淺談大直徑鋼管樁沉樁設(shè)備改造及施工技術(shù)

■楊志文

（福建省港航建設(shè)發(fā)展有限公司，福州 350011）

1 工程概況

本工程位于湄洲灣灣內(nèi)南岸的青蘭山與黃干島之間水域，其后方陸域?yàn)橹谢蓓?xiàng)目青蘭山庫(kù)區(qū)。由北向南依次為#1～#4泊位，#1～#4泊位均呈“蝶”形布置，由工作平臺(tái)、靠船墩、系纜墩、鋼引橋等組成，總岸線長(zhǎng)度為1150m，工作平臺(tái)均通過單引橋同后方罐區(qū)連接。

本工程4個(gè)泊位結(jié)構(gòu)形式均為高樁梁板結(jié)構(gòu)。

#1泊位：系纜墩采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，基樁采用4根Φ2600mm鉆孔灌注直樁；平臺(tái)采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架間距12m，每榀排架采用4根Φ2200mm鉆孔灌注直樁。

#2泊位：系纜墩采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，基樁采用4根Φ2200mm～2600mm鉆孔灌注直樁；平臺(tái)采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架間距12m，每榀排架采用3根Φ1800mm嵌巖樁。

#3泊位：系纜墩采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，基樁采用4根Φ2200mm鉆孔灌注直樁；平臺(tái)采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架間距12m，每榀排架采用3根Φ1800mm鉆孔灌注直樁。

#4泊位：系纜墩采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，基樁采用4根Φ1800mm鉆孔灌注直樁；平臺(tái)采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架間距12m，每榀排架采用3根Φ1800mm鉆孔灌注直樁。

本工程需施打鋼套管總計(jì)258根，全部為直樁。其中#1引橋靠根部的④、⑤排架共4根、#2～#4引橋靠根部的⑤排架共6根由于需穿過現(xiàn)有圍堤的拋石層，施工時(shí)無(wú)法采用打樁船直接施打，擬采用搭設(shè)平臺(tái)方案，邊沖孔邊跟進(jìn)鋼套管的方法，陸上用振動(dòng)錘進(jìn)行施工，該方法在灌注樁方案里詳細(xì)闡述。這里主要介紹打樁船施打鋼套管的工藝。鋼套管的規(guī)格及數(shù)量見表1所示。

施工區(qū)的地質(zhì)情況為：勘探深度內(nèi)揭露的土層自上而下主要為：淤泥、淤泥質(zhì)粘土、中砂混淤泥、中砂、粉質(zhì)粘土、碎石混粘性土、殘積粘性土、砂礫性粘性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。

表1 鋼套管的規(guī)格及數(shù)量

2 施工工藝

打樁施工工藝流程見圖1：

圖1 打樁施工工藝流程圖

3 設(shè)備改造

本工程單樁最重約58t，最長(zhǎng)46m，最大樁徑Φ2600mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的水深情況，粵工樁8打樁船樁架高度超過93.5m，打樁長(zhǎng)度達(dá)80m+水深，粵工樁8最大起吊能力120t，最大施打樁徑Φ2000mm，需改造后方可滿足Φ2600mm樁的施打要求。

3.1 樁中心距離確定及材料選擇

根據(jù)Φ2600mm鋼管樁直徑，考慮到樁錘、替打、背板以及樁錘起落架一整套設(shè)備在施工作業(yè)中能較為精確定位，并有利于樁工的解扣作業(yè)，將樁錘、替打以及背板的中心點(diǎn)的縱軸線與樁架龍口外平面的直線距離選為1600mm；因樁錘整體外移，須對(duì)樁錘起落架的導(dǎo)向腳相應(yīng)地加長(zhǎng)，為滿足起落架在起落樁錘有足夠的支承強(qiáng)度和剛度，將其導(dǎo)向腳做成衡架鋼結(jié)構(gòu)形式與起落架連接。同時(shí)，因樁錘整體外移，樁錘導(dǎo)向腳也相應(yīng)地被加長(zhǎng)；因其懸臂太長(zhǎng)，對(duì)導(dǎo)向腳的材質(zhì)與加工精度也必須要有較高的要求，其鉗口的材料采用35#鋼優(yōu)質(zhì)鍛件，加工精度須到達(dá)6.3級(jí)以上；以樁架龍口外平面為基準(zhǔn)面，要求樁錘、替打以及背板的中心點(diǎn)在同一縱軸線上，因此，四個(gè)樁錘導(dǎo)向腳的制作精度與強(qiáng)度尤為重要，導(dǎo)向腳本體采用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼—錳16鋼，其焊接焊條采用低氫碳鋼焊條—TH427，對(duì)焊條直徑、焊接電流以及坡口、焊腳寬度也有較為嚴(yán)格的要求；焊接成型后，整體退火處理，以消除焊接應(yīng)力。此外，替打及背板的導(dǎo)向鉗口均采用35#鋼優(yōu)質(zhì)鍛件，其制作工藝與機(jī)械加工精度均有相應(yīng)嚴(yán)格的技術(shù)要求；替打承力主板以及替打鋼墊板均采用35#鍛鋼加工成型，保證足夠的強(qiáng)度與剛度，同時(shí)也能較好地傳遞樁錘的錘擊能量，以滿足施工要求。

Φ2600mm樁替打 （兼用Φ2200mm樁）如下圖2所示：

Φ2600mm樁背板（兼用Φ2200mm樁）裝配圖如下圖3所示：

圖2 Φ2600mm樁替打（兼用Φ2200mm樁）圖

圖3 Φ2600mm樁背板（兼用Φ2200mm樁）裝配圖

因?yàn)楸竟こ添毷┐蛑睆綖?Φ1200mm、Φ1600mm、Φ1800mm、Φ2200mm以及 Φ2600mm五種規(guī)格的鋼管樁，為減少更換打樁配套設(shè)備的頻率，提高施工效率，施打各種規(guī)格的鋼管樁所用的替打、背板以及樁錘導(dǎo)向腳均以其中心點(diǎn)的縱軸線與樁架龍口外平面的直線距離均采用1600mm的基準(zhǔn)尺寸制作而成，使施工過程中，施打各種規(guī)格的樁時(shí)，都是使用同一套樁錘導(dǎo)向腳和樁錘起落架。此外，為節(jié)約成本，施打直徑為Φ1200mm、Φ1600mm、Φ1800mm三種規(guī)格的樁時(shí)，采用同一套替打和背板；施打直徑為Φ2200mm和Φ2600mm的樁時(shí)，采用另外一套替打和背板；根據(jù)樁徑的不同，通過調(diào)節(jié)桿來(lái)調(diào)節(jié)，配套使用。

3.2 設(shè)備改造難點(diǎn)及解決方法

粵工樁8打樁船原來(lái)一直采用樁錘起落架的形式來(lái)吊重起落樁錘，其優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)錘擊樁頂后出現(xiàn)幅度較大的滑樁時(shí)，不但可以避免扯斷吊錘鋼絲繩險(xiǎn)情的發(fā)生；而且，當(dāng)施打坡比較大的仰樁時(shí)，還可以省卻人工推鋼絲繩的工序，減少人力勞動(dòng)，提高施工效率。但是此次須施打直徑為Φ2600mm的鋼管樁，其替打本體、替打鋼墊板以及墊替打的鋼絲繩的重量總和近20t，而樁錘本體、樁錘導(dǎo)向腳以及樁錘起落架的重量總和超過41t。如果采用以往樁錘和替打一體吊重的形式來(lái)起落樁錘，可能會(huì)超出相關(guān)配套設(shè)備的機(jī)械負(fù)荷和強(qiáng)度極限。因?yàn)闃跺N起落架的定滑輪組的轉(zhuǎn)軸直徑為Φ100mm，而且其只有配套兩個(gè)滑輪，如果使用該定滑輪組直接吊起重量超過61t的樁錘和替打，加上摩擦系數(shù)，勢(shì)必會(huì)超出該定滑輪組的強(qiáng)度極限；此外，吊錘卷?yè)P(yáng)機(jī)的額定負(fù)載為120kN，如果使用該卷?yè)P(yáng)機(jī)來(lái)直接吊重起落樁錘和替打，也已超出了該卷?yè)P(yáng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷。另外，不僅樁錘提錘檔塊的強(qiáng)度無(wú)法滿足同時(shí)起落樁錘和替打的重量；而且，如果使用2×150kN雙滾筒卷?yè)P(yáng)機(jī)來(lái)同時(shí)吊重起落樁錘和替打，就只能使用飛機(jī)架的形式來(lái)吊重，不僅要專門訂做配套設(shè)備，而且吊錘鋼絲繩和吊鉤鋼絲繩在同一平行線上，稍有浪涌，就會(huì)造成機(jī)械事故。綜合考慮了以上因素，在施打Φ2600mm鋼管樁過程中，決定采用樁錘與替打分開吊重起落的形式來(lái)施工作業(yè)，即是120kN卷?yè)P(yáng)機(jī)吊重起落樁錘，而用2×150kN雙滾筒卷?yè)P(yáng)機(jī)來(lái)吊重起落替打，以保證施工安全。

4 施工方法

4.1 施工前準(zhǔn)備工作

（1）對(duì)勘測(cè)平面控制網(wǎng)點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)和設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行必要的交接和復(fù)核；

（2）測(cè)量沉樁區(qū)泥面標(biāo)高；

（3）根據(jù)樁位平面布置圖，結(jié)合工程要求和施工條件，布置沉樁順序，并按順序預(yù)制加工，安排基樁運(yùn)輸及沉樁工作。

4.2 拋填袋裝碎石

1#、2#、5#系纜墩樁基在沉樁前拋填袋裝碎石穩(wěn)樁，碎石粒徑不大于80mm，袋裝碎石按設(shè)計(jì)要求拋填至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4.3 拋錨定位

碼頭1#、2#泊位海側(cè)水深在15m以上，施打時(shí)樁船定位于海側(cè)，可直接拋錨（頭中纜除外）；碼頭岸側(cè)為淤泥質(zhì)淺灘，沉樁區(qū)域離岸較近，不適于拋錨，需埋設(shè)地牛帶纜上岸。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在岸上間隔約每100m設(shè)置一個(gè)地牛，并用一條50m的鋼絲繩引出來(lái)，沉樁需要時(shí)直接帶纜到鋼絲繩上，與地牛相連。4#引橋樁基所處位置泥面較高，須趕潮水作業(yè)，利用高潮水進(jìn)行沉樁施工，低潮時(shí)將樁船退出至水深足夠的地方，防止擱淺。樁船吊樁錨位如下圖4所示：

圖4 打樁船錨位示意圖

4.4 沉樁控制

4.4.1 測(cè)量控制

（1）平面控制

水上沉樁的平面測(cè)量主要采用在打樁船上安裝的GPS打樁定位系統(tǒng)，由GPS進(jìn)行定位。具體原理如下：

打樁定位的結(jié)果是要測(cè)定樁身的位置、方位和傾斜度，由于不能將GPS天線直接安裝在樁身上，因此為實(shí)現(xiàn)對(duì)樁身的定位和定向，在樁船上安裝三臺(tái)GPS（RTK）接收機(jī) （流動(dòng)站）和一臺(tái)傾斜儀以確定船體的位置和姿態(tài)，進(jìn)而可以確定船體上樁的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樁的定位和定向。

在儀器安放時(shí)首先確定GPS儀器天線的安裝位置。其中的兩臺(tái)GPS天線應(yīng)盡可能與船的縱軸線對(duì)稱，兩天線連線的中點(diǎn)O視為樁船的縱軸線所在的垂直平面上。另一方面，船的縱軸線應(yīng)過替打中心，過替打中心和兩個(gè)GPS天線連線的中點(diǎn)構(gòu)成船體三維坐標(biāo)系統(tǒng)的XOZ平面，坐標(biāo)軸OX和OZ位于該平面內(nèi)。在船體水平的狀態(tài)下，選定過某點(diǎn)的水平面為船體高程基準(zhǔn)面，O點(diǎn)至船體過替打中心線在該平面上的投影可定義為船體三維坐標(biāo)系的X軸正向，在該平面內(nèi)右轉(zhuǎn)90°為Y軸正向，Z軸垂直向上，構(gòu)成左手坐標(biāo)系統(tǒng)，即船體三維坐標(biāo)系統(tǒng)。

另在岸上設(shè)測(cè)站，用全站儀和經(jīng)緯儀對(duì)樁位進(jìn)行校核。校核方法有兩種：

①全站儀和經(jīng)緯儀前方交會(huì)

如圖5所示，分別在兩控制點(diǎn)架設(shè)全站儀（經(jīng)緯儀），后視已知點(diǎn)或者已知角度的固定建筑物，設(shè)置好控制點(diǎn)到已知點(diǎn)的方位角，然后測(cè)量別的控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，然后轉(zhuǎn)動(dòng)儀器到所要放樣的樁位的方位角，應(yīng)特別注意該方位角對(duì)應(yīng)的是樁位的左側(cè)還是右側(cè)。這樣由兩個(gè)控制點(diǎn)按計(jì)算角度轉(zhuǎn)動(dòng)后固定，視線交會(huì)即可確定樁位。施工中，樁位難免會(huì)有所偏差，測(cè)量過程中可根據(jù)觀測(cè)到的角度偏差β，注意單位要換算成度，按公式l=2πLβ/360估算樁位在視線切線方向的偏移量l，式中L為樁位中心到測(cè)站的距離。

圖5 前方交會(huì)法

②全站儀極坐標(biāo)法

如圖6所示，在控制點(diǎn)架設(shè)全站儀，后視已知點(diǎn)或者已知角度的固定建筑物，設(shè)置好控制點(diǎn)到已知點(diǎn)的方位角，然后測(cè)量別的控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，然后轉(zhuǎn)動(dòng)儀器到所要放樣的樁位的方位角，應(yīng)特別注意該方位角對(duì)應(yīng)的是樁位的左側(cè)還是右側(cè)。并在棱鏡置于控制點(diǎn)和鋼套管中心的連線上，測(cè)量鋼套管外側(cè)到測(cè)站的距離L（控制點(diǎn)到樁位中心的距離-鋼套管半徑）。測(cè)角和測(cè)距相結(jié)合即可確定樁位。極坐標(biāo)法的誤差主要來(lái)源于棱鏡放置誤差，樁位中心和控制點(diǎn)連線的切線方向誤差，可通過轉(zhuǎn)動(dòng)全站儀到控制點(diǎn)到樁位中心的方位角來(lái)克服，而樁位中心和控制點(diǎn)連線方向的誤差，可通過別的方法（通過鋼卷尺量一垂直墻體A到某一點(diǎn)B的距離，棱鏡靠墻A，全站儀架設(shè)到點(diǎn)B，測(cè)量距離）提前測(cè)定。

（2）高程控制

圖6 全站儀極坐標(biāo)法

高程通過岸上架設(shè)水準(zhǔn)儀或全站儀進(jìn)行測(cè)量控制。通過觀測(cè)樁身的劃樁刻度，以橫絲作為樁頂標(biāo)高的觀測(cè)基準(zhǔn)，通過觀測(cè)樁身刻劃在橫絲上的讀數(shù)來(lái)推求樁頂標(biāo)高。必要時(shí)可通過觀測(cè)水面線處的樁身刻度直接計(jì)算樁頂標(biāo)高。

（3）錘擊數(shù)及貫入度的測(cè)定

錘擊數(shù)采用人工記錄，記數(shù)人員用計(jì)數(shù)器記錄錘擊數(shù)，通過測(cè)量樁的貫入深度來(lái)計(jì)算貫入度。在貫入度大的時(shí)候貫入深度一般1m記錄一次，貫入度小的時(shí)候可按20cm、10cm記錄一次。

4.4.2 沉樁貫入度的控制

沉樁使用D-160柴油錘施工，鋼管樁沉樁以貫入度控制為主，標(biāo)高控制為校核。

沉樁停錘控制標(biāo)準(zhǔn)：

因本工程屬于新建港址，地質(zhì)情況復(fù)雜，要求樁基進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層一定的深度，且除鋼護(hù)樁之外，所有的樁都必須做灌注樁（嵌巖樁）。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況、樁基類型及樁錘性能等情況，且考慮防止鋼套管卷邊，沉樁收錘標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）D160錘二檔控制標(biāo)準(zhǔn)：最后一陣10擊平均貫入度＜10mm/擊可停錘；D160錘一檔控制標(biāo)準(zhǔn)：最后一陣10擊平均貫入度＜8mm/擊可停錘；當(dāng)貫入度尚未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但樁端標(biāo)高比設(shè)計(jì)標(biāo)高高30cm以內(nèi)即可停錘。

（2）當(dāng)沉樁過程中貫入度出現(xiàn)異常突變時(shí)，應(yīng)立即停止錘擊，分析原因并將情況匯報(bào)給相關(guān)單位研究解決。

4.5 沉樁操作流程

沉樁操作流程見圖7。

5 問題及處理方法

5.1 吊環(huán)改吊孔

原設(shè)計(jì)方案在距樁頂0.207L處焊2個(gè)吊環(huán)、距樁尖0.207L處焊1個(gè)吊環(huán)作為吊樁之用，如果采用焊接吊環(huán)為吊點(diǎn)，不僅焊接工作量大，也不利于運(yùn)輸，更麻煩的還是在施打樁過程中，還必須將吊耳割除，影響了施工進(jìn)度。為此，將吊環(huán)改為樁頂處開4個(gè)十字對(duì)稱分布直徑80mm的圓孔，孔的邊距樁頂100mm；吊樁時(shí)采用35t卸扣卡住圓孔，樁尖位置采用特制的吊鉤卡住樁尖底部，樁立起來(lái)后，底部的吊鉤自動(dòng)脫落，節(jié)省了解扣的時(shí)間，加快了施工進(jìn)度。

圖7 沉樁操作流程圖

吊點(diǎn)布置如下圖8所示：

圖8 吊點(diǎn)布置圖

5.2管內(nèi)氣體排出

本工程鋼管樁樁徑較大，大管徑鋼管樁在錘擊過程中，隨著樁身不斷的下沉，其樁身內(nèi)部的空氣由于錘擊的不斷進(jìn)行，而無(wú)法及時(shí)地從四個(gè)吊樁孔排出，因而會(huì)形成一種顫流氣體產(chǎn)生的反作用力，由此產(chǎn)生的合力反作用于替打上，與錘擊產(chǎn)生的頻率會(huì)形成一種共振，對(duì)替打和樁錘的破壞力極大。為消除此種危害，項(xiàng)目部決定在距離樁頂150mm處對(duì)稱開2個(gè)直徑為Φ120mm的透氣孔，以保證鋼管樁內(nèi)氣體順利排出，確保樁錘以及替打的正常使用壽命。

5.3 垂直度控制

本工程大部分樁都需要做灌注樁（嵌巖樁），為避免后期沖孔因樁身傾斜而導(dǎo)致卡錘現(xiàn)象，做好沉樁垂直度控制是非常有必要的。打樁船軸線方向的垂直度可以通過調(diào)整樁架來(lái)實(shí)現(xiàn)，而打樁船左右方向的垂直度則需要通過調(diào)整壓艙水的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。最直接有效的方法是，將兩個(gè)對(duì)稱安裝的主吊鉤盡量松落至水面，調(diào)駁本船壓載水，使兩個(gè)主吊鉤相對(duì)于龍口的中軸線較為對(duì)稱分布，從而確保所施打鋼管樁的垂直度，以滿足施工工藝的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

目前水工樁基不斷的朝著樁徑更大，樁長(zhǎng)更長(zhǎng)的方向發(fā)展，對(duì)設(shè)備及施工工藝的要求也越來(lái)越高，因此，通過對(duì)本項(xiàng)目樁基工程的總結(jié)，為以后類似工程積累經(jīng)驗(yàn)。