全旋轉(zhuǎn)打樁船“海力801”超長(zhǎng)超重鋼管樁沉樁技術(shù)

王永東，楊勝龍

（寧波海力工程發(fā)展有限公司，浙江 寧波 315000）

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，跨海大橋、深海港碼頭的不斷興建，深海結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中的打入樁出現(xiàn)大直徑、超長(zhǎng)、超重等特征，面臨的施工環(huán)境也更加復(fù)雜。為確保打樁設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境中順利地沉樁到設(shè)計(jì)深度，對(duì)打樁設(shè)備提出了更高的要求。本文以“海力801”全旋轉(zhuǎn)打樁船在象山港大橋中鋼管樁沉樁施工為背景，對(duì)海上超長(zhǎng)超重大直徑鋼管樁沉樁施工進(jìn)行介紹。

1 工程概況

寧波象山港公路大橋及接線工程是浙江省水路交通“十一五”期間規(guī)劃建設(shè)的沿海高速公路（甬臺(tái)溫復(fù)線）和寧波市高速公路網(wǎng)的重要組成部分，它位于寧波市和象山縣之間、橫山碼頭和西澤碼頭西側(cè)的象山港水域，橋梁全長(zhǎng)6.761 km。大橋北岸引橋P14～P23、P32～P70號(hào)墩采用鋼管樁基礎(chǔ)。其中P14～P23、P32～P52承臺(tái)布置有12根鋼管樁，P53～P70承臺(tái)布置有16根鋼管樁。鋼管樁為開(kāi)口樁，材質(zhì)為Q345C低合金鋼，直徑為1.6m，自樁頂以下45m范圍壁厚22mm，其余壁厚20mm。樁長(zhǎng)82～92m，樁頂標(biāo)高為+1.2m，樁底設(shè)計(jì)進(jìn)入黏土或含黏性土圓粒（持力層）約2.0m。全橋共有鋼管樁660根，均為斜樁，斜率為 5 ∶1、6 ∶1，平面角為 10°～50°。

鋼管樁采用打樁船錘擊沉樁施工工藝，具有如下特點(diǎn)：

1）鋼管樁長(zhǎng)82～92m，重68～75.8 t，全為超長(zhǎng)超重大直徑斜樁；

2）施工水域遠(yuǎn)離陸地，自然條件差，施工難度大，沉樁定位不能使用傳統(tǒng)測(cè)量手段；

3）橋墩間距60m，樁位呈放射狀分布，沉樁施工需頻繁下錨移船、調(diào)向。

鋼管樁沉樁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 鋼管樁沉樁檢查項(xiàng)目

2 打樁設(shè)備選擇

目前國(guó)內(nèi)的打樁船主要有固定樁架式和全旋轉(zhuǎn)樁架式兩種，固定樁架式和小型全旋轉(zhuǎn)樁架打樁船樁錘均為柴油錘，大型全旋轉(zhuǎn)式打樁船國(guó)內(nèi)僅有“天威號(hào)”、“海力801”兩艘，樁錘均為液壓錘。

根據(jù)上述鋼管樁沉樁工藝特點(diǎn)，本項(xiàng)目選用“海力801”打樁船進(jìn)行沉樁施工，樁錘為S-280液壓錘。其主要性能參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表2 海力801打樁船主要性能參數(shù)表

表3 S-280液壓錘主要性能參數(shù)表

“海力801”打樁船具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）駐位穩(wěn)定性好：打樁船錨碇系統(tǒng)配備7臺(tái)50 t錨機(jī)和相應(yīng)的7個(gè)10 t鐵錨，另有4根1.5m×1.5m×30m液壓錨碇樁，打樁船駐位穩(wěn)定性好，移船便捷。

2）全旋轉(zhuǎn)樁架（360°）吊樁便利：打樁船拋錨駐位后，運(yùn)樁船可以直接?？?，不需拋錨，吊樁時(shí)，只要樁架旋轉(zhuǎn)90°即可直接進(jìn)行吊樁。

3）方便施打平面扭角頻繁變化的斜樁：打樁船是全旋轉(zhuǎn)樁架，施打平面扭角變化較大的鋼管樁時(shí)不需重新拋錨，通過(guò)旋轉(zhuǎn)樁架，保持樁架軸線與樁平面扭角軸線重合即可沉樁，提高了沉樁效率。

4）沉樁適應(yīng)性強(qiáng)：全旋轉(zhuǎn)樁架可以伸出船艏30m左右、樁架可以提升18m，對(duì)打樁先后順序、樁間距離、樁的斜率及樁位平面扭角等條件要求明顯降低。

5）配備Trimble-5700GPS定位系統(tǒng)，定位準(zhǔn)確，滿(mǎn)足外海施工精度要求。

6）在高潮位沉樁，樁頂在水面以下，不需要另外安裝送樁，“海力801”利用可升降的樁架及水下2.5m仍可正常工作的液壓錘直接把樁送到水下。

S-280液壓錘是電控液壓沖擊打樁錘，適用于鋼管樁，經(jīng)過(guò)改裝可適用水下操作，主要特點(diǎn)如下：

1）控制和顯示每一錘的打擊能量，可對(duì)整個(gè)打樁過(guò)程進(jìn)行操控。

2）自動(dòng)過(guò)載保護(hù)。

3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作和維護(hù)，可靠性高。

4）打擊輸出能量與錘心重量的比值相對(duì)高。長(zhǎng)期使用，性能不會(huì)損失，也不會(huì)出現(xiàn)因長(zhǎng)時(shí)間錘擊導(dǎo)致錘體過(guò)熱而需中間休息的情況。

5）不需要硬木或者合成材料保護(hù)打樁錘。

6）適合打樁架和自由吊打。不需要導(dǎo)向框，通過(guò)套筒，打樁錘能夠直接放在樁管上。

7）打斜樁能量損失很小。

3 沉樁施工工藝

3.1 鋼管樁沉樁順序

本項(xiàng)目樁位呈放射狀分布，為盡量減少沉樁施工中頻繁的下錨移船及調(diào)向，以加快進(jìn)度節(jié)約成本，水上鋼管樁施打順序綜合以下3個(gè)原則進(jìn)行：①由打樁船先進(jìn)行優(yōu)先墩位（指揮部測(cè)控中心指定的為布設(shè)海上一級(jí)加密點(diǎn)而優(yōu)先施工的承臺(tái)）的沉樁，然后在施工區(qū)域內(nèi)依次推進(jìn)；②與臨近標(biāo)段墩位先施工，減少相互間干擾；③啞鈴形和矩形承臺(tái)墩的鋼管樁同步進(jìn)行，多開(kāi)創(chuàng)工作面。擬先完成部分啞鈴形承臺(tái)墩的鋼管樁沉放，然后完成部分矩形承臺(tái)墩的鋼管樁沉放，以保證兩種類(lèi)型承臺(tái)同步施工。鋼管樁平面布置圖如圖1所示。打樁船下游駐位，由于“海力801”具有樁架可以全旋轉(zhuǎn)并伸出船艏一定距離等優(yōu)越于固定樁架打樁船的特點(diǎn)，鋼管樁可以插打，沉樁順序很靈活，原則上先打上游，再打下游，若水深限制，則高潮位時(shí)打俯樁，低潮位時(shí)打仰樁。

圖1 鋼管樁平面布置圖

3.2 沉樁施工工藝流程

沉樁施工工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 沉樁施工工藝流程圖

3.3 打樁船拋錨定位

打樁船由拖輪拖到施工地點(diǎn)附近，根據(jù)打樁船上GPS定位系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行粗定位。下插定位樁，用50 t拋錨船頂水拋錨。打樁船拋錨定位（以啞鈴形墩為例）如圖3所示。由于“海力801”是全旋轉(zhuǎn)樁架，為減少移錨次數(shù)，打樁船兩側(cè)邊錨拋出400m左右，這樣保證一個(gè)墩沉樁完成僅調(diào)整前錨和尾錨，每2至3個(gè)墩調(diào)整1次邊錨，大大減少了移錨的作業(yè)時(shí)間。

圖3 海力801沉樁拋錨示意圖

3.4 運(yùn)樁駁就位

鋼管樁用水上駁船運(yùn)至沉樁現(xiàn)場(chǎng)，待打樁船錨拋好后，樁駁靠打樁船，并在其上系纜。

3.5 沉樁施工

3.5.1 吊樁

吊樁時(shí)，樁架旋轉(zhuǎn)到運(yùn)樁駁一側(cè)，用4點(diǎn)吊起吊，進(jìn)龍口采用樁頭2點(diǎn)吊。吊樁時(shí)考慮到樁駁平衡，吊樁順序?yàn)閷?duì)稱(chēng)起吊。起吊時(shí)，主吊鉤吊掛靠近樁頂?shù)那?吊點(diǎn)，副吊鉤吊其余2個(gè)吊點(diǎn)，主副吊鉤同步上升，平穩(wěn)起吊，使鋼管樁脫離運(yùn)樁駁船（圖4）。樁吊起后，旋轉(zhuǎn)到船首部，準(zhǔn)備立樁。

圖4 吊樁

3.5.2 打樁船移位

在吊樁的同時(shí)，按照沉樁方案選定要沉的鋼管樁編號(hào)，根據(jù)GPS定位系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)，用錨纜移動(dòng)打樁船，先調(diào)整船體的方位角，使得船體縱向中心線盡可能地和所沉鋼管樁方位角軸線在一條直線上，鎖定左右位置。然后調(diào)整旋轉(zhuǎn)車(chē)的前后位置，旋回軸距離仰樁調(diào)整在34m左右，俯樁調(diào)整在23m左右，帶緊錨纜并且插放定位樁，穩(wěn)定船體。

3.5.3 立樁

主吊鉤上升，副吊鉤下降，使鋼管樁由水平姿態(tài)逐漸轉(zhuǎn)成豎直姿態(tài)，同時(shí)將樁架立直，樁入抱樁器，合攏抱樁器，提升主吊鉤，使樁頂套進(jìn)替打后逐個(gè)解去副吊鉤。見(jiàn)圖5。

圖5 立樁

3.5.4 鋼管樁定位

在操縱室通過(guò)觀察GPS定位系統(tǒng)顯示的樁架傾斜角度調(diào)整樁架傾斜度，使樁身斜率符合設(shè)計(jì)要求；再根據(jù)預(yù)先輸入的單樁平面扭角（方位角）、平面坐標(biāo)，依據(jù)船上專(zhuān)用的GPS定位系統(tǒng)顯示的圖形和數(shù)據(jù)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)樁架和變幅樁架的方法，使樁到達(dá)設(shè)計(jì)位置。

3.5.5 沉樁

樁自沉穩(wěn)樁，同時(shí)監(jiān)測(cè)樁位的變化，若樁位變化超過(guò)允許的誤差范圍，應(yīng)立即停止樁的下沉，將樁拔起，查明原因，重新定位。

穩(wěn)樁后壓錘，待樁不再下沉后，查看樁位是否符合要求，若樁位變化超過(guò)允許的誤差范圍，立即停止樁的下沉，將樁拔起，查明原因，重新定位。

樁在壓錘穩(wěn)定后，松開(kāi)抱樁器，啟動(dòng)液壓錘，沉樁。錘擊沉樁時(shí)，樁錘、替打、樁身應(yīng)保持在同一軸線上，避免產(chǎn)生偏心錘擊。在沉樁過(guò)程中，如出現(xiàn)貫入度異常、樁身突然下降、過(guò)大傾斜、移位等現(xiàn)象，立即停止沉樁，及時(shí)查明原因，采取如減小錘擊能量、調(diào)整船艙壓載水使樁架垂直等有效措施，必要時(shí)將樁拔起，重新定位。見(jiàn)圖6。

圖6 沉樁

3.5.6 停錘

本工程鋼管樁沉樁以標(biāo)高控制為主，貫入度校核。停錘標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4，沉樁結(jié)束后，電腦自動(dòng)記錄并打印出沉樁結(jié)果。

表4 沉樁停錘標(biāo)準(zhǔn)

整個(gè)墩沉樁結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)用GPS流動(dòng)站對(duì)鋼管樁平面偏位、樁頂高程等復(fù)測(cè)，并及時(shí)報(bào)驗(yàn)。由于鋼管樁均為斜樁，沉樁后懸臂端較長(zhǎng)，并受水流、風(fēng)浪、潮流的影響，因此，沉樁完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行夾樁施工，通過(guò)在樁頂設(shè)置型鋼，將每個(gè)墩鋼管樁焊接成整體。

4 沉樁測(cè)量定位

4.1 “海力801”GPS打樁定位系統(tǒng)原理及組成

由于本工程遠(yuǎn)離岸線，常規(guī)的測(cè)量?jī)x器和手段已不適用。打樁船安裝了GPS打樁定位系統(tǒng)，通過(guò)船體上的兩臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)，分別測(cè)得2根GPS天線處坐標(biāo)及高程，然后根據(jù)船體、打樁架、錘三者的幾何關(guān)系推導(dǎo)出樁頂高程和樁在設(shè)計(jì)標(biāo)高處的平面坐標(biāo)。

“海力801”GPS打樁定位系統(tǒng)的構(gòu)成見(jiàn)圖7。船艉的GPS為L(zhǎng)1單頻接收機(jī)，主要功能為測(cè)量船體方位及作導(dǎo)航儀用。中部的2臺(tái)Trimble 5700型雙頻GPS接收機(jī)以RTK方式工作，在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)旁邊的2根無(wú)線電天線接收岸上基準(zhǔn)站發(fā)射的數(shù)據(jù)鏈，實(shí)時(shí)獲得這2根GPS接收機(jī)天線的WGS-84坐標(biāo)，再根據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)及投影方法實(shí)時(shí)地計(jì)算出2臺(tái)GPS接收天線在施工坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)及高程。

圖7 “海力801”GPS打樁定位系統(tǒng)示意圖

由于“海力801”打樁船為全旋轉(zhuǎn)式打樁船，船體、樁架、錘三者的幾何關(guān)系總是處于動(dòng)態(tài)變化中，為此，在樁架上放置了2臺(tái)瑞士Leica Disto pro4a型測(cè)距儀，在伸縮支撐桿下方放置了1臺(tái)同型號(hào)的測(cè)距儀，在吊機(jī)中心處及吊機(jī)懸臂處及分別放置了1臺(tái)日本產(chǎn)AC58、6013ES、41PGW型角度計(jì)，在吊機(jī)尾部放置了1臺(tái)日本產(chǎn)電氣式橫傾、縱傾測(cè)量?jī)x。通過(guò)這些輔助測(cè)量?jī)x器，在定位及打樁中，可實(shí)時(shí)計(jì)算出錘（樁中心）在設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高處相對(duì)于2個(gè)GPS天線的平面位置，進(jìn)而可以計(jì)算出樁在施工坐標(biāo)系中的平面位置，還可計(jì)算出樁的傾斜度、樁頂至樁尖的方位角（樁的平面扭角）、樁頂?shù)臉?biāo)高。

沉樁測(cè)量定位所需的一系列技術(shù)參數(shù)包括基樁的坐標(biāo)、方位角、傾斜度、樁頂標(biāo)高等以數(shù)字及圖形的方式顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上，為施工人員指揮打樁船調(diào)整船位、定位下樁及錘擊沉樁施工，提供了清晰而可靠的依據(jù)，沉樁施工的最后監(jiān)測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)在電腦硬盤(pán)上，同時(shí)也可用打印機(jī)輸出。

4.2 GPS定位系統(tǒng)沉樁操作過(guò)程

1）根據(jù)象山港大橋建設(shè)指揮部測(cè)控中心提供的基準(zhǔn)站頻率及數(shù)據(jù)格式，用GPS供應(yīng)商提供的GPSConfigurator軟件正確配置“海力801”打樁船所安裝的GPS接收機(jī)。

2）在GPS定位系統(tǒng)軟件的“File（F）”菜單下激活“測(cè)地系設(shè)定”，輸入大橋建設(shè)指揮部測(cè)控中心提供的WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換七參數(shù)。

3）在軟件的“File（F）”菜單下激活“杭屬性設(shè)定”，將基樁的相關(guān)數(shù)據(jù)，即樁號(hào)、X坐標(biāo)值、Y坐標(biāo)值、樁頭標(biāo)高、樁長(zhǎng)、樁徑、樁傾斜度、方位角及樁的類(lèi)型輸入到電腦中。

4）鋼管樁參數(shù)輸入后，GPS定位系統(tǒng)電腦上將顯示所有要沉入的鋼管樁圖形，根據(jù)沉樁方案選定要沉的鋼管樁編號(hào)。根據(jù)GPS定位系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)，移動(dòng)打樁船，使其到達(dá)指定位置，將打樁船的定位樁放下，穩(wěn)定船體。旋轉(zhuǎn)吊機(jī)起吊鋼管樁，樁進(jìn)抱樁器及替打后，根據(jù)GPS定位系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)調(diào)整樁架方位及姿態(tài)，使樁中心對(duì)正設(shè)計(jì)中心位置，并根據(jù)潮流、風(fēng)向等作適當(dāng)?shù)膿屛?，確認(rèn)數(shù)據(jù)無(wú)誤和GPS衛(wèi)星信號(hào)的穩(wěn)定后下樁。GPS定位系統(tǒng)的軟件界面如圖8。

圖8 “海力801”GPS定位系統(tǒng)的軟件界面

5 超長(zhǎng)超重樁沉樁技術(shù)要點(diǎn)

5.1 打樁順序

“海力801”打樁船可沉樁樁長(zhǎng)為80m+水深，象山港大橋施工水域泥面標(biāo)高在－8.2～－19.9m之間，潮水最低時(shí)，最淺位置水深僅有6m。因此在施打80m以上的超長(zhǎng)樁時(shí)，應(yīng)根據(jù)潮汐安排好打樁順序，因樁架仰起時(shí)樁架頂距水面高度要比樁架俯下時(shí)高，故在高潮位時(shí)打俯樁，低潮位時(shí)盡可能打仰樁，以保證在定位時(shí)樁頂至水面的距離加當(dāng)時(shí)的水深大于樁的長(zhǎng)度。大潮汛期間，根據(jù)水流狀況確定立樁位置，以防止在吊樁及樁進(jìn)龍口時(shí)樁與樁架相撞。另外，根據(jù)水深情況，將樁身起吊到一定高度后再立樁入龍口，防止樁尖觸及泥面，使樁身折彎受損，或造成抱樁器損壞。

5.2 初次定位

初次定位時(shí)，盡可能將樁和樁架提升至較高位置，以防止樁尖入土，在提升過(guò)程中，注意觀察GPS顯示屏上的數(shù)據(jù)，尤其是錘和樁架的高度，錘與樁架頂?shù)木嚯x（圖8所示GPS定位系統(tǒng)“Hammer長(zhǎng)”顯示數(shù)值）到達(dá)4m左右時(shí)（接近極限位置）和樁架到達(dá)44m（圖8所示GPS定位系統(tǒng)“Leader長(zhǎng)”顯示數(shù)值）左右時(shí)（接近極限位置）須特別小心，避免操作過(guò)快，對(duì)樁架造成損傷。

5.3 樁架升降

由于在施打超長(zhǎng)樁時(shí)，樁架提升至較高位置，樁架底端比樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高要高，鋼管樁無(wú)法一次施打至設(shè)計(jì)標(biāo)高，在施打一段時(shí)間后，在保證樁已牢固不會(huì)因水流、風(fēng)及自重等原因而晃動(dòng)的情況下，一般應(yīng)控制在實(shí)測(cè)樁頂標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高的高差小于10m時(shí)（此時(shí)，樁已入土60m以上）起錘，然后將樁架緩緩落下，根據(jù)GPS系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)重新定位，在定位過(guò)程中，樁架上的人員檢查樁架與樁的傾斜度是否一致，樁錘、替打和樁是否在同一軸線上，調(diào)整一致后，繼續(xù)施打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

5.4 打樁搶位

2009年6月18日至2009年7月15日，P14～P23號(hào)墩共120根樁沉樁完成，項(xiàng)目部測(cè)量人員用GPS流動(dòng)站對(duì)其平面位置進(jìn)行測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，仰樁平均向后偏7 cm，俯樁平均向后偏11 cm，且偏位較大的樁基本都是向樁架后方即船體方向偏，出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差。經(jīng)討論分析，原因如下：打樁船在起錨到穩(wěn)定的變化量叫樁倒伏量，“海力801”在施打普通鋼管樁時(shí)，與普通固定樁架打樁船一樣,仰樁一般向前搶位，俯樁一般向后搶位。由于超長(zhǎng)大直徑鋼管樁的重量較大，鋼管樁設(shè)計(jì)又均為斜樁，自重使斜樁有一定的撓度變形，“海力801”由于樁架可升降，樁架輕，柔性大，樁架在鋼管樁吊起定位過(guò)程中受樁重影響也會(huì)產(chǎn)生一定的變形，定位時(shí)若按普通鋼管樁搶位，就出現(xiàn)搶位不合理現(xiàn)象，出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差。在后期2009年10月下旬至2010年元月上旬P32～P70號(hào)墩的510根樁沉樁中，對(duì)GPS定位軟件中的搶位值進(jìn)行了修正，沉樁的偏位值明顯減小，具體偏位如表5、表6所示。

表5 P14～P23號(hào)墩沉樁偏位統(tǒng)計(jì)表

表6 P32～P70號(hào)墩沉樁偏位統(tǒng)計(jì)表

6 沉樁施工效果

“海力801”在象山港大橋共沉鋼管樁630根（全橋共有鋼管樁660根，由于船舶調(diào)度，另外30根樁由其它船舶沉放），均沉放至設(shè)計(jì)標(biāo)高，傾斜度偏差均滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，其沉樁效果如圖9所示。

圖9 象山港大橋鋼管樁

經(jīng)CAPWAPC法通過(guò)復(fù)打?qū)Σ糠咒摴軜哆M(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè)，復(fù)打30錘，GPS測(cè)量下沉量，根據(jù)所測(cè)得的下沉量及錘擊數(shù)計(jì)算測(cè)試貫入度（測(cè)試貫入度=下沉量/錘擊數(shù)），樁基承載力全部滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表7。

表7 單樁承載力

7 結(jié)語(yǔ)

配備S-280型雙作用液壓錘和GPS衛(wèi)星打樁定位系統(tǒng)的“海力801”全旋轉(zhuǎn)打樁船，因其工作精度高速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低，可全天進(jìn)行作業(yè)。用它進(jìn)行超長(zhǎng)、超重、大直徑鋼管樁斜樁沉樁，在風(fēng)浪大，自然條件差的海域施工，是完全可行的。

象山港大橋超長(zhǎng)、超重、大直徑斜樁沉樁工藝具有結(jié)構(gòu)輕、材料省、施工簡(jiǎn)便、工期短、施工質(zhì)量容易控制、機(jī)械化施工程度高等特點(diǎn)，可在大型海上、跨江橋梁工程和港口工程的基礎(chǔ)中應(yīng)用和推廣，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

[1] 象山港大橋第6合同段鋼管樁沉樁施工技術(shù)方案[R].浙江：中交第二航務(wù)局有限公司象山港大橋及接線工程第6合同段項(xiàng)目經(jīng)理部，2009.

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