無覆蓋層條件下碼頭鉆孔樁一體化施工技術(shù)

薛志武

(1. 中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司， 湖北 武漢430040；2. 海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室， 湖北 武漢430040；3. 交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心， 湖北 武漢430040)

傳統(tǒng)的海上無覆蓋層地質(zhì)條件下鉆孔樁一般采用滿鋪平臺法或人造基床法施工[1]。 滿鋪平臺法是在待沉樁工位處搭設(shè)滿鋪施工平臺， 在平臺上利用導(dǎo)向結(jié)構(gòu)采用栽樁法進行嵌巖施工， 施工平臺隨鋼管樁的沉沒依次向前鋪設(shè)。 在外海強涌浪條件下平臺搭設(shè)施工難度大、 拆除風險大、 成本高， 總體效率較低。 人造基床法是在樁位處預(yù)先施工滿足穩(wěn)樁條件的較大厚度水下人造基床， 在人造基床范圍內(nèi)采用傳統(tǒng)打樁方法進行鋼護筒沉設(shè)， 形成施工平臺后， 再進行嵌巖樁鉆孔作業(yè)。 人造基床法施工水上工程量大、 適用范圍窄、 對環(huán)境影響大， 適用于波浪較小的無覆蓋層區(qū)域嵌巖樁施工。

本文結(jié)合巴基斯坦中電胡布燃煤電廠煤碼頭工程， 通過以鋼護筒為支撐結(jié)構(gòu)， 確立以樁頂支撐步履式頂推平臺為核心的鉆孔樁流水作業(yè)， 形成無覆蓋層條件下鉆孔樁施工新技術(shù)。

1 工程概況

巴基斯坦中電胡布燃煤電廠是中電國際與巴基斯坦Hubco 公司合資成立的中電胡布發(fā)電公司(CPHGC)開發(fā)的一座基于進口煤炭的2×660 MW燃煤發(fā)電項目。 電廠煤碼頭位于巴基斯坦俾路支省HUB 河口附近， 為專用煤炭進口碼頭， 有2 個1 萬t 泊位， 年煤炭進口量440 萬t。 工程內(nèi)容主要包括長488 m 引堤、 507 m 引橋、 265 m 煤碼頭和727 m 防波堤[2]， 如圖1 所示。

圖1 工程總體布置

碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)， 平面尺寸為265 m×24 m(長×寬)， 基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁， 樁基設(shè)計頂高程4.65 m； 共34 個排架， 排架間距8 m， 每個排架下設(shè)4 根直徑1 350 mm 灌注樁， 采用直徑1 450 mm、 壁厚14 mm 的護筒， 碼頭樁基總計136 根； 上部結(jié)構(gòu)采用梁板結(jié)構(gòu)， 樁基上現(xiàn)澆橫梁、 安裝縱梁、 預(yù)制面板， 現(xiàn)澆面層及磨耗層形成碼頭平臺結(jié)構(gòu)。 碼頭前沿設(shè)橡膠護舷、 爬梯和系船柱等。

碼頭施工區(qū)域?qū)崪y有效波高Hs的平均值為3.13 m， 最大值為5.38 m， 對應(yīng)波向為SSW， 平均周期的平均值為9.61 s， 最大值為12.7 s， 是典型的中長周期波浪條件。

碼頭工程區(qū)域地層主要為強風化礫巖、 強風化泥質(zhì)粉砂巖、 中風化泥質(zhì)粉砂巖， 強風化礫巖主要厚度在3～5 m， 5 m 以下為強風化泥質(zhì)粉砂巖、 中風化泥質(zhì)粉砂巖， 無軟質(zhì)覆蓋層。 通過地形數(shù)據(jù)和水下攝像分析， 碼頭區(qū)域海底表床多處存在高度0.2～1.5 m 不規(guī)則的礁盤， 礁盤分布見圖2。

圖2 工程區(qū)域礁盤分布(深色為礁盤分布)

2 樁基施工方案比選

本工程直面阿拉伯海， 長周期涌浪海況特征明顯， 不利于船舶水上作業(yè)， 常規(guī)的自升式平臺或打樁船難以施工。 碼頭施工海域地質(zhì)情況復(fù)雜， 海床無覆蓋層， 護筒施打困難， 護筒若無法一次沉設(shè)到泥巖面， 需要鉆機跟進， 將嚴重影響進度， 直接關(guān)系到季風期來臨之前卸船機能否安裝到位。 根據(jù)工程結(jié)構(gòu)和環(huán)境特點， 提出滿鋪平臺法和樁頂支撐步履式頂推平臺(簡稱“頂推平臺”)兩種樁基施工方案。

2.1 滿鋪平臺法

依托鋼棧橋逐排進行護筒沉設(shè)， 每排護筒沉設(shè)到位后利用布置在棧橋上的吊車進行滿鋪平臺安裝。 平臺縱橫梁支撐在護筒頂口焊接的鋼牛腿上[3]。 由于鋼護筒頂高程低于鋼棧橋頂面2.3 m，須在前7 跨設(shè)置斜坡從鋼棧橋到達滿鋪平臺。 平臺搭設(shè)完成后， 按梅花形分布進行鉆孔樁作業(yè)。根據(jù)設(shè)計方案， 單跨平臺鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量約65 t， 按40%結(jié)構(gòu)可輪換使用計算， 全碼頭樁基施工須投入鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量約1 310 t， 方案如圖3 所示。

圖3 滿鋪平臺法施工

滿鋪平臺法技術(shù)成熟， 工藝簡單。 但對于本工程， 存在以下問題: 1)因棧橋?qū)挾扔邢蓿?滿鋪平臺鋪設(shè)及灌注混凝土時， 對棧橋交通影響較大；2)滿鋪平臺與棧橋間存在2.3 m 的高差， 導(dǎo)致鋼筋籠起吊和鉆渣的轉(zhuǎn)運困難； 3)對于滿鋪平臺，如前期護筒沉設(shè)時護筒底口未進入中風化泥巖，護筒為承重樁， 無法進行護筒跟進， 鉆孔時如發(fā)生塌孔， 會威脅平臺安全； 4)鉆孔后護筒可能發(fā)生沉降， 增加牛腿焊縫所受荷載； 5)樁基灌注完成后的一定時間內(nèi)， 滿鋪平臺上設(shè)備暫時不可移動， 平臺晃動影響樁基質(zhì)量。 經(jīng)工效分析， 從護筒沉設(shè)到平臺搭設(shè)， 最后進行鉆孔樁澆注， 單個排架施工周期為8 d， 全部樁基完成需要約9 個半月。綜合來看， 滿鋪平臺法設(shè)備和臨時措施投入較大，存在較大安全風險， 且在工效方面無法滿足要求。

2.2 樁頂支撐步履式頂推平臺施工

依托鋼棧橋在第1 排和第34 排樁的兩端頭打設(shè)3 排直徑800 mm、 壁厚14 mm 的鋼管樁作為起始平臺， 在起始平臺各拼裝一套頂推平臺[4]。 分別從碼頭兩端開始按順序逐跨推進施工， 平臺前端沉設(shè)鋼護筒， 后部進行鉆孔樁嵌巖施工和澆注。施工完一個排架后利用樁頂?shù)捻斖圃O(shè)備向前移一個樁間距， 循環(huán)施工直至兩套平臺會合。 利用頂推平臺上履帶吊完成平臺拆除， 方案如圖4 所示。

圖4 樁頂支撐步履式頂推平臺施工

頂推平臺單套質(zhì)量為415 t， 依托平臺上的旋挖鉆機， 履帶吊和平臺自帶的導(dǎo)向裝置可完成鋼護筒沉設(shè)和鉆孔樁施工， 平臺高程與鋼棧橋相同， 可作為鋼筋籠吊裝、 鉆渣存儲及罐車自卸車的掉頭場地， 有利于保持棧橋交通暢通。 此外，兩套頂推平臺的人員和設(shè)備投入量較滿鋪平臺法減少約30%。 頂推平臺作為一種新型施工裝備，此前被成功應(yīng)用于以色列Ashdod 港Q28 碼頭鋼管樁施工， 在惡劣海況下可作為可靠的沉樁平臺。

沉設(shè)1 個排架的4 根鋼護筒時間約1 d， 4 根樁的鉆孔灌注時間約3 d， 平臺移位時間約0.5 d，即單個排架鉆孔樁施工周期4.5 d。 該工藝較滿鋪平臺法在工效和成本上均有較大優(yōu)勢， 平臺樁頂裝置可適應(yīng)±100 mm 范圍的支撐樁高程偏差與沉降， 安全性也較好。 但是存在一定的技術(shù)風險，這是頂推平臺首次用于惡劣海況無覆蓋層條件下的鉆孔樁施工， 施工環(huán)境和荷載較單一的鋼管樁沉設(shè)更為復(fù)雜和惡劣[5]。 經(jīng)綜合比選， 本工程樁基采用頂推平臺法施工。

3關(guān)鍵工藝

頂推平臺由樁頂頂推定位裝置、 作業(yè)平臺、導(dǎo)向裝置、 起重與打樁系統(tǒng)和成孔與成樁系統(tǒng)等主要部件組成， 如圖5 所示。 平臺支撐在已沉鋼護筒樁頂上。 其工作原理為: 將頂推定位裝置安裝于樁頂， 作業(yè)平臺支撐在頂推定位裝置上， 由高度調(diào)節(jié)裝置、 頂推設(shè)備和導(dǎo)向裝置實現(xiàn)鋼護筒的快速、 精確定位和沉樁作業(yè)。 通過控制系統(tǒng)對機構(gòu)空間運動、 支撐裝置交替承載過程進行控制，使得平臺以無水平力方式進行步履前移至下一排沉樁樁位。 頂推平臺規(guī)避了波浪對平臺設(shè)備的作用， 消除了波浪對沉樁作業(yè)的影響。

圖5 頂推平臺系統(tǒng)組成

平臺前部為沉樁作業(yè)區(qū)， 后部為樁基鉆孔成樁作業(yè)區(qū)。 在無覆蓋層條件下， 依托頂推平臺施工鉆孔灌注樁的關(guān)鍵工藝為: 1)在棧橋上采用“釣魚法” 施打3 排鋼管樁作為起始平臺， 在起始平臺上拼裝頂推平臺。 2)頂推平臺前端設(shè)置的下沉式導(dǎo)向裝置抱持鋼護筒， 進行鋼護筒初打， 初打入土深度不超過20 cm， 然后旋挖鉆進行掏孔跟進。 3)采用鉆打交替工藝將護筒施打至穿透強風化礫巖， 然后復(fù)打至入泥巖0.5 ～1 m。 4)平臺尾部利用旋挖鉆進行樁基的旋挖， 利用裝載機等運輸棄渣。 旋挖到位后在平臺上完成清孔等工作。5)鉆孔完成后， 下放鋼筋籠， 將混凝土罐車開上平臺， 完成混凝土灌注。 鉆孔灌注樁施工完成后，平臺前移至下一排樁位， 如此循環(huán)施工， 如圖6所示。

圖6 無覆蓋層條件鉆孔樁一體化施工關(guān)鍵工序

本工藝依托頂推平臺， 在其前、 后區(qū)域分別設(shè)置鋼護筒鉆打沉樁區(qū)和已沉護筒鉆孔成樁區(qū)交替平行流水施工， 實現(xiàn)了無覆蓋層條件下的鉆孔樁一體化施工。

4 頂推平臺結(jié)構(gòu)仿真分析

4.1 平臺荷載

平臺受到的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、 施工設(shè)備荷載、 旋挖鉆和履帶吊行走產(chǎn)生的水平力、 旋挖鉆施工產(chǎn)生的扭矩、 喂樁撞擊力、 波浪力、 沉樁荷載和風荷載[6]。

1)施工設(shè)備荷載主要包括發(fā)電機、 打樁錘、旋挖鉆和履帶吊等自重。

2)根據(jù)施工經(jīng)驗和設(shè)備參數(shù)， 旋挖鉆和履帶吊行走水平力按自重10%考慮。

3)旋挖鉆工作時， 動力頭回轉(zhuǎn)扭矩360 kN·m，等效作用到履帶支撐位置。

4)由于施工海況惡劣， 鋼護筒借助水深喂入導(dǎo)向裝置時晃動較大， 易發(fā)生碰撞， 需要考慮撞擊荷載。

5)波浪力考慮非季風期及平臺使用期270°方向波浪作用。 根據(jù)《海港水文規(guī)范》[7]， 波浪力荷載標準值按下式計算:

式中:pD為波浪力的速度分力(kN∕m)； ρ 為水的密度(t∕m3)；t為時間(s)；CD為速度力系數(shù)， 圓形截面取1.2；D為柱體的直徑(m)；u為水質(zhì)點軌道運動的水平速度(m∕s)；pI為波浪力的慣性分力(kN∕m)；CM為慣性力系數(shù)， 圓形截面取2.0；A為柱體的斷面面積(m2)。

6)鋼護筒沉設(shè)時， 頂部受到激振力作用， 須考慮護筒垂直度引起的激振力水平分力對平臺的作用。

4.2 工況組合

頂推平臺施工全過程包含喂樁、 鋼護筒沉設(shè)、旋挖鉆鉆孔、 灌注樁澆注和平臺移位等多個動作。施工階段不同的荷載差異很大， 平臺施工各階段最不利受力工況為:

1)施工準備階段為工況1: 履帶吊位于C、 D列樁之間帶鋼護筒行走， 旋挖鉆機在后端行走至D 列樁位置準備施工。

2)施工階段為工況2: 履帶吊位于C、 D 列樁之間進行B 列樁喂樁， 旋挖鉆機位于平臺后端進行D 列樁鉆孔施工。

3)行走階段為工況3: 推平臺完成第34 排鋼護筒施工， 向前頂推2.88 m 至平臺前端處于最大懸臂狀態(tài)， 履帶吊位于平臺橫向中央。

4.3 計算結(jié)果

應(yīng)用ANSYS 有限元軟件對平臺與鋼護筒進行模擬分析， 采用Beam188 單元建立模型。 材料屬性為理想的彈塑性本構(gòu)模型。 在建模過程中對結(jié)構(gòu)做了相應(yīng)簡化， 甲板平臺等沒有在有限元模型中進行體現(xiàn)， 而是將它們視為分布質(zhì)量加載到各節(jié)點、 單元上， 各部件連接簡化為節(jié)點耦合和接觸模擬。 荷載主要以節(jié)點力和加速度方式加載。

各工況計算結(jié)果見表1 和圖7、 8。

表1 頂推平臺各工況仿真分析結(jié)果

圖7 工況1 頂推平臺綜合應(yīng)力云圖(單位: MPa)

圖8 工況3 頂推平臺豎向位移云圖(單位: mm)

由表1 可知， 頂推平臺施工全過程最大應(yīng)力出現(xiàn)在平臺上設(shè)備行走狀態(tài)， 平臺和鋼護筒均采用Q345B 鋼， 結(jié)構(gòu)計算的最大應(yīng)力fmax為135.6 MPa，小于鋼材的抗拉抗彎強度設(shè)計值f(=310 MPa)，整體應(yīng)力水平較低， 結(jié)構(gòu)安全可靠， 平臺移位至最大懸臂狀態(tài)時， 縱梁端頭最大下?lián)?8.66 mm，頂推設(shè)備豎向行程150 mm， 變形不影響平臺移位。

單根護筒樁頂最大水平荷載57.1 kN， 最大豎向荷載2 033 kN。 鋼護筒為打入樁， 根據(jù)地質(zhì)勘察資料， 礫巖層平均厚度3.5 m， 根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》進行計算， 鋼護筒入土深度不小于4 m，豎向和水平承載力才能滿足平臺支撐要求。 故護筒沉設(shè)時， 穿透礫巖層后再復(fù)打入泥巖層0.5～1.0 m，在滿足支撐平臺要求的同時， 可以防止后續(xù)鉆孔發(fā)生塌孔。

5 實施效果

基于頂推平臺的無覆蓋層條件鉆孔樁一體化施工技術(shù)成功應(yīng)用于巴基斯坦胡布煤碼頭樁基施工。 該技術(shù)規(guī)避了波浪、 水流等復(fù)雜海況影響，營造出類似于陸上鉆孔樁施工的作業(yè)條件。 集鋼護筒施打、 鉆孔、 鋼筋籠下放、 樁基澆注功能于一體。 施工難度及風險大大降低， 精度和施工效率大幅提升。 鉆打交替的工藝解決了護筒沉設(shè)困難和滿足平臺支撐兩方面問題， 改變了無覆蓋層條件下的嵌巖樁施工技術(shù)。

胡布煤碼頭樁基在4 個月內(nèi)全部完成， 鉆孔灌注樁施工工效達到1.3 根∕d， 保證施工質(zhì)量的同時提前2 個月完工， 創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)論

1)基于頂推平臺的鉆孔樁一體化施工技術(shù)適用于中長周期波浪、 無覆蓋層條件和礁盤等復(fù)雜環(huán)境下的鉆孔樁施工。

2)在無覆蓋層條件下沉設(shè)鋼護筒時， 需要采用鉆孔設(shè)備同步跟進， 為防止護筒卷口， 單次施打深度不宜超過200 mm。 對于類似本工程規(guī)模的樁基施工， 入土深度不小于4 m 才能滿足平臺承載要求。

3)起重和鉆孔設(shè)備在平臺行走產(chǎn)生的水平力是頂推平臺主要的水平荷載， 平臺操作應(yīng)嚴格劃定沉樁和鉆孔作業(yè)區(qū)， 規(guī)定設(shè)備行走速度和方向。

4)鉆孔樁施工工藝流程較多， 頂推平臺上設(shè)備種類多， 人員集中。 頂推平臺應(yīng)制定嚴格、 詳細的管理規(guī)定。