復(fù)雜地基下雙定位沉樁系統(tǒng)應(yīng)用

羅澤 中交四航局第三工程有限公司

鋼管板樁組合結(jié)構(gòu)充分利用鋼管樁抗彎能力強的特點，作為組合體系中的主要受力構(gòu)件，承受碼頭后方全部的土壓力、水壓力，另外作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，還可以承受較大的豎向荷載。鋼板樁通過鎖扣與鋼管樁相連，鋼板樁承受管樁之間土拱范圍內(nèi)的土體壓力，并通過鎖扣將土壓力傳遞到鋼管樁，鋼板樁可較短，進入墻前沖刷土層下即可。鋼板樁的剛度相對于鋼管樁較小，兩者通過鎖扣連接協(xié)調(diào)變形，鋼板樁分擔的彎矩非常有限，鋼板樁具有較低的抗彎性能即能滿足要求，即“強柱弱梁”。1963年在日本首次運用以來，在世界各地深水碼頭都進行了使用，例如土耳其的YARIMCA15 萬噸級集裝箱碼頭、德國漢堡港15萬噸級No.7集裝箱泊位及比利時Zeebrugge Wielingen Dock &Albert II Dock等。鋼管組合板樁體系也應(yīng)用到各類城市土木的擋土止水圍護工程和橋梁基礎(chǔ)工程等方面，比如蔡甸漢江公路大橋的施工圍堰，日本的帷子川橋、東京港聯(lián)絡(luò)橋和古宇利大橋等。尼日利亞項目碼頭前墻樁采用管板組合樁結(jié)構(gòu)。

尼日利亞項目前墻樁最大樁徑2.3m，樁長41m，施工區(qū)存在不同深度硬質(zhì)夾層，項目通過改進定位系統(tǒng)，有效解決復(fù)雜地基下管板組合樁高精度施打難度的問題。

1.工程概況

尼日利亞項目工程采用鋼管樁+鋼板樁組合結(jié)構(gòu)型式，碼頭前沿設(shè)計水深-16.5m，碼頭面高程5.45m，建成后可?？孔畲蟠?8000TEU集裝箱船，年設(shè)計通過能力120萬標箱的大型集裝箱碼頭。前墻部分設(shè)計使用的是管板組合樁，樁體的規(guī)格設(shè)計為Φ2300mm+AZ26-700、Φ2000 mm+A Z 26-700。軌道梁部分的鋼管樁規(guī)格為Φ1150mm。后錨墻部分采用的鋼管樁規(guī)格為Φ1400mm。前墻與后錨鋼管樁之間通過φ1400mm GLG550鋼拉桿連接，間距3.76m和3.46m，1組2根，具體如表1所示。

表1 鋼管樁情況

2.地質(zhì)條件分析

結(jié)合地質(zhì)勘察報告數(shù)據(jù)來看，施工區(qū)域的地質(zhì)以砂性土為主，具體包括：中砂層、粗砂層、細砂層、黏性土層等。頂部為松散砂層，其下至約-7.5m左右為密實至非常密實的中粗砂層，標貫擊數(shù)多大于50N，最大可達150N。-10.0m～-11.0m左右開始出現(xiàn)粘土層，粘土標貫擊數(shù)在20N以內(nèi)。粘土層底部至設(shè)計樁底標高-38.0m之間局部存在1～10m密實砂層，其標貫擊數(shù)50N以上。

根據(jù)前墻鉆孔剖面圖，以ZK21為例鉆孔資料如下：密實土層主要①2-3，中粗砂層，埋深+1.7～-7.0m不等，全碼頭范圍，N=50～150；②8-1，中粗砂層，埋深-32 m～-37m，N=50～100。

3.雙定位沉樁系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 施工方案

沉樁是該工程項目中的核心路線，前墻部分配備2臺樁錘：1臺YZ-300振動樁錘、1臺Menck 550S液壓沖擊錘，前墻部分的沉樁作業(yè)還需要配備1臺400t和1臺280t履帶吊。根據(jù)實際施工情況400t吊機對樁體進行吊裝，280t吊機從旁輔助抬樁作業(yè)，鋼管樁沉樁一次成型，樁頂標高需滿足設(shè)計要求，當樁頂標高達到設(shè)計標高時，則可以開始板樁施工。施工過程中需設(shè)置鋼護筒、鋼護筒硬層清掏、鋼管樁施打、鋼護筒拆除、板樁施工部位松土及施打等工序。

前墻部分采用管板組合樁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的樁體對于沉樁作業(yè)的精準度要求非常嚴格，在實際施工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)樁體偏位、傾斜以及鎖扣扭轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。使用傳統(tǒng)鋼管樁定位架能對樁垂直度和偏位進行控制，但對鎖扣偏轉(zhuǎn)作用效果差。為了提高沉樁的總體精準度，采用鋼護筒+定位架雙定位系統(tǒng)，鋼護筒長10m為下沉式結(jié)構(gòu)埋置在土體中，定位架由工36a型鋼焊接而成，長度12m，寬度8m，高5m，一次安裝可施打3件鋼管樁。該系統(tǒng)降低鋼管樁振動初打以及沖擊錘復(fù)打高度，最大程度實現(xiàn)穩(wěn)樁過程調(diào)節(jié)，同時在復(fù)打時鋼管樁已入土3/4有效防止鎖扣扭轉(zhuǎn)，適用高精度要求的管樁組合樁結(jié)構(gòu)的管樁施工。

施工流程：埋置鋼護筒→定位架安裝→鋼護筒清孔作業(yè)→鋼管樁放入定位系統(tǒng)內(nèi)→鋼管樁振動錘穩(wěn)樁→拆除定位架→鋼管樁沖擊錘復(fù)打→鋼護筒拔除→板樁位松土處理→鋼板樁施工。

3.2 管樁使用前處理

管樁直接從加工場地運輸至施工現(xiàn)場，在這個過程中需要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)運，可能會出現(xiàn)管樁鎖口部位偏差較大、局部發(fā)生彎曲、鎖口部位出現(xiàn)扭曲等問題。

結(jié)合規(guī)范要求，需保證管樁鎖口足夠的平直通順，相互之間呈現(xiàn)出咬合狀態(tài)，在應(yīng)用之前需要對鎖扣進行檢查。檢查合格后，需要將鋼管樁兩側(cè)的鎖口底部作封閉處理，然后使用填充潤黃油在鎖口中，降低沉樁時鎖口的阻力。

管樁堆存場地需要保證足夠的平整、堅硬，可以采用多支點擺放方式，由于場地面積比較大，管樁堆放的高度應(yīng)控制在2層以內(nèi)。管樁設(shè)置2個吊點，吊裝作業(yè)時需要使用2臺40t的門機抬吊。

3.3 沉樁施工

3.3.1 鋼護筒制作

鋼護筒需剛度好、直徑一般大于工程樁樁徑30cm，項目根據(jù)現(xiàn)場實際情況選用鋼卷材質(zhì)X70作為鋼護筒制作材料，φ2600mm。頂部對稱焊接4個限位滾輪，為方便定位架安拆，滾輪與碼頭軸線呈45°方向布設(shè)。

3.3.2 鋼護筒施打

鋼護筒長10m施打時采用單層定位架，Φ700mm的輔助樁作為定位架支撐（同時作為工程樁樁架支撐輔助樁）單樁長度7m，總計需要4根。采用YZ-300液壓振動錘進行施打，鋼護筒位置和垂直度的精度是工程樁施打準確的前提：鋼護筒頂部水平偏位容許偏差為50mm，護筒傾斜度不超過1∶100。選擇使用埋置式鋼護筒作為定位方式進行施工，不僅降低整體高度，同時硬質(zhì)土層清掏起到護壁作用。

工程樁架安裝，護筒施打完畢后，將樁架安裝在輔助錨樁上，測量進行復(fù)核樁架軸線是否與前墻管樁中心軸線重合，定位架穿入于下方護筒與護筒結(jié)合形成雙重定位架，鋼護筒與定位架之間利用鋼板焊接連接形成整體。樁架分為兩層，底層為調(diào)整護筒限位滾輪作業(yè)平臺；二層為調(diào)整鎖扣扭角作業(yè)平臺，底層限位裝置在護筒頂部對稱方向設(shè)置4個可拆卸式滾輪，頂層限位裝置在碼頭縱向軸線為固定式凹槽滾輪。

3.3.3 硬質(zhì)層處理

結(jié)合地質(zhì)勘察報告，樁體施打區(qū)域?qū)俅嬖谟操|(zhì)夾層，為保證工程樁順利下放至設(shè)計標高位置，提前對淺層硬質(zhì)夾層2-3進行清孔處理，硬層的標高+1.7～-7.0m。在工程樁部位安裝Φ2600mm，鋼護筒長度為10m，鋼護筒安裝完成以后，采用水力法清砂裝置進行對筒內(nèi)土方清掏。鋼護筒工程量見表2。

表2 鋼護筒工程量

3.3.4 立樁及定位

采用400t履帶吊+280t履帶吊抬吊的方式起吊立樁。400t立在鋼管樁樁頭處，280t在樁尖處。兩臺主吊機同時緩慢起吊鋼絲繩使鋼管樁離地0.5m左右的高度，隨后樁頂起升的過程中，400t繼續(xù)緩慢起吊樁頭并慢慢向280t方向的前移，直至管樁與地面呈75°左右的角度，樁尖慢慢落地擱置在地面放穩(wěn)后，工人卸掉輔助吊機上吊鉤的卸扣和鋼絲繩。主吊機在緩慢扶正完成整個立樁過程。工程樁樁尖接近鋼護筒頂部時，施工人員從旁輔助，對準鋼護筒的中心位置，緩慢放入鋼護筒內(nèi)。樁尖距離鋼護筒內(nèi)部土層50cm時，則可以停止下樁作業(yè)，在技術(shù)人員的指揮下調(diào)整鎖口的位置，使鎖口與前墻的軸線保持在一條直線上，二者之間的偏差控制在設(shè)計范圍以內(nèi)。然后使用滾輪來調(diào)整樁體的水平位置與垂直度，水平與垂直度檢查合格以后，緩慢放下主鉤的鋼絲繩，待管樁穩(wěn)定以后則不再繼續(xù)下放，并鎖定限位導(dǎo)輪。而后，主鉤放松鋼絲吊繩，施工人員將鋼絲繩從吊鉤上摘除。使用振動錘鉗夾將管樁頂部夾緊，再次使用上下限位滾輪來調(diào)整管樁的位置及垂直度。限位滾輪優(yōu)先選擇使用橡膠材料，防止對防腐涂層破壞，利用滾輪來調(diào)整管樁的位置，需要注意管樁的位置要避免大幅度調(diào)整，減小對限位在凹槽滾輪中的鎖扣造成損傷。

3.3.5 鋼管樁沉樁施工

鋼管樁施打采用Y Z-300 振動錘+Mck550S沖擊錘，穩(wěn)樁先用YZ-300振動錘穩(wěn)樁調(diào)整樁位、垂直度和鎖扣扭角，鋼管樁剛?cè)胪岭A段調(diào)低振動錘轉(zhuǎn)速，減小振幅確保樁位精度，入土10m后調(diào)高轉(zhuǎn)速充分利用振動錘激振力將鋼管樁施打至上層定位架頂3.5m以上位置后停止，待3根管樁的穩(wěn)樁均完成后拆除上層定位架，換Mck550S沖擊錘將工程樁再繼續(xù)下打至護筒頂部暫停，使用送樁器將工程樁頂標高打至比護筒頂?shù)?5cm，使用YZ-300振動錘將護筒拔除，再繼續(xù)使用Mck550S沖擊錘將工程樁打至設(shè)計標高。根據(jù)設(shè)計要求樁位偏差控制在50mm以內(nèi)，垂直度控制在1/100以內(nèi)，鋼管樁鎖扣偏差控制在100mm以內(nèi)，鎖扣扭角控制在5°以內(nèi)。

3.3.6 插打鋼板樁

鋼板樁沉樁的標高為+0m，單樁的長度21m。結(jié)合施工可行性分析，需要提前對硬質(zhì)土層進行引孔處理，即使用螺旋鉆對硬質(zhì)層進行松土，引孔至-10m部位。使用150t吊機、ICE448液壓振動錘配合將鋼板樁振沉至設(shè)計標高。

3.3.7 施工效果

對初步設(shè)計的雙定位系統(tǒng)進行構(gòu)造搭建，進行多次工藝性試驗驗證，對定位系統(tǒng)進行了優(yōu)化和改進。雙定位系統(tǒng)整體剛度墻穩(wěn)定，通過建立有限元模型分析出強度、剛度穩(wěn)定性比傳統(tǒng)定位架更高，為沉樁精度控制提供了有力的支撐。

根據(jù)沉樁過程中的雙定位系統(tǒng)的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力值為50.8MPa，遠小于定位系統(tǒng)鋼材的屈服強度。根據(jù)沉樁過程中的雙定位系統(tǒng)的位移云圖，最大組合變形為6mm，可知雙定位系統(tǒng)在沉樁過程中變形在允許范圍內(nèi)。

采用雙定位系統(tǒng)裝置完成225根前墻鋼管樁施打，通過正態(tài)分布圖統(tǒng)計分析鎖扣扭角達到3σ水平，樁偏位達到4σ水平、垂直度以及鎖扣偏位達到6σ水平，遠高于設(shè)計要求精度，其中鎖扣扭角小于3.5°占比94.2%，樁偏位小于3cm占比96.8%，垂直度小于1/500占比91.5%。

4.結(jié)語

相較于純管樁或板樁結(jié)構(gòu)，組合樁結(jié)構(gòu)對樁偏位、垂直度、鎖扣偏位及鎖扣扭角要求更嚴格。采用鋼護筒+定位架施工工藝有效消除淺層硬質(zhì)夾層影響，并實現(xiàn)長樁短打、高樁矮打減少樁變形距離及概率。該沉樁工藝不僅可以實現(xiàn)高精度穩(wěn)定控制沉樁的效果，同時降低上層定位架在地表以上的高度，降低高空作業(yè)風(fēng)險，降低上層定位架重心高度，也就是該定位系統(tǒng)在地表以上5m，在地表以下8m，而傳統(tǒng)沉樁定位架地表以上高達十幾米，增大了高空作業(yè)風(fēng)險，穩(wěn)定性降低。此外，雙定位系統(tǒng)依靠將鋼護筒沉入土層，依靠大地這個天然剛體對鋼護筒的作用，可進一步提高雙定位沉樁控制系統(tǒng)的強度、剛度及穩(wěn)定性，以保證管樁沉樁施工質(zhì)量滿足設(shè)計及規(guī)范要求。