移動導向架高精度沉樁技術在外海橋梁工程中的應用

張連江，孫建波，徐波

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

1.1 簡述

港珠澳大橋橋梁工程CB03合同段總長8.67 km，單個橋墩樁基礎采用6根鋼管復合樁，單樁承載力30 000 kN，樁徑2.0 m和2.2 m；橋墩采用全預制混凝土埋置式墩臺整體吊裝方式與樁基礎連接[1]（見圖1和圖2）。為確保在預制墩臺的預留孔與樁外壁間僅有10 cm的設計預留間隙情況下，順利將墩臺預留孔套入6根樁基礎，要求沉樁的平面偏差必須小于10 cm、垂直度偏差小于1/250，該施工精度已遠遠高于現(xiàn)行施工規(guī)范中關于外海無掩護樁基沉樁的施工偏差要求，傳統(tǒng)沉樁工藝很難達到，因此，研發(fā)了高精度移動導向架的沉樁施工工藝[2]。

1.2 地質條件

橋位區(qū)下伏基巖主要為燕山期花崗巖，基巖面起伏變化較大，埋深11～50 m，基巖全、強、中、微風化均有揭示。橋梁采用鋼管復合樁基礎，以中風化或微風化巖作為持力層。橋址區(qū)地質縱斷面圖見圖3。

圖1 橋梁典型斷面圖Fig.1 Typical section of the bridge

圖2 樁基平面布置圖Fig.2 Layout of pilefoundation

圖3 地質縱斷面圖Fig.3 Longitudinal section of geology

1.3 工程特點

港珠澳大橋橋梁工程首次采用了全預制埋置式墩臺整體吊裝方案，為了實現(xiàn)墩臺與樁基礎的“裝配化”連接，沉樁精度要求遠高于現(xiàn)行國家標準，施工難度大；同時根據(jù)地勘資料顯示，橋址區(qū)軟弱覆蓋層和砂層厚且夾雜可塑性黏土和礫砂混卵石層等特殊地質，基巖埋深較大、巖面起伏變化大，在地質中存在零星的孤石、樹根等沉積物，沉樁過程中可能造成樁基偏位，采用施工精度高且具有糾偏功能的移動導向架吊打沉樁工藝可有效解決以上難題。

2 施工船舶及打樁錘選用

2.1 施工船舶

2.1.1 移動導向架定位船的選擇

導向架定位船由“天威號”700 t全回轉起重船進行改裝，主要用于鋼管樁沉樁過程的定位和糾偏，其主鉤輔助立樁并負責吊持沖擊錘復打，同時振動錘和沖擊錘系統(tǒng)也存放于該船甲板上。

圖4 移動導向架結構圖Fig.4 Structure of moving guide frame

導向架焊接固定在“天威號”定位船的左舷，主體結構為鋼質桁架結構，長15.3 m、寬14.85 m、高18.65 m，分為上下兩層，兩層之間距離為12 m，分別布置3組液壓抱樁器，上下層的液壓抱樁器垂向同心，保證鋼樁打設精度。移動導向架結構如圖4。

2.1.2 浮吊選型

本工程所有鋼管樁中，最大吊重197.6 t，最大吊高87.7 m，選用“起重27號”1 600 t雙主鉤浮吊進行吊裝入位以及吊持沖擊錘復打，其有效吊重1 600 t，有效吊高95 m，有效吊距43 m，均可滿足施工要求。

2.2 打樁錘選型

根據(jù)對68個墩位逐墩進行沉樁阻力計算分析，初打采用2臺APE400液壓振動錘聯(lián)動振沉[3-4]，當液壓振動錘初打不能振沉至設計標高時，采用MHU800S液壓沖擊錘復打至設計標高。

3 施工工藝及方法

施工工藝流程見圖5。

3.1 沉樁實時定位系統(tǒng)

圖5 移動導向架沉樁工藝流程圖Fig.5 Flow chart of pile-sinking processby moving guide frame

移動導向架沉樁實時定位系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分組成。其中：硬件設備包括：在定位船及導向架上布置3臺GPS接收、3臺激光掃描儀、2臺傾角傳感器（見圖6），軟件系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)及打樁軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)通過GPS（RTK）確定絕對位置功能及激光掃描儀確定相對位置功能，依靠船體參數(shù)項進行銜接完成樁平面位置確定，通過不同高度的激光掃描儀掃描的樁心坐標及2臺掃描儀的高差獲得樁垂直度數(shù)據(jù)，具備以下功能：

1）實時顯示船位狀態(tài)，當前樁位偏差指示和垂直度顯示；

2）當前樁與已完成多樁間距顯示；

3）任意兩個高程面樁心坐標顯示；

4）CAD圖形和EXCEL數(shù)據(jù)文件導入和記錄文件導出功能；

5）項目的新建、保存、關閉，系統(tǒng)參數(shù)的設定、修改、保存功能。

圖6 沉樁實時定位系統(tǒng)平面布置圖Fig.6 Arrangement of real-timemeasurement system for pile-sinking

3.2 平面位置定位

1） 初定位：3臺GPS（RTK）實時坐標可以確定船的位置和方向，通過導向架中間一組抱樁器中心位置坐標和船體實時扭角完成一次定位。每個墩臺定位船駐位2次，每次完成在同一列的3根樁的初定位，初定位時要求與設計坐標偏差小于5 cm。

2）下樁后定位：初定位完成后開始入樁，工程樁進入抱樁器，掃描儀即獲得數(shù)據(jù)，樁位實際坐標由掃描儀實時測量獲得（如圖7所示），首先將抱樁器抱緊，使樁與定位船形成整體性，根據(jù)沉樁實時定位系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)指導定位船位置的微調來調整樁的平面偏位。第1根樁在絕對位置和垂直度均滿足設計要求的情況下下樁，從開始下樁到沉樁結束過程中沉樁實時定位系統(tǒng)全程監(jiān)控，遇情況隨時進行調整。第1根樁完成后的其余5根樁在滿足絕對位置和垂直度要求情況下，必須要考慮相對位置偏差，沉樁實時定位系統(tǒng)根據(jù)激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)提供樁相對位置偏差數(shù)據(jù)表（如圖8所示），根據(jù)數(shù)據(jù)情況指導樁位調整，有效保障絕對位置和相對位置都滿足設計要求。

圖7 單樁掃描Fig.7 Singlepile scan

圖8 群樁掃描Fig.8 Grouped pilesscan

3.3 垂直度調整

樁垂直度的獲取依靠激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)完成，3臺掃描儀分別布置在導向架上下兩層，“激光掃描儀3”確定出3根樁上部的樁中心坐標，“激光掃描儀1”和“激光掃描儀2”可以確定出3根樁的下部樁中心坐標，根據(jù)同一根樁上下兩個平面的差距和2個掃描儀的高差，可以通過軟件系統(tǒng)實時計算出每根樁的垂直度，并根據(jù)顯示值進行兩個方向的垂直度調整，順船向通過抱樁器調整，橫船向通過調節(jié)定位船左右水倉的壓載水調整。

3.4 高程控制

沉樁實時定位系統(tǒng)高程控制是在激光掃描儀下方安裝3個紅外激光頭，分別指向3個樁中心位置，樁入抱樁器時紅外光點打在樁上，通過前期調平工作，使激光束與船體平面保持平行，激光點高程變化與GPS高程同步，打樁時通過樁架上安裝的視頻監(jiān)控裝置對紅外點指示的樁刻度線進行觀測，將指示刻度線讀數(shù)輸入打樁軟件中，軟件通過與樁頂刻度數(shù)反算，即可完成樁頂高程的控制。

3.5 沉樁

“起重27號”副鉤吊起放在定位船甲板上的2臺APE-400液壓振動錘聯(lián)動錘組，移至鋼管樁正上方緩慢下落，使錘組的液壓夾具夾住鋼管樁頂部，開啟振動錘，對鋼管樁進行振沉，直至振沉至設計標高。振沉過程中，實時監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)樁身垂直度偏差過大時，采取延長留振時間、交替上拔和振沉等方式，使土體充分液化，確保鋼管樁垂直下沉。振沉過程中遇到地質較硬，振動錘振沉困難情況，則停錘并移開振動錘組，更換“天威號”吊持MHU800S液壓沖擊錘進行復打至設計標高。

4 施工質量分析

本工程408根樁全部采用移動導向架沉樁施工工藝施工，雖然有個別墩位因地質不均，造成一次沉樁質量超標，但通過拔出后再次重復振沉的方式，使408根樁的最終沉樁合格率均達到了100%。以沉樁過程最為困難的50號墩為例，通過采取留振、拔出后往復振沉的方式，使6根樁的最終成樁質量均滿足平面偏差不大于10 cm、垂直度不大于1/250的高標準設計要求如表1所示。

表1 沉樁質量實測值統(tǒng)計表Table 1 Measured quality value of pile-sinking

5 結語

通過采用移動導向架沉樁施工技術，圓滿完成了超長大直徑鋼管樁沉樁工序，100%達到了設計提出的超高標準要求，為后續(xù)的嵌巖灌注樁和埋置式墩臺安裝施工的順利進行奠定了基礎。該工藝的成功應用，為沉樁標準要求較高的工程開創(chuàng)了一種施工質量有保證、施工效率較高的新方法，可為類似工程提供借鑒。