shù)可靠，但施工便利性差，工程造價(jià)高，施工效率低。

本文結(jié)合菲律賓八打雁港板樁碼頭工程實(shí)例，采用打樁船進(jìn)行大直徑CT鎖口鋼管樁施工，總結(jié)了技術(shù)可靠且高效的海上沉樁施工精度控制方法，為類(lèi)似工程結(jié)構(gòu)的施工提供借鑒。

1 工程概況

菲律賓八打雁港板樁碼頭項(xiàng)目位于菲律賓八打雁市，為新建75 000噸級(jí)集裝箱裝卸碼頭，碼頭前墻樁基采用φ1 500 CT鎖口鋼管樁形成岸墻。

大直徑CT鎖口鋼管樁長(zhǎng)33.5 m，重28.6 t，壁厚24 mm，樁底標(biāo)高-32 m。設(shè)計(jì)碼頭前沿泥面標(biāo)高-10 m，相鄰樁中心間距1.68 m，前墻基礎(chǔ)由鋼管樁利用兩側(cè)的CT鎖口連接。CT鎖口長(zhǎng)27 m，“C”與“T”鎖口連接后需灌入碎石填充，其截面形式如圖1所示。

圖1 大直徑鋼管樁CT鎖口截面圖（mm）Fig.1 The CT lock section of large diameter steel pipe piles(mm)

2 大直徑CT鎖口鋼管樁沉樁施工方案

2.1 打樁船與樁錘選型

該工程位于海灣內(nèi)，樁在原碼頭主體拆除后施工，樁位離岸邊約20 m。本工程樁施工具有樁直徑大、沉樁海床存在塊石與碎石層、海上施工、施工工效要求高等特點(diǎn)。采用打樁船“航工樁七”作為錘擊樁的施工設(shè)備，可較好地滿(mǎn)足施工特點(diǎn)要求：

1）“樁七”最大施打樁長(zhǎng)為70 m+水深，最大起重100 t，可打最大直徑2 m的樁，滿(mǎn)足本工程樁直徑、長(zhǎng)度、重量的要求。

2）樁船船體較大，長(zhǎng)55 m，寬22 m，具有較好的抗風(fēng)浪施工能力，可在本工程海上施工。

3）海床表層塊石與碎石層厚度為2 m左右，打樁船配備足夠能量的錘即可輕易穿透。

4）打樁船可連續(xù)完成單根樁起吊、移樁、立樁與沉樁等工作，且本工程海況較好，對(duì)施工影響小，打樁船沉樁工效高。

樁船配置D138柴油樁錘，最大錘擊能量295～461 kJ，沖程3.41 m，為驗(yàn)證該錘是否滿(mǎn)足要求，采用GALWEAP2010進(jìn)行可打性分析。對(duì)沉樁進(jìn)行預(yù)可打性分析，主要根據(jù)擬選樁錘和地質(zhì)勘察資料，計(jì)算沉樁拉、壓應(yīng)力分布，貫入度變化情況，估算總錘擊數(shù)和打樁時(shí)間[8]。根據(jù)可打性分析結(jié)果表明，沉樁貫入度、總錘擊數(shù)、壓應(yīng)力很好地滿(mǎn)足可打性要求，D138柴油樁錘可滿(mǎn)足施工要求。

2.2 施工流程

打樁船以單方向按照施工順序沉樁，打完樁留C鎖口與下一根樁的T鎖口連接，采用以數(shù)根樁為一組按照階梯形初打、留高交替復(fù)打樁到位，全過(guò)程進(jìn)行精度控制，具體施工工藝見(jiàn)圖2。

圖2 鎖口鋼管樁沉樁工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of lock steel pipe piles construction

3 沉樁精度控制難點(diǎn)

工程施工難點(diǎn)為樁在各種情況下的精度控制：

1）大波浪有可能會(huì)產(chǎn)生溜樁偏位；

2）地質(zhì)條件差異可產(chǎn)生不同方向的樁偏位；

3）每根樁中心誤差應(yīng)在75 mm內(nèi)，樁中心位置偏差控制難度大；

4）鋼管樁C鎖口位置有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)位移，影響下一根樁的起始定位；

5）鋼管樁沿樁墻軸線(xiàn)方向的位置偏差會(huì)累積，影響碼頭前樁墻整體線(xiàn)性與偏差，前墻整體精度控制難度大。

4 大直徑CT鎖口鋼管樁沉樁精度控制方法

4.1 確保打樁船的穩(wěn)定

打樁船在海上施工的六自由度運(yùn)動(dòng)對(duì)施工精度影響較大。打樁船按照八字錨拋錨固定，岸上設(shè)置前進(jìn)纜，并選在波高小于0.5 m的沉樁時(shí)間段施工。

4.2 樁誤差檢查

吊裝前應(yīng)對(duì)樁鎖口進(jìn)行檢查。準(zhǔn)確復(fù)核鎖口位置，是否有較大制造誤差，對(duì)鎖口誤差大的樁應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)重新焊接調(diào)整位置。

4.3 采用可靠的測(cè)量觀測(cè)方法

打樁船自帶GPS-RTK測(cè)量?jī)x，但測(cè)量精度難以滿(mǎn)足本工程高精度的測(cè)量觀測(cè)要求。測(cè)量方法采用在岸上平行樁墻軸線(xiàn)與垂直軸線(xiàn)2個(gè)方向架設(shè)2臺(tái)全站儀進(jìn)行定位與校核。2臺(tái)全站儀與樁位的交線(xiàn)夾角應(yīng)成90°，在立樁、插樁、沉樁全過(guò)程觀測(cè)樁位偏位情況以及垂直度，并對(duì)易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的鎖口位置進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控定位。

在沉樁可調(diào)階段，每下沉0.5 m觀測(cè)1次，超過(guò)要求及時(shí)調(diào)整。連續(xù)沉樁階段，達(dá)到要求標(biāo)高后按施工流程留高復(fù)打，改為每隔2～3 m觀測(cè)1次。

4.4 根據(jù)沉樁觀測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律確定下樁位置

根據(jù)已完成鄰近樁的實(shí)際中心、鎖口轉(zhuǎn)動(dòng)偏差量與鎖口轉(zhuǎn)動(dòng)方向，兼顧樁位與鎖口同時(shí)偏位位置，下樁時(shí)預(yù)估一定的中心位移量與C鎖口轉(zhuǎn)動(dòng)偏差量，提前制造一定反方向偏差抵消預(yù)估偏位量，定出實(shí)際的下樁樁位。

樁在打完發(fā)生位移與轉(zhuǎn)動(dòng)后，樁位能達(dá)到最佳位置，這個(gè)最佳位置應(yīng)符合規(guī)范允許的偏差要求，且偏差值應(yīng)盡量?。煌瑫r(shí)樁的實(shí)際位置也能確保后續(xù)2根樁有足夠的允許偏位范圍，并使后續(xù)2根樁在預(yù)估偏移后仍處在接近設(shè)計(jì)正位狀態(tài)，利于后續(xù)樁施工，確保樁墻整體偏位符合規(guī)范允許的誤差要求。

4.5 按照階梯形沉樁與交替復(fù)打

初打沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高以上2～3 m處，以5～8根樁為一組，后續(xù)初打樁逐步抬高，初打完成后樁頂形成階梯形（如圖3）。具體留高以樁偏位大小作為判斷依據(jù)。當(dāng)樁偏位較小時(shí)，可將樁頂與前一根樁頂齊平或略低，每組樁根據(jù)偏位情況依次按照階梯形留高；當(dāng)樁偏位較大時(shí)，極易造成樁偏位超出誤差或影響后續(xù)下樁定位，盡早停止初打樁，減少初打樁階段的行程，使樁在該階段產(chǎn)生最少偏位。復(fù)打樁時(shí)由于有相鄰樁鎖口產(chǎn)生很大約束，樁復(fù)打行程階段產(chǎn)生的前后平面偏差將大幅減少，控制樁總偏差在允許誤差范圍內(nèi)。

圖3 階梯形沉樁示意圖Fig.3 Schematic diagram of stepped pile driving

每組最后兩根樁可在復(fù)打后留更小的階梯，便于與下組首根樁的鎖口連接?？紤]到樁錘在兩側(cè)鋼絲繩套處的總寬大于間隔樁壁間距，復(fù)打樁時(shí)應(yīng)控制樁頂高于相鄰樁頂2 m，避免樁錘側(cè)面與相鄰樁頂碰撞損壞。

4.6 在沉樁可調(diào)階段對(duì)樁位糾偏

沉樁施工全過(guò)程控制主要分為5個(gè)階段，包括樁入龍口、自重與套錘下沉控制、連續(xù)沉樁可調(diào)、連續(xù)沉樁、樁頂標(biāo)高控制等。

在沉樁可調(diào)階段，應(yīng)在沉樁全過(guò)程采用打樁船對(duì)樁中心、鎖口位置、垂直度進(jìn)行主動(dòng)糾偏，在糾偏的過(guò)程中，以樁中心位置為主要控制點(diǎn)，在樁中心沒(méi)有超出允許誤差75 mm的情況下，同時(shí)兼顧控制C鎖口位置與偏角，便于后續(xù)2根樁定位。

在自重與套錘下沉控制階段，要保證下樁位置盡可能接近計(jì)劃樁位，實(shí)際施工中常需要多次下樁。

4.7 樁墻累計(jì)位置誤差的控制

在樁墻端頭施工過(guò)程中，實(shí)施了更有效的措施控制鎖口軸線(xiàn)偏差，即在T鎖口焊接鋼墊塊或墊板，如圖4～圖5所示。

圖4 防T鎖口外移墊塊Fig.4 Anti-outside offset cushion blocks

圖5 防T鎖口內(nèi)縮墊板Fig.5 Anti-inside offset base plates

利用墊塊與墊板的控制措施操作簡(jiǎn)單、效果好，提高沉樁效率，未對(duì)CT鎖口結(jié)構(gòu)造成破壞，每根樁軸線(xiàn)方向的最大糾偏量為±20 mm。施工時(shí)需計(jì)算已形成的樁墻累計(jì)誤差，盡早開(kāi)始主動(dòng)糾偏，確保樁墻偏差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 實(shí)施效果

1）本施工方法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度要求。根據(jù)沉樁記錄表，在浪高＜0.5 m的情況下施工，全部樁平面位置誤差控制在規(guī)范要求的75 mm以?xún)?nèi)，實(shí)際樁垂直度＜0.3%，施工精度高，為樁連續(xù)施工提供了良好基礎(chǔ)，樁墻端部樁最終的累計(jì)誤差為21 mm，樁頂標(biāo)高正?？刂圃谝?guī)范要求的±20 mm以?xún)?nèi)，鎖口均正常連接，未發(fā)生脫落與破壞的情況。本方法在正常的可施工海況條件下能確保沉樁質(zhì)量。

2）施工效率高。如果采用其他施工方法如輔助樁加導(dǎo)向架施工方法或騎跨式導(dǎo)向架施工方法，平均每日可沉樁1～2根；而采用本工程應(yīng)用的打樁船階梯形沉樁方法，單日可沉樁5～7根，接近海上打單樁的施工工效，大幅提高了施工進(jìn)度，確保了碼頭前樁墻按期完成。

6 結(jié)語(yǔ)

大直徑CT鎖口鋼管樁墻對(duì)施工控制精度要求高，施工難度大，在國(guó)內(nèi)無(wú)先例可循。本工程采用的打樁船階梯形初打樁、留高交替復(fù)打工藝，在全過(guò)程對(duì)樁位進(jìn)行有效的施工精度控制，實(shí)施了高效可靠的沉樁作業(yè)。該施工方法可為同類(lèi)工程提供借鑒，有助于大直徑CT鎖口鋼管樁在我國(guó)深水工程中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。