海外砂礫結(jié)層地質(zhì)條件下鋼管樁施工技術(shù)

鄭志偉，莫洪川

（中交二航局巴基斯坦分公司，巴基斯坦 卡拉奇 999010）

柴油錘打樁技術(shù)是一種被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐的技術(shù)，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，加上選取的錘型不當(dāng)，導(dǎo)致打樁失敗的事例時(shí)有發(fā)生。文章依托巴基斯坦卡拉奇市卡西姆港中交二航局巴基斯坦分公司承建施工的液化天然氣碼頭工程項(xiàng)目，根據(jù)鋼管樁實(shí)際施工情況，從地質(zhì)條件分析、沉樁設(shè)計(jì)要求、錘型選擇、沉樁施工以及樁基試驗(yàn)檢測結(jié)果等各方面分析并總結(jié)，得出在硬質(zhì)砂礫結(jié)層地質(zhì)條件下，使用大能量D180型筒式柴油打樁錘沉樁的實(shí)施效果。

1 工程概況

1.1 概述

巴基斯坦卡西姆港液化天然氣碼頭泊位總長375m，碼頭設(shè)計(jì)采用的是雙船并靠的靠泊模式，可同時(shí)?？?艘規(guī)格為17.1×104m3的浮式儲(chǔ)存氣化裝置（FSRU）和1艘規(guī)格為21.6×104m3的LNG運(yùn)輸船。碼頭類型為高樁式結(jié)構(gòu)形式，下部結(jié)構(gòu)為鋼管樁，上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土墩臺(tái)。

1.2 鋼管樁設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼管樁樁長36.9～39.0m、樁徑φ1.25m、壁厚20mm，材質(zhì)為Q345b，數(shù)量共106根，其中直樁4根，10∶1斜樁9根，5∶1斜樁37根，4∶1斜樁56根。樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高+5.9m，最大樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高-30.0m。鋼管樁兩端各50cm范圍內(nèi)加焊20mm厚加強(qiáng)鋼板，并且在樁頂1～4m范圍均勻布置7道剪力鍵以抵抗沉樁時(shí)錘擊剪應(yīng)力，如圖1所示。

圖1 鋼管樁結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2 沉樁設(shè)備配置

2.1 打樁船

根據(jù)水上沉樁施工需要及鋼管樁設(shè)計(jì)特點(diǎn)，選用“航工樁四”打樁船施工該工程鋼管樁?！昂焦端摹贝驑洞饕阅軈?shù)如表1所示。

2.2 打樁錘

經(jīng)與設(shè)計(jì)單位討論溝通，為確保順利完成鋼管樁施工任務(wù)，沉樁施工配置D180型筒式柴油打樁錘。D180型筒式柴油打樁錘主要性能參數(shù)如表2所示。根據(jù)工程地質(zhì)條件，采用美國PDI公司研發(fā)的GRLWEAP軟件進(jìn)行沉樁可行性分析，分析結(jié)果為采用D180柴油錘可將鋼管樁施打至設(shè)計(jì)標(biāo)高，鋼管樁承受最大壓應(yīng)力為251.288MPa、最大拉應(yīng)力為44.835MPa。

表1 “航工樁四”打樁船主要性能參數(shù)表

表2 D180型柴油錘主要性能參數(shù)表

3 施工工藝流程

3.1 施工準(zhǔn)備

鋼管樁沉樁施工需考慮打樁船船體移動(dòng)和斜樁扭角對附近樁位的影響，施工前統(tǒng)一合理排序，確保樁基施工順序可行，并且達(dá)到提高施工效率的目的。

鋼管樁在堆存區(qū)運(yùn)至施工現(xiàn)場之前，按1m每道設(shè)置刻度標(biāo)示線，在樁頭以下10m范圍內(nèi)按10cm每道加密刻度標(biāo)示線，以便沉樁時(shí)觀測貫入度。

3.2 鋼管樁轉(zhuǎn)運(yùn)

鋼管樁陸上通過炮車運(yùn)至臨時(shí)碼頭，再通過臨時(shí)碼頭上運(yùn)樁駁水上運(yùn)至施工現(xiàn)場。鋼管樁共設(shè)置兩個(gè)吊耳，分別焊接在樁端0.207L處。

3.3 打樁船定位

打樁船由拋錨艇拖移至預(yù)定具體施工位置，進(jìn)行拋錨穩(wěn)固定位，利用錨纜移動(dòng)船位。

3.4 起吊、立樁入龍口

運(yùn)樁駁到達(dá)施工區(qū)域定位后，移動(dòng)打樁船至運(yùn)樁駁側(cè)起吊鋼管樁。樁基起吊點(diǎn)與樁基運(yùn)輸?shù)跹b起吊點(diǎn)相同。打樁船平行起吊鋼管樁離開運(yùn)樁駁后，移位遠(yuǎn)離運(yùn)樁駁，移動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行立樁，并將樁架立直。使用樁架上抱樁器環(huán)抱住鋼管樁，提升樁身使樁頂套入替打。

3.5 測量定位

由打樁船自帶GPS進(jìn)行定位，岸上全站儀配合核對，根據(jù)試驗(yàn)樁及經(jīng)驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)，直樁下樁時(shí)樁位向前搶位10cm左右，斜樁下樁時(shí)根據(jù)仰俯樁的不同分別向前后搶位15～20cm，下樁后測量復(fù)核樁位，同時(shí)檢測樁基的垂直度（斜率）。樁位及樁身垂直度均滿足設(shè)計(jì)要求后開始?jí)哄N，壓錘后再次復(fù)核樁位及樁身垂直度，滿足要求后開始錘擊沉樁[1]。

3.6 錘擊沉樁

錘墊采用φ28鋼絲繩切割制作，縱橫分層鋪設(shè)制成。沉樁施工初打時(shí)一般下沉量較大，宜低錘輕打，隨著入土深度增加、貫入度減小，起錘高度逐步增加，直至達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)后停錘。

該工程鋼管樁停錘標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)高、貫入度和錘擊數(shù)三控。

（1）對壓樁力為主的樁：①樁底標(biāo)高≤-27m，貫入度＜3mm，且總錘擊數(shù)＞1800，可終錘；②樁底標(biāo)高≤-26m，貫入度＜3mm，且總錘擊數(shù)＞2000，可終錘。

（2）對拉樁力為主的樁：①樁底標(biāo)高≤-29m，貫入度＜2mm，且總錘擊數(shù)＞2000，可終錘；②樁底標(biāo)高≤-27m，貫入度＜2mm，且總錘擊數(shù)＞2500，可終錘。

在錘擊沉樁施工過程中，如出現(xiàn)貫入度突變異常、樁身下降過快、突然傾斜、移位過大等現(xiàn)象，應(yīng)即刻停錘，待查明原因、采取有效措施后再行施工。

3.7 夾樁施工

該工程斜樁懸臂端較長，并受水流、風(fēng)浪、潮流等因素作用影響，為避免單樁在外力作用下發(fā)生傾斜以至破壞，鋼管樁一旦形成排樁或群樁后及時(shí)進(jìn)行夾樁處理，夾樁使用鋼抱箍和型鋼，將單根樁聯(lián)結(jié)形成整體。夾樁施工時(shí)注意高程控制，方便后續(xù)上部墩臺(tái)現(xiàn)澆混凝土施工。

4 質(zhì)量措施

4.1 試驗(yàn)樁

鋼管樁施工前進(jìn)行一組試驗(yàn)樁施工，同時(shí)進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)測試樁和單樁抗壓抗拔荷載試驗(yàn)。試樁的目的是為合理選擇樁基持力層，確定樁基承載力，為樁基設(shè)計(jì)參數(shù)的確定提供最直接的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過試驗(yàn)樁驗(yàn)證沉樁工藝的可行性及合理性，為鋼管樁施工樁錘的選擇和施工工藝的優(yōu)化提供事實(shí)依據(jù)[2]。具體來說，通過試驗(yàn)樁可掌握鋼管樁在各土層時(shí)的施打特點(diǎn)，從而優(yōu)化沉樁工藝，并確定單樁軸向抗拔和抗拉承載力，為設(shè)計(jì)和施工確定樁長、選擇樁錘提供依據(jù)，為設(shè)計(jì)制定沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

4.2 沉樁控制

（1）樁錘、替打和鋼管樁應(yīng)始終保持在同一直線上，避免沉樁過程中發(fā)生打樁錘偏擊情況。

（2）通過試驗(yàn)樁施工測量校核分析，找到經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，預(yù)留出打樁偏位的提前量，確保最終的沉樁偏位滿足規(guī)范要求。

（3）在自沉和壓錘時(shí)，如發(fā)現(xiàn)鋼管樁偏位過大，應(yīng)提起重新定位，禁止在沉樁過程中通過擠樁糾偏，以免使鋼管樁變形破壞[3]。

（4）樁基施工時(shí)，須根據(jù)潮位的變化適時(shí)調(diào)整定位纜繩，以確保打樁船不移位，并且防止打樁船部分錨纜過大受力。

（5）錘擊沉樁應(yīng)連續(xù)不間斷，盡量避免中途停錘，以免土層應(yīng)力恢復(fù)而增加沉樁阻力。

（6）根據(jù)停錘標(biāo)準(zhǔn)控制沉樁過程，避免出現(xiàn)欠打和超打的情況。

4.3 工程樁試驗(yàn)檢測

該工程鋼管樁檢測包括軸向抗壓抗拔試驗(yàn)和高應(yīng)變檢測兩種，其中高應(yīng)變試驗(yàn)檢測樁基數(shù)量16根，軸向抗拔抗拉試驗(yàn)檢測樁基數(shù)量1根。軸向抗壓抗拔試驗(yàn)用于檢測鋼管樁抗壓和抗拔承載力，高應(yīng)變試驗(yàn)用于檢測鋼管樁承載力和完整性，確保鋼管樁沉樁質(zhì)量能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

5 沉樁實(shí)施效果

該工程鋼管樁最終沉樁效果良好，按照設(shè)計(jì)停錘標(biāo)準(zhǔn)，所有樁基終錘后的底標(biāo)高基本上都控制在設(shè)計(jì)標(biāo)高2m范圍內(nèi)。全部16根檢測的樁基動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果均顯示樁基承載力良好，符合設(shè)計(jì)要求；工程樁靜載試驗(yàn)沉降（拔起）值也滿足規(guī)范要求。此處列舉停錘貫入度一樣、錘擊數(shù)相差不多的編號(hào)為MD3-1B和MD3-3B的2根鋼管樁動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果作對比，如表3所示。MD3-1B和MD3-3B平面位置相距6m，MD3-1B樁底標(biāo)高高于MD3-3B，但是高應(yīng)變試驗(yàn)承載力遠(yuǎn)大于后者，充分證實(shí)了砂礫板結(jié)層這種復(fù)雜地質(zhì)對沉樁效果影響較大。

表3 鋼管樁動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果對比表

該工程通過嚴(yán)格執(zhí)行前述的質(zhì)量措施，確保了鋼管樁的偏位、垂直度等成樁質(zhì)量，樁基施工的各種設(shè)計(jì)參數(shù)均能控制在設(shè)計(jì)要求誤差范圍。另外，統(tǒng)一編排了合理的打樁順序，不僅保證了順利準(zhǔn)確地完成所有樁基施沉，而且減少了打樁船移錨次數(shù)，節(jié)約了船舶和人工的耗用，加快了沉樁速度，有效提高了施工工效，確保了鋼管樁施工任務(wù)的保質(zhì)保量完成。

6 結(jié)束語

巴基斯坦卡拉奇市卡西姆港液化天然氣碼頭工程項(xiàng)目，在鋼管樁施工區(qū)域存在硬質(zhì)砂礫結(jié)層的復(fù)雜地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)入土深度要求標(biāo)準(zhǔn)高的前提下，通過合理地選用“航工樁四”打樁船+D180大能量筒式柴油打樁錘的水上沉樁施工工藝，順利完成鋼管樁沉樁任務(wù)且實(shí)施效果良好，各項(xiàng)動(dòng)、靜載試驗(yàn)檢測結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，可為后續(xù)該地區(qū)及類似地質(zhì)條件下工程鋼管樁施工提供參考。