海上鋼管樁嵌巖施工技術(shù)

盤世集 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

樁基碼頭適用于軟弱的地基，但在風(fēng)化巖基上施工時(shí)，因打樁后巖基過淺，嵌巖深度不足，導(dǎo)致樁基抗彎、豎向承載力及抗拔力均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。針對這類問題，目前普遍采用的是嵌巖樁施工技術(shù)。

1.工程概況

該工程是惠州港東馬港區(qū)重件碼頭項(xiàng)目工程，該碼頭樁基為高樁墩式碼頭，鋼管樁共116 根，其中引橋31-38 軸鋼管樁32根，樁徑1000mm，樁長17.0～19.5m；碼頭丁靠鋼管樁40根，樁徑1000mm，樁長17.0～18.5m；靠船墩鋼管樁36根，樁徑1200mm，樁長18～22.5m；系纜墩鋼管樁8根，樁徑1000mm，樁長20.5～21.5mm。鋼管樁在廠家制作完成后運(yùn)至施工現(xiàn)場。因施工現(xiàn)場的中風(fēng)化巖面較高，本工程樁基采用預(yù)制型芯柱嵌巖樁，以中風(fēng)化巖為持力層，嵌巖深度4～8m，鋼管樁與芯柱結(jié)合成組合樁為碼頭提供承載力。

2.方案選擇及施工工藝

2.1 工藝基本原理

用打樁船按設(shè)計(jì)進(jìn)行樁位、樁孔、樁身等進(jìn)行鋼管樁沉樁的施工，位置選在最大風(fēng)化和中風(fēng)化的巖石界面；然后以鋼管樁為護(hù)筒，在鋼管樁中沖孔至設(shè)計(jì)要求的嵌巖深度，再進(jìn)行芯柱嵌巖混凝土灌注。鋼管樁的功能是：（1）可作為樁基承受施工鋼平臺荷載；（2）嵌巖施工時(shí)可作護(hù)筒使用，起到引孔定位作用；（3）在成樁后，與鋼筋混凝土芯柱共同承擔(dān)上部荷載。

表1 打樁船主要技術(shù)參數(shù)

表2 運(yùn)樁船主要技術(shù)參數(shù)

2.2 設(shè)備選型

2.2.1 鋼管樁沉樁設(shè)備選擇

針對施工區(qū)的水域情況，采用打樁船配D-128柴油錘進(jìn)行沉樁，采用1000t平板駁進(jìn)行鋼管樁運(yùn)輸。

2.2.2 嵌巖樁施工設(shè)備選擇

考慮地層巖性特點(diǎn)，靠船墩、系纜墩位置首選JKL-8式?jīng)_孔打樁機(jī)，對地層巖進(jìn)行嵌巖施工。輔助設(shè)備上要選用至少一臺22kW的泥漿泵進(jìn)行交換漿液，一臺12m空壓機(jī)進(jìn)行吹氣清理。JKL-8式?jīng)_擊鉆機(jī)的主要性能參數(shù)：①標(biāo)準(zhǔn)拉力：80kN；②拖拽速率：額定速度33m/min；③繩筒規(guī)格：直徑520mm，長度720mm，容繩量300m，傳動(dòng)比61.5；④鋼絲繩規(guī)格：直徑28mm；⑤動(dòng)力參數(shù)：ZQ-650型減速器，電動(dòng)機(jī)功率55kW，總重4.8t。

根據(jù)施工鋼平臺大小及承載力設(shè)計(jì)，丁靠結(jié)構(gòu)及引橋位置選用SR155型號旋挖鉆機(jī)進(jìn)行施工，可提高施工效率，輔助設(shè)備為50t履帶吊一臺輔助吊運(yùn)，斗容0.5m3小型挖掘機(jī)一臺輔助轉(zhuǎn)運(yùn)挖出的巖土，帶架子卷揚(yáng)機(jī)一臺負(fù)責(zé)灌注混凝土，SR155型號旋挖鉆機(jī)主要性能參數(shù)：①額定輸出扭矩：155KN·m；②加壓力155KN，起拔力160KN；③主卷揚(yáng)：鋼絲繩直徑26mm，最大速度80m/min,提升力160KN；④副卷揚(yáng)：鋼絲繩直徑14mm，最大速度80 m/min，提升力60KN；⑤鉆孔直徑：φ600mm～φ1500mm；⑥工作重量：48t。

2.2.3 鉆頭設(shè)計(jì)

按最大嵌巖深度8m的規(guī)定，沖孔打樁機(jī)采用梅花形鉆頭，旋挖鉆機(jī)選用三叉戟截齒筒鉆，截齒筒鉆和清孔鉆斗。因鉆頭比鋼管樁內(nèi)徑小50mm～100mm，為保證鋼管樁內(nèi)壁附著的淤泥及泥塊能清除，終孔后必須進(jìn)行掃孔，通過在鉆頭周圍焊接鋼絲繩束頭，可達(dá)到掃孔的效果，如圖1所示。

圖1 鉆頭周圍加設(shè)鋼絲繩束頭掃孔

3.鋼管樁嵌巖施工

3.1 鋼管樁施工

本工程打樁船利用GPS進(jìn)行沉樁位置定位。而傳統(tǒng)的放樣方式，需要兩臺全站儀或經(jīng)緯儀進(jìn)行夾角定位并且角度在60°～120°之間，還需要第三臺全站儀或經(jīng)緯儀進(jìn)行校核。

鋼管樁由18～20mm厚度的鋼板制成，并作防腐涂層，兩種型號分別為φ1000mm和φ1200mm，制成的鋼管樁由駁船運(yùn)輸至工地。為了保證樁身質(zhì)量，采用了如下方法，克服了潮汐、風(fēng)浪等因素對樁身施工的影響。

（1）選擇樁基沉樁的打樁船。在水流湍急、激流大的情況下，這種打樁船能夠保證船位的穩(wěn)定和正常的位移，適用于海上打樁。

（2）在每日的海況較好的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行沉樁。由于樁船使用GPS進(jìn)行定位，夜間作業(yè)不會受到影響，因此可以利用加班加點(diǎn)的方式來補(bǔ)償?shù)群驎r(shí)間。

（3）在樁基施工期間，應(yīng)在地面安裝一套全站儀，對樁頂和樁頂?shù)臉?biāo)高進(jìn)行檢驗(yàn)。在吊樁過程中，吊樁的鋼絲繩應(yīng)加麻布等進(jìn)行包裹防止刮壞鋼管樁防腐涂層。在沉樁過程中，船順流拋八字錨、前、后穿心錨索，在沉樁過程中應(yīng)盡量避免錨索對已沉入的鋼管樁造成刮傷。

（4）沉樁（鋼管樁）的施工工藝包括：樁身定位、插樁、錘擊沉樁、停錘、復(fù)測樁位。沉樁停錘的控制方法是：以標(biāo)高為基準(zhǔn)，以貫入度控制為主要指標(biāo)。

3.2 施工平臺搭設(shè)

引橋和丁靠結(jié)構(gòu)施工平臺的搭建是依靠鋼管樁為基礎(chǔ)，使用型鋼搭建作業(yè)平臺，平臺頂面高程＋3.00m。在鋼管樁上焊接牛腿，平臺上部主梁選用雙拼I45b型工字鋼，主梁擱置于鋼管樁牛腿上，通過腹板與鋼管樁凹槽弧板接觸滿焊連接；次梁選用I30a工字鋼，間距40cm（重型設(shè)備工作位置間距30cm），面板采用10mm厚壓紋防滑鋼板，平臺周圍設(shè)置欄桿，平臺前沿加設(shè)3根輔助樁，保證設(shè)備上平臺的穩(wěn)定性。

靠船墩施工鋼平臺的尺寸為15m×13.2m，系纜墩施工鋼平臺尺寸為13m×10.6m。結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)高樁梁板式結(jié)構(gòu)，平臺頂面高程＋4.00 m。平臺的樁基采用φ 529×8 mm 鋼管樁做臨時(shí)支撐樁，樁基采用全直樁形式。上部結(jié)構(gòu)采用型鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)主梁選用雙拼I 45 b 型工字鋼，主梁擱置與φ529mm鋼管樁凹槽上，通過上腹板與鋼管樁凹槽弧板接觸滿焊連接，次梁選用I30a工字鋼，間距40cm。面板采用10mm厚壓紋防滑鋼板，周圍設(shè)置欄桿。

施工鋼平臺采用帶有150t履帶吊的平板駁進(jìn)行搭設(shè)，靠船墩、系纜墩鋼平臺支撐樁采用船履帶吊配DZ60振動(dòng)錘進(jìn)行打樁。主次梁工字鋼開料加工在近岸區(qū)加工場進(jìn)行，并用50t履帶吊負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)上船運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行施工。

3.3 嵌巖施工工藝流程

在鋼管樁施工及鋼平臺搭設(shè)完成后，進(jìn)行嵌巖段的施工。整個(gè)工程的施工過程：施工前的準(zhǔn)備→鉆機(jī)定位→沖孔→掃孔和清孔→下鋼筋籠→灌注混凝土成樁。

3.3.1 鉆機(jī)安裝及定位

鉆機(jī)、鉆頭、泥漿泵等設(shè)備由帶150t履帶吊的平板駁運(yùn)至施工平臺進(jìn)行組裝，旋挖鉆機(jī)、挖掘機(jī)及50t履帶吊利用平板駁運(yùn)輸至施工平臺前沿直接開上施工平臺。鉆機(jī)上平臺組裝后，按照施工方案確定的打樁順序進(jìn)行施工，樁機(jī)就位時(shí)確保樁機(jī)平衡，沖擊錘吊繩的中心與樁位中心在同一軸線上，防止鉆到鋼管樁底部出現(xiàn)卡錘現(xiàn)象。

3.3.2 沖擊鉆進(jìn)成孔

根據(jù)現(xiàn)場條件，泥漿采用原土造漿。泥漿箱采用Q235鋼板焊制，鋼板厚8mm，制作成尺寸為5×3×2的封閉式無蓋鐵盒。泥漿箱放置于鋼平臺上，根據(jù)沖孔位置情況可進(jìn)行移位，成孔過程中產(chǎn)生的泥漿及時(shí)排放至儲漿箱，再由運(yùn)輸船運(yùn)至棄置點(diǎn)；不得在施工場地內(nèi)或向海中任意排放，以避免污染環(huán)境。在沖孔期間，必須持續(xù)進(jìn)行作業(yè)，并對巖石樣品進(jìn)行檢驗(yàn)。沖孔施工采用梅花型沖擊鉆頭，直徑比孔徑小20mm，采用小沖程開孔，并應(yīng)使初成孔的孔壁堅(jiān)實(shí)、豎直、圓順，能起到導(dǎo)向作用，待孔內(nèi)正常后才能進(jìn)行正常沖進(jìn)。成孔過程中根據(jù)土質(zhì)的軟硬程度調(diào)整沖程，最大沖程不宜超過4～6m，并應(yīng)防止空錘；沖孔過程中應(yīng)保持孔內(nèi)水位高于孔外水位，一般保持孔內(nèi)水位高于海面1.5m～2.0m以防樁底巖層出現(xiàn)滲水，影響沖孔的正常進(jìn)行。

泥漿循環(huán)采用正循環(huán)工藝，施工中鉆渣隨泥漿沿孔壁向上排出處理（在鋼管樁周圍用鋼板設(shè)置一個(gè)接泥漿的泥漿盤，與鋼管樁銜接部分采用橡膠條止水），泥漿的循環(huán)通過泥漿泵將樁內(nèi)泥漿抽送至泥漿箱內(nèi)，再由泥漿泵將泥漿從泥漿箱抽送至施工樁孔底內(nèi)形成循環(huán)系統(tǒng)。如圖2所示。

圖2 泥漿正循環(huán)示意圖

3.3.3 旋挖鉆進(jìn)成孔

丁靠結(jié)構(gòu)及引橋部分因施工鋼平臺空間足夠大，因而采用旋挖鉆進(jìn)及干法施工技術(shù)，為保證平臺穩(wěn)定性，旋挖鉆機(jī)先對四周的樁進(jìn)行施工，并采取隔樁布置。為合理利用空間，設(shè)置兩個(gè)4m×4m×1.5m鉆渣收集箱，旋挖鉆鉆出的渣土裝在箱中，并通過小型挖掘機(jī)進(jìn)行清理裝袋上船，上岸后利用渣土車運(yùn)輸至棄置點(diǎn)。旋挖鉆施工前，用泥漿泵將護(hù)筒內(nèi)的水抽干，表面淤泥清除后排放至泥漿箱內(nèi)。鉆機(jī)開至樁位處后，調(diào)整桅桿垂直度，使鉆具的中心正對樁位中心。在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)現(xiàn)場情況，對于較軟的土層，直接用截齒筒鉆鉆進(jìn)，取渣，遇到較硬土層時(shí)可用筒式鉆頭鉆進(jìn)取渣，遇到堅(jiān)硬巖層時(shí)，先用螺旋鉆頭將其攪碎，再用旋挖筒取渣。鉆進(jìn)施工時(shí)隨時(shí)觀察旋挖機(jī)操作室中的深度顯示儀，并對鉆渣進(jìn)行取樣判定，達(dá)到終孔標(biāo)準(zhǔn)后停止鉆進(jìn)。在達(dá)到終孔標(biāo)準(zhǔn)后，用清孔鉆斗進(jìn)行掃孔和清孔，把孔底沉渣取出，沉渣厚度控制在5cm內(nèi)。

3.3.4 下鋼筋籠

沖孔達(dá)到設(shè)計(jì)要求的深度后，按規(guī)范對成孔進(jìn)行質(zhì)量檢查、孔深、孔徑符合要求后進(jìn)行清孔，清孔時(shí)采用泥漿循環(huán)的工藝排渣，孔底沉渣厚度不得大于5cm（如孔內(nèi)有泥漿，需將泥漿排出）。否則應(yīng)進(jìn)行二次清孔。嚴(yán)禁采用加深鉆孔深度方法代替清孔，經(jīng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收合格后，方可進(jìn)行鋼筋籠下放。鋼筋籠在岸邊進(jìn)行集中加工。在完成后，由工作船將其分批運(yùn)送至對應(yīng)的施工平臺，然后由帶150t履帶吊的平板駁進(jìn)行吊裝。鋼筋籠主筋以套管形式聯(lián)結(jié)，在鋼筋籠外側(cè)設(shè)適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層墊塊，以保證鋼筋籠的中心位置。鋼筋籠加設(shè)吊筋進(jìn)行安裝，待鋼筋籠安裝好后吊筋與鋼管樁頂部焊接，防止鋼筋籠上浮。

3.3.5 混凝土灌注成樁

混凝土采用管道灌漿，導(dǎo)管采用壁厚δ=5mm直徑φ300的無縫鋼管制作，每節(jié)長2～4m，采用快拆管器連接，并用膠圈密封。吊裝前導(dǎo)管必須嚴(yán)格檢查，導(dǎo)管使用之前應(yīng)試拼試壓。試驗(yàn)壓力不應(yīng)小于孔內(nèi)水深壓力的1.3倍，且不應(yīng)小于導(dǎo)管可能承受灌注混凝土?xí)r最大管內(nèi)壓力的1.3倍，即P=1.3＊（24＊25.5-11＊25.5）=0.43Mpa。變形導(dǎo)管嚴(yán)禁使用，管內(nèi)不得留有殘?jiān)?，接頭處不能使用已斷裂的橡皮墊圈，接頭的螺栓要均勻擰緊。導(dǎo)管安裝時(shí)對準(zhǔn)樁孔垂直放入，以下端下放至距孔底30～50cm為宜。在混凝土澆筑施工過程中，要嚴(yán)格按規(guī)范要求，控制導(dǎo)管的埋管深度，首批混凝土的埋管深度不得小于1.0m，混凝土澆筑過程中，埋管深度宜為2.0～6.0m。

混凝土澆筑前，應(yīng)對泥漿性能進(jìn)行檢查，并符合要求：泥漿的相對密度宜取1.1～1.2，含砂率宜取4%～6%，稠度宜取20S～22S。

現(xiàn)場使用商品混凝土，7.0 m的水泥罐車運(yùn)輸?shù)脚R時(shí)碼頭直接上1000t的帶履帶吊的平板駁船，運(yùn)輸至施工平臺；靠船墩及系纜墩嵌巖樁由駁船上吊機(jī)用料斗配合導(dǎo)管澆筑。引橋及丁靠結(jié)構(gòu)嵌巖樁通過運(yùn)輸船將混凝土運(yùn)輸就位后由平臺上的50t履帶吊，用料斗及導(dǎo)管配合進(jìn)行澆筑（平臺設(shè)計(jì)已考慮50t履帶吊荷載，履帶吊上平臺時(shí)，選擇合適潮位，拋錨定位后，通過甲板駁上的搭板行駛至平臺上）。在混凝土灌注過程中要防止混凝土從漏斗頂溢出，注意觀察管內(nèi)混凝土下降和孔內(nèi)水位升降情況，隨時(shí)測量孔內(nèi)混凝土高度，由專人指揮導(dǎo)管的提升和拆除。導(dǎo)管提升應(yīng)保持軸線豎直和位置居中，逐步提升。防止埋入過深，難以提升或埋置過淺，因提拔過快造成混凝土脫空影響成樁質(zhì)量。并隨時(shí)計(jì)算該樁的混凝土灌入方量及充盈系數(shù)，了解孔內(nèi)有無縮頸或坍孔、擴(kuò)孔現(xiàn)象，做好施工記錄。施工過程中，嚴(yán)禁不按規(guī)程將混凝土直接灌入孔中，混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑不得中斷?；炷凉嘧⑼瓿珊?，及時(shí)抽出鋼管樁內(nèi)的泥漿和水，防止泥漿沉淀后影響后期樁基檢測和吊筋切割。

4.結(jié)語

綜上所述，過去嵌巖樁的施工技術(shù)局限在設(shè)備上，現(xiàn)階段通過更先進(jìn)的旋挖鉆設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)嵌巖樁更安全可靠的施工，從而提高施工進(jìn)度，降低工程成本，對以后的嵌巖樁施工有一定的借鑒意義。