長(zhǎng)周期波涌浪裸巖海域鉆孔樁施工技術(shù)

李志成，華勇，江群龍，胡偉邦

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

目前在外海長(zhǎng)周期波裸巖海域碼頭樁基施工相關(guān)案例較少，由于常規(guī)的打樁船作業(yè)無法抵抗長(zhǎng)周期波對(duì)其產(chǎn)生的橫搖、縱搖以及升沉運(yùn)動(dòng)的影響，而頂升平臺(tái)移位對(duì)波浪的要求也較嚴(yán)格，需在窗口期進(jìn)行，極大地限制了施工效率。通過以色列阿什杜德港碼頭樁基施工，首次研發(fā)了樁頂支撐步履式頂推平臺(tái)用來沉設(shè)鋼管樁[1-3]，該設(shè)備能夠?qū)痘┕っ撾x水面，且平臺(tái)移位在工程樁樁頂進(jìn)行，亦不受海浪的影響，在該項(xiàng)目得到成功應(yīng)用。由于該海域樁基為非嵌巖樁，樁基可采用振動(dòng)錘常規(guī)沉放。對(duì)于裸巖地質(zhì)條件下的樁基施工仍然存在著沒有探索的難題。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

巴基斯坦中電胡布燃煤電廠煤碼頭為CPHGC 2×660 MW 燃煤發(fā)電站項(xiàng)目的專用煤炭進(jìn)口碼頭，設(shè)計(jì)煤炭通過能力為440 萬t/a，主要包含488 m引堤、507 m 引橋（含變電所墩臺(tái)）、727 m 防波堤、265 m 煤碼頭。其中碼頭總長(zhǎng)265 m，寬24 m，高樁梁板式結(jié)構(gòu)。由樁基、系梁、橫梁、縱梁、面板及附屬結(jié)構(gòu)組成，共34 個(gè)排架，每個(gè)排架4 根鉆孔灌注樁。樁基總計(jì)136 根，樁基直徑1.35 m，鋼護(hù)筒直徑1.45 m，橫向間距6 m，縱向間距8 m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為30.621 m。

碼頭結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)布置圖Fig.1 Dock structure layout

1.2 波浪

施工項(xiàng)目直面阿拉伯海，長(zhǎng)周期涌浪海況特征明顯，該地區(qū)受到西南季風(fēng)的影響，海面波浪較大。重現(xiàn)期50 a 風(fēng)速為47.6 m/s。工程區(qū)域外海波浪常浪向?yàn)镾SW 向，次常浪向?yàn)镾W 向，頻率分別為41.43%和37.16%。強(qiáng)浪向?yàn)镾W 向。波高超過1.8 m 的頻率約為22.4%。一般平均周期在7～11 s。

1.3 地質(zhì)條件

根據(jù)設(shè)計(jì)勘察結(jié)果，工程區(qū)地層從上到下主要分布為砂礫、礫巖和砂泥巖，沒有軟質(zhì)覆蓋層，施工海域布滿礁石。見表1。

表1 碼頭工程地質(zhì)資料Table 1 Dock engineering geological data

2 施工重難點(diǎn)分析

結(jié)合本工程的施工條件，碼頭樁基施工存在以下難點(diǎn)：

1）施工工期緊，窗口期短，為避免對(duì)后續(xù)施工安排造成影響，碼頭樁基需要在4 個(gè)月內(nèi)完成，設(shè)置兩條線路同步施工，平均施工周期為7 d/排架。

2）長(zhǎng)周期波對(duì)海上作業(yè)船舶的定位和穩(wěn)定性影響大。

3）海床分布性狀大小不一的礁石且表面覆蓋砂巖層，鋼護(hù)筒沉放的穩(wěn)定性難以保證。

針對(duì)以上重難點(diǎn)，對(duì)外海無覆蓋層、長(zhǎng)周期波浪海域碼頭樁基施工工藝進(jìn)行相關(guān)研究。

3 步履式頂推平臺(tái)施工工藝

步履式液壓頂推施工平臺(tái)主要由樁頂頂推定位裝置、作業(yè)平臺(tái)、導(dǎo)向架和液壓控制系統(tǒng)等幾部分組成。步履式頂推平臺(tái)一般支撐在鋼管樁上或工程樁鋼護(hù)筒上，施工機(jī)械均在平臺(tái)上進(jìn)行施工，可消除波浪對(duì)施工的影響，極大地減少滿鋪平臺(tái)帶來的施工成本的增加。另一方面步履式施工平臺(tái)在固定區(qū)域施工完成后頂推前移，節(jié)省了平臺(tái)拆除的時(shí)間。

由于施工荷載較大，采用這種方法還需解決頂推平臺(tái)支撐穩(wěn)定性的問題。

4 樁頂步履式頂推平臺(tái)深化設(shè)計(jì)

4.1 技術(shù)要點(diǎn)

采用步履式頂推平臺(tái)雖然能消除波浪的影響，但是在裸巖且海床分布有礁盤的海域施工時(shí)，在上部施工荷載較大的情況下需確保鋼護(hù)筒埋深達(dá)到一定的要求，否則無法保證步履式頂推平臺(tái)施工的穩(wěn)定性。所以采用步履式頂推平臺(tái)要解決鋼管樁在裸巖或淺覆蓋層地質(zhì)條件下的沉放難題。

在施工過程中，起初利用履帶吊及打樁錘直接進(jìn)行鋼護(hù)筒的沉放。實(shí)際上由于海床存在礁石以及覆蓋層較淺，部分施工海域甚至無覆蓋層，在貫入度滿足停錘標(biāo)準(zhǔn)后，鋼管樁埋深不足，鋼管樁底部卷口情況嚴(yán)重，無法進(jìn)行后續(xù)的灌注樁施工。

為解決此問題確保施工順利進(jìn)行，采用了旋挖鉆機(jī)輔助沉放鋼護(hù)筒的新的施工工藝方法。施工時(shí)先利用導(dǎo)向架將護(hù)筒定位后采用振動(dòng)錘進(jìn)行沉設(shè)，護(hù)筒沉設(shè)時(shí)按貫入度及入巖深度雙控。當(dāng)貫入度變化不大，入巖深度不滿足平臺(tái)行走時(shí)將旋挖鉆機(jī)開上平臺(tái)前端，進(jìn)行旋挖跟進(jìn)后，復(fù)沉直到滿足要求平臺(tái)前移就位。護(hù)筒沉設(shè)完畢后旋挖鉆機(jī)開上平臺(tái)尾部進(jìn)行樁基旋挖，如圖2 所示。旋挖完成后按常規(guī)方法進(jìn)行灌注樁施工。

圖2 旋挖鉆旋挖護(hù)筒跟進(jìn)施工Fig.2 Rotary drilling and drilling excavation casing follow-up construction

4.2 鋼護(hù)筒入巖深度

為了保證步履式頂推平臺(tái)施工穩(wěn)定性，護(hù)筒需滿足入巖深度的要求。

1）豎向承載力

鋼護(hù)筒為打入樁，樁端載體為泥巖，根據(jù)JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》按鋼護(hù)筒入中風(fēng)化泥巖厚度1 m 考慮，計(jì)算單樁豎向承載力為2 316 kN。

根據(jù)總體計(jì)算，單樁最大豎向支撐力為2 100 kN，按照表層覆蓋層厚度0.4 m，礫巖層3 m 及泥巖層1 m 的樁底入土深度，單樁豎向承載力能夠滿足頂推平臺(tái)支撐使用要求。

2）水平承載力

水平荷載為履帶吊+鋼筋籠行走水平力、波浪力、水流力。其中履帶吊起吊鋼筋籠行走水平力按照7:3 分布在兩條履帶式，由3 根鋼護(hù)筒承受。

經(jīng)計(jì)算，各部分水平力如表2 所示。

表2 單樁水平力計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of horizontal force of single pile

鋼護(hù)筒施工區(qū)域最大底高程l1=8.4 m，樁頂標(biāo)高l2=5.74 m，分別按照鋼護(hù)筒入土深度h1=3 m、h2=3.5 m、h3=4 m 進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，根據(jù)朗肯土壓力計(jì)算傾覆彎矩對(duì)樁側(cè)土體產(chǎn)生的壓應(yīng)力，根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》驗(yàn)算不同入土深度對(duì)應(yīng)底部樁側(cè)土體極限水平壓應(yīng)力，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同入巖深度下樁側(cè)土體水平壓應(yīng)力Table 3 Horizontal compressive stress of pile-side soil under different rock depths

根據(jù)計(jì)算，3 m 入土深度不能滿足穩(wěn)定性要求，鋼護(hù)筒至少入土約3.5 m 才能滿足使用要求。

4.3 頂推平臺(tái)深化設(shè)計(jì)

為了降低施工難度和成本，從兩個(gè)方面對(duì)步履式頂推平臺(tái)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)：1）增加鋼管樁平聯(lián)，減小履帶吊行走時(shí)單根護(hù)筒水平力從而減小鋼護(hù)筒入巖深度；2）增加旋挖鉆，采用護(hù)筒沉放+旋挖跟進(jìn)的工藝解決鋼護(hù)筒無法沉放到設(shè)計(jì)標(biāo)高的問題。

1）鋼護(hù)筒平聯(lián)

由于海上風(fēng)浪大，常規(guī)的平聯(lián)管焊接在鋼護(hù)筒上進(jìn)行連接施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。頂推平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)將樁頂裝置各支撐底座之間通過可調(diào)絲桿進(jìn)行連接，使鋼管樁連接成整體，安拆方便，降低了施工成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。

考慮鋼護(hù)筒之間加入橫聯(lián)，履帶吊行走水平力分布在8 根鋼護(hù)筒上，單根鋼護(hù)筒最大水平力為30 kN，對(duì)入巖3 m 工況重新進(jìn)行復(fù)核計(jì)算滿足水平承載要求。鋼護(hù)筒增加平聯(lián)后，入巖3 m即能夠滿足水平承載要求。

2）增加旋挖鉆

頂推平臺(tái)由樁頂頂推定位裝置、承載平臺(tái)、作業(yè)平臺(tái)、導(dǎo)向架、操作走道和液壓控制系統(tǒng)等幾部分組成。頂推平臺(tái)上布置履帶吊及旋挖鉆機(jī)各一臺(tái)，當(dāng)護(hù)筒埋深達(dá)不到平臺(tái)承載力要求時(shí)，采用旋挖鉆機(jī)輔助進(jìn)行護(hù)筒沉放。頂推平臺(tái)平面布置如圖3 所示。

圖3 頂推平臺(tái)平面布置圖Fig.3 Top push platform floor plan

5 鉆孔樁施工

5.1 總體施工工藝

施工工藝為：頂推平臺(tái)就位→導(dǎo)向架定位→護(hù)筒沉設(shè)及旋挖跟進(jìn)→平臺(tái)后方鉆孔旋挖→平臺(tái)前移。

首先選擇在風(fēng)浪較小的時(shí)機(jī)定位并沉放臨時(shí)支撐鋼管，通過平聯(lián)進(jìn)行連接，然后在臨時(shí)支撐鋼管上拼裝頂推平臺(tái)。

頂推平臺(tái)前端設(shè)有可橫向滑動(dòng)的導(dǎo)向架，碼頭樁基施工時(shí)，通過作業(yè)平臺(tái)前端的導(dǎo)向架精確定位鋼護(hù)筒，采用液壓振動(dòng)錘和履帶吊配合沉放鋼護(hù)筒至設(shè)計(jì)標(biāo)高。碼頭樁基鋼護(hù)筒沉放在作業(yè)平臺(tái)上逐排架進(jìn)行施工，作業(yè)平臺(tái)前移過程中支撐逐漸由臨時(shí)鋼管樁轉(zhuǎn)換到碼頭樁基的鋼管樁上，同時(shí)在作業(yè)平臺(tái)尾部配有旋挖鉆，形成前端沉放鋼護(hù)筒后端進(jìn)行鉆孔樁施工的工藝。

5.2 鋼護(hù)筒沉放

樁基護(hù)筒無法一次施打到設(shè)計(jì)持力層時(shí)，為了滿足頂推平臺(tái)移位要求及避免旋挖過程中塌孔，采用旋挖跟進(jìn)的方式進(jìn)行施工，如圖4 所示。首先打開導(dǎo)向架龍口，由履帶吊和振動(dòng)錘進(jìn)行鋼護(hù)筒沉放，當(dāng)護(hù)筒貫入度達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止振動(dòng)，如護(hù)筒底未達(dá)到設(shè)計(jì)深度，用旋挖鉆進(jìn)行旋挖跟進(jìn)，旋挖深度不得高于護(hù)筒埋深0.5 m。旋挖完成后繼續(xù)用振動(dòng)錘沉樁，直至護(hù)筒底達(dá)到設(shè)計(jì)持力層且達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止沉樁，打開攏口切割樁頭至設(shè)計(jì)標(biāo)高后將導(dǎo)向架移動(dòng)至下一根樁，開始下一根護(hù)筒施工。

圖4 碼頭樁基鋼護(hù)筒沉放Fig.4 Sinking of dock pile base steel casing

5.3 樁頂裝置安裝

依次完成第1 排4 根鋼護(hù)筒施工，施工過程密切觀察平臺(tái)是否發(fā)生移位，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。沉放完成后測(cè)量新施工鋼護(hù)筒樁頂標(biāo)高和水平偏差，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)整待安裝樁頂頂推置高度后，將樁頂裝置安裝在第1 排鋼護(hù)筒。

5.4 鉆孔灌注樁施工

將履帶吊臨時(shí)固定，完成平臺(tái)頂推前檢查后將平臺(tái)向前頂推1 個(gè)樁間距，正常情況下頂推過程耗時(shí)約4 h。依次循環(huán)完成第2—4 排鋼護(hù)筒，平臺(tái)行走到位后，將旋挖鉆機(jī)從棧橋開上平臺(tái)尾部，進(jìn)行第1 排樁鉆孔作業(yè)，裝載機(jī)完成鉆孔渣土轉(zhuǎn)運(yùn)，鉆孔完成后，將混凝土罐車開上平臺(tái)，完成混凝土灌注。同時(shí)履帶吊在前端進(jìn)行第5 排鋼護(hù)筒沉放施工。

胡布碼頭項(xiàng)目采用兩套頂推平臺(tái)施工，實(shí)施效果良好，相對(duì)于滿鋪平臺(tái)施工為項(xiàng)目節(jié)約工期4 個(gè)月，節(jié)約施工成本118 萬美元。

6 結(jié)語

步履式頂推平臺(tái)采用工程樁進(jìn)行支撐，前端采用導(dǎo)向架及旋挖鉆進(jìn)行護(hù)筒沉放，后部旋挖鉆跟進(jìn)進(jìn)行鉆孔樁施工，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下方面：

1）施工精度高。導(dǎo)向架固定在作業(yè)平臺(tái)前端，可在平臺(tái)滑道上橫向移動(dòng)，并通過液壓系統(tǒng)對(duì)護(hù)筒平面位置進(jìn)行精確調(diào)整，確保了樁基施工精度。

2）施工成本低。頂推平臺(tái)為型鋼組裝，安拆方便，不必另外搭設(shè)施工平臺(tái)，節(jié)約了施工成本。

3）受波浪影響小。頂推平臺(tái)采用工程樁支撐，減小了波浪對(duì)作業(yè)平臺(tái)的影響，作業(yè)窗口期從允許波高0.5 m 提高到3.5 m，增加了有效施工時(shí)間，縮短了工期。

4）采用旋挖鉆配合步履式頂推平臺(tái)進(jìn)行護(hù)筒旋挖跟進(jìn)沉設(shè)的方法，解決了長(zhǎng)周期波涌浪條件下淺覆蓋層或無覆蓋層海上鉆孔灌注樁施工的難題。將鋼管樁沉樁、樁基成孔、鋼筋籠安裝、混凝土澆筑等工序集為一體，施工安全風(fēng)險(xiǎn)低，經(jīng)濟(jì)效益高，取得了良好的施工效果。