管板組合樁碼頭整體式導(dǎo)向架鋼管樁施工技術(shù)應(yīng)用

魯俊杰 中交第四航務(wù)工程局有限公司

1.工程概況

廣州港南沙港區(qū)四期集裝箱碼頭為粵港澳大灣區(qū)首個(gè)自動(dòng)化碼頭，廠區(qū)內(nèi)淤泥～淤泥質(zhì)土埋藏深度淺，地下水位淺，是國內(nèi)首個(gè)在深厚淤泥地質(zhì)條件下應(yīng)用管板組合+格柵水泥土攪拌樁+單錨鋼拉桿結(jié)構(gòu)形式的10萬噸級(jí)碼頭。項(xiàng)目海輪碼頭建設(shè)2個(gè)10萬噸級(jí)和2個(gè)5萬噸級(jí)集裝箱船泊位，岸線總長(zhǎng)1460m；12個(gè)2000噸級(jí)多用途駁船泊位，泊位總長(zhǎng) 985m；4個(gè)工作船泊位，泊位總長(zhǎng)200m。碼頭需施打1129根鋼管樁，鋼管樁樁徑分別為Φ2032mm、Φ1626mm、Φ1000mm三種規(guī)格，壁厚分別為24mm、20mm、18mm，材質(zhì)選用Q420B和Q355B。

南沙港區(qū)位于伶仃洋水域，珠江三角洲河口灣河海交匯處。其基底為下古生界中～深變質(zhì)的區(qū)域變質(zhì)巖，其上覆蓋著第四紀(jì)不同成因的地層。駁11-12#泊位前排鋼管樁樁端土層主要為中粗砂層，局部為粗礫砂混卵石、卵石和強(qiáng)風(fēng)化變粒巖；駁11-12#泊位錨定樁土層樁端主要為粘土、粘土夾砂層。海輪碼頭1-4#泊位前排鋼管樁樁端土層主要為強(qiáng)風(fēng)化變粒巖或中風(fēng)化變粒巖；海輪碼頭1-4#泊位錨定鋼管樁樁端土層主要是經(jīng)加固的淤泥質(zhì)土，粘土，粘土夾砂層為主。

2.施工工藝

（1）施工工藝流程。施工工藝流程：鋼管樁到貨驗(yàn)收→場(chǎng)地平整→測(cè)量定位→架設(shè)導(dǎo)向架→鋼管樁下樁定位→調(diào)整垂直度→鋼管樁沉樁至設(shè)計(jì)面以上1.2米左右→拆除導(dǎo)向架→鋼管樁沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

采用整體式導(dǎo)向架振動(dòng)聯(lián)合錘擊施工方法，通過設(shè)計(jì)整體式導(dǎo)向架，采用雙拼H型焊接制作的雙邊牛腿定位錨樁進(jìn)行固定導(dǎo)向架，安裝一次可同時(shí)施打四根鋼管樁，并且對(duì)鋼管樁施工過程中的垂直度、偏位等可以及時(shí)調(diào)整，減小整體式導(dǎo)向架安裝時(shí)間，提高施工效率。經(jīng)過振動(dòng)錘沉樁至樁不能再下沉，移除導(dǎo)向架，經(jīng)柴油錘錘擊樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

（2）設(shè)備選型與參數(shù)控制。對(duì)鋼管樁處地質(zhì)條件進(jìn)行分析，開展試樁試驗(yàn)，復(fù)核沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)基樁承載力。插樁在起重設(shè)備選擇320t履帶吊，振動(dòng)錘選擇YZ-300L液壓振動(dòng)錘；送樁起重設(shè)備選擇180t履帶吊，沉樁設(shè)備選擇HD180柴油錘。

沉樁控制以樁尖標(biāo)高控制為主，貫入度作為校核，當(dāng)樁尖已達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，最后10擊平均貫入度≤8mm/擊，可以終錘；當(dāng)樁尖已達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，最后10擊平均貫入度＞8mm/擊，應(yīng)繼續(xù)錘擊，直至打完富余樁長(zhǎng)，或直到最后30擊平均貫入度≤8mm/擊，可以終錘[1]。

3.關(guān)鍵技術(shù)

（1）場(chǎng)地平整。對(duì)樁位軸線兩邊場(chǎng)地進(jìn)行平整，場(chǎng)地標(biāo)高＜設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高-導(dǎo)向架架身高度-1.2m，對(duì)于較軟弱的土質(zhì)，提前進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算，確保吊機(jī)等機(jī)械設(shè)備行走。地基處理后，場(chǎng)地固結(jié)度高達(dá)90%，工后沉降≤25cm，交工面的地基承載力P地基≥120KPa。以此核算管板組合樁在施工過程地基是否滿足承載力要求。

根據(jù)地基承載力計(jì)算，選擇最不利條件進(jìn)行驗(yàn)算：320t履帶吊軌距s=7.0m，履帶中心長(zhǎng)度L=8.53m，履帶寬度B=1.2 m，帶基本主臂的整機(jī)重量為242t，包含配重、吊鉤等重量達(dá)300 t；吊重鋼絲繩8t，液壓沖擊錘66t，樁帽30t，加320t履帶吊自重，基礎(chǔ)需承載m 總=404t重；履帶吊與基礎(chǔ)接觸面積為S履=2Bs=2×1.2×7=16.8m2。

圖1 雙邊牛腿定位錨樁加固示意圖

①基礎(chǔ)未鋪設(shè)鋼板情況下地基承載力情況。m 總×9.8/S 履=404×9.8/16.8=235.67KPa≥P地基=120KPa，320t履帶吊直接行走于場(chǎng)地上，基礎(chǔ)未能滿足承載力要求。

②基礎(chǔ)鋪設(shè)鋼板情況下地基承載力情況?；A(chǔ)鋪設(shè)厚1 cm 鋼板樁以提高地基承載力，在320 t履帶吊每邊履帶底部鋪設(shè)2 塊2m×6m，與基礎(chǔ)接觸面積為S鋼板=2×6×2×2=48m2。

m總×9.8/S鋼板=404×9.8/48=82.5KPa≤120KPa，320t履帶吊在鋪設(shè)鋼板場(chǎng)地上行走，基礎(chǔ)承載力滿足要求。

（2）整體式導(dǎo)向架制作、定位、安裝。①整體式導(dǎo)向架為上下兩層門字形雙層式，導(dǎo)向架高度8m，長(zhǎng)度15m，由橫梁、縱梁、立柱及拋撐等組成。制作采用工45的工字鋼，其中橫、縱梁、立柱為雙拼工45工字鋼，斜撐為工25工字鋼。在上下橫縱梁上設(shè)置可調(diào)節(jié)的導(dǎo)向輪，可對(duì)鋼管樁的偏位、傾斜、垂直度進(jìn)行控制調(diào)整。

②導(dǎo)向架受力驗(yàn)算。導(dǎo)向架分別受到鋼管自重產(chǎn)生的側(cè)壓力以及風(fēng)荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力，對(duì)導(dǎo)向架具有較大的破壞作用，選取該工況進(jìn)行驗(yàn)算。鋼管自重產(chǎn)生的側(cè)壓力分項(xiàng)系數(shù)取1.2，風(fēng)荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力分項(xiàng)系數(shù)取1.4。驗(yàn)算時(shí)取導(dǎo)向架橫斷面方向傾斜最大，導(dǎo)向架凈寬2.3m，鋼管樁直徑2.032m。鋼管樁在導(dǎo)向架上下縱梁Y軸方向有0.268m的空間位移，由此鋼管樁Y軸會(huì)偏差2.698m。

導(dǎo)向架及鋼管自重產(chǎn)生的側(cè)壓力由midas civil 2019軟件自動(dòng)計(jì)入。風(fēng)荷載按《港口工程荷載規(guī)范》及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算?？紤]風(fēng)荷載時(shí)計(jì)算得到最大組合應(yīng)力為119.97MPa，小于抗彎承載力設(shè)計(jì)值215MPa；計(jì)算得到最大剪應(yīng)力為21.89MPa，小于抗剪承載力設(shè)計(jì)值125MPa，導(dǎo)向架強(qiáng)度符合要求。計(jì)算得到型鋼最大撓度為5.864mm<(2173+300)/400=6.183mm，導(dǎo)向架剛度符合要求[2]。

為保證鋼管樁傾斜放置在導(dǎo)向架時(shí)不至于傾覆，需在鋼管樁四周設(shè)置抗滑錨定樁，抗滑錨定樁選用ф630＊10.5m型鋼。導(dǎo)向架傾覆時(shí)需由導(dǎo)向架墊底鋼板及同側(cè)兩根型鋼樁承擔(dān)導(dǎo)向架及鋼管樁產(chǎn)生的壓力。

③雙邊牛腿定位錨樁插入。根據(jù)導(dǎo)向架尺寸以及導(dǎo)向架首尾孔位預(yù)計(jì)插入鋼管樁的樁心坐標(biāo)，計(jì)算得到四個(gè)定位錨樁的樁點(diǎn)位置信息，然后通過GPS進(jìn)行定位，利用履帶吊將四根雙邊定位錨樁插入土體，并通過加墊鋼板配合水準(zhǔn)儀使四根雙邊定位錨樁頂部高程一致。

④架設(shè)導(dǎo)向架。根據(jù)導(dǎo)向架尺寸以及樁心坐標(biāo)，計(jì)算得到導(dǎo)向架橫梁擺放方向，吊起整體式導(dǎo)向架，快接觸定位錨樁頂部位置時(shí)，使導(dǎo)向架首尾孔位樁心位置與所插入的鋼管樁樁心位置以及橫梁方向與所標(biāo)記方向一致，然后水平放置在定位樁兩側(cè)牛腿上的限位槽內(nèi)，使整體式導(dǎo)向架卡在槽內(nèi)，以防止施工過程中因鋼管樁對(duì)導(dǎo)向架的擠壓造成導(dǎo)向架移位，然后擰緊施工螺帽完成整體式導(dǎo)向架的初步定位。在每個(gè)孔位內(nèi)放出預(yù)計(jì)插入鋼管樁的樁心坐標(biāo)，計(jì)算和測(cè)設(shè)出導(dǎo)向輪應(yīng)調(diào)設(shè)的位置，對(duì)預(yù)設(shè)的樁心進(jìn)行測(cè)設(shè)并通過調(diào)節(jié)導(dǎo)向輪進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)微調(diào)整。

⑤鋼管樁下樁定位。用320t履帶吊采用兩點(diǎn)起吊法將鋼管樁吊起，設(shè)置扁擔(dān)橫梁抵抗由鋼絲繩的拉力產(chǎn)生的壓力，避免直接吊裝因鋼管樁自重造成受壓變形，對(duì)鋼管樁造成破壞。吊至樁尖底部超過導(dǎo)向架頂部后，人工配合將鋼管樁對(duì)準(zhǔn)定位板，將樁慢慢插入土中。

（3）鋼管樁沉樁施工。放置鋼管樁一段時(shí)間穩(wěn)定后，起吊液壓振動(dòng)錘夾鉗樁頂端，使用兩臺(tái)全站儀成90°采用交匯法控制樁位置和垂直度，啟動(dòng)振動(dòng)錘開始沉樁。利用監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)振插過程中的鋼管樁垂直度與偏差進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如樁稍有偏位，立即進(jìn)行調(diào)整。沉樁至尚有50%的樁長(zhǎng)露出地面，若吊機(jī)無法調(diào)整樁位偏差時(shí)，將樁拔起，重新按上面步驟振插，直到符合質(zhì)量為止。

圖2 鋼管樁振插測(cè)量定位示意圖

圖3 鋼管樁振插示意圖

圖4 送樁順序示意圖

移除導(dǎo)向架，進(jìn)行基槽開挖，利用土圍堰擋水。為保護(hù)鋼管樁樁頭以及限制鋼管樁沉樁過程中的晃動(dòng)，采用柴油錘替打及樁帽設(shè)計(jì)，按控制標(biāo)準(zhǔn)錘擊鋼管樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。送樁順序采用“1，3，5，7，6，4，2”的順序（如圖4所示），減小送樁過程中的擠土效應(yīng)導(dǎo)致的樁位偏移。

4.整體式導(dǎo)向架施工優(yōu)勢(shì)

架體自身強(qiáng)度更大，外界情況對(duì)其的干擾影響更小。

導(dǎo)向架分四個(gè)樁孔，對(duì)每根鋼管樁的傾斜、偏位、垂直度的偏差都能及時(shí)控制都有著獨(dú)立的操作空間；四個(gè)樁孔的四周分布有四個(gè)可調(diào)節(jié)的剛性橡膠導(dǎo)向輪，進(jìn)而在施打鋼管樁的時(shí)候?qū)γ扛摴軜兜膬A斜、偏位、垂直度的偏差都能及時(shí)進(jìn)行調(diào)整[3]。

5.沉樁問題分析與解決

如何控制好鋼管樁的垂直度和水平位置精度，使鋼管樁與鋼板樁鎖扣對(duì)接順暢，減少鋼管板樁施工變形，避免發(fā)生脫扣、滲漏等質(zhì)量問題，是鋼管板樁碼頭主體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的重點(diǎn)。

（1）打樁時(shí)樁的軸線偏差和傾斜度采用導(dǎo)向架進(jìn)行導(dǎo)向，并在測(cè)量導(dǎo)向架準(zhǔn)確定位后，再施打樁管樁；導(dǎo)向架采用可移動(dòng)雙層導(dǎo)向架，在上層H梁上設(shè)置可移動(dòng)的調(diào)節(jié)裝置（四個(gè)方向皆用滾動(dòng)滑輪），對(duì)鋼管樁的傾斜、偏位、垂直度進(jìn)行控制，滾動(dòng)裝置可起到保護(hù)鋼管樁防腐涂層的作用。

（2）為使鋼板樁平直，保證打樁質(zhì)量，鋼板樁運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后，對(duì)鋼板樁和鎖扣逐一進(jìn)行檢查，根據(jù)板樁變形程度在鋼板樁頂部加焊一塊800mm×240mm×20mm鋼板，增加鋼板樁的剛度，避免起吊時(shí)和施打過程扭曲變形。

（3）送樁采用HD180柴油錘進(jìn)行施打，送樁時(shí)必須先擊打鋼管樁到設(shè)計(jì)標(biāo)高，最后再使用80柴油錘擊打AZ樁到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

6.結(jié)論

結(jié)合工程實(shí)踐表明，可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）使用整體式導(dǎo)向架施工鋼管樁，在鋼管樁的定位、導(dǎo)向和振插方面具有優(yōu)勢(shì)，樁垂直度、偏位等方面得到了較好的控制，保證了施工質(zhì)量。

（2）對(duì)比使用傳統(tǒng)的分體式導(dǎo)向架插打鋼管樁，使用整體式導(dǎo)向架可提高約2根鋼管樁/d的施工效率。

（3）使用整體式導(dǎo)向架施工鋼管樁技術(shù)節(jié)省了大量生產(chǎn)成本，該技術(shù)的推廣和相關(guān)市場(chǎng)開拓有極大意義。