深水有覆蓋層條件下打樁錘的選型與應用

李志輝

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300）

1 工程概況

1.1 項目簡介

新建福州至平潭鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋是國內首座公鐵兩用跨海大橋，跨越北東口水道，全長3 712.6 m。公鐵主跨均采用預應力混凝土連續剛構，其余鐵路橋跨為簡支梁，公路橋跨為連續梁。全橋共設59個墩臺，其中B2～B25及B56位于淺水區（有覆蓋層）；B26～B41墩位于深水區（有覆蓋層）；B42～B55墩位于深水區（淺/無覆蓋層）。

1.2 施工環境條件

在特殊海島修建跨海橋梁，外海受風大、水深、波浪力、潮汐等因素的影響更為顯著。設計水文資料顯示，橋址海域最大水深達42 m；受外海強風、涌浪影響，橋址區波浪力巨大，14級風速達到45.4 m/s；橋址海域潮型屬正規半日潮，最大潮差達7 m。施工受波浪力作用大，單根鋼護筒（直徑3.3 m，水深42 m）受最大波流力達60 t，導致下放、插打困難。

橋位處海床面極不平整，高差起伏大，覆蓋層不均。其中B26～B41墩水深13～42.5 m，覆蓋層主要為淤泥質黏土（基本承載力60 kPa）、粉質黏土（基本承載力150 kPa）、中砂（基本承載力100 kPa）、中粗砂（基本承載力200 kPa）。覆蓋層厚4～12 m，海床面高差起伏約5 m。

2 總體方案

墩位基礎施工主要采用鉆孔平臺結構形式，鉆孔平臺鋼管樁沉放及鋼護筒的沉放均采用打樁船直接插打的方式施工［1］。

根據現場實際施工條件，鋼管樁、鋼護筒均采用“路橋建設樁8號”打樁船和“雄程1號”打樁船插打。其中路橋建設樁8號打樁船主尺度：型長60 m×型寬27 m×型深5 m，滿載吃水2.5 m。配8口海軍錨，各重9 000 kg。錨繩直徑43 mm，各長450 m。樁架高92 m，抗風能力6級，有最大施打直徑3.3 m鋼護筒的能力。

雄程1號打樁船主尺度：型長88 m×型寬36 m×型深6.2m，水線長78m，最大吃水4m。樁架高度128 m（水線至樁架大平臺頂），最大安全工作負荷（0°到前傾9°時）500 t，最大起升速度 3.4 m/min，最大起升高度距水面100m，打樁作業范圍±12.5°，起重作業范圍0°～9°，可作業最大樁重500 t，沉樁能力100多米水深，可施工最大樁徑為5 000 mm。

3 樁錘選擇的原則

打樁錘的選擇需要綜合考慮樁的結構形式、尺寸、重量、插打長度，以及氣象、水文、地質等多方面的因素。打樁錘選擇應遵循以下原則［2-3］：

（1）沉樁的承載力滿足設計要求。

（2）樁錘應當有足夠的錘擊能力，使樁能穿越較厚的土層，進入持力層，確保能順利將樁插打到設計深度。

（3）在錘擊過程中，樁身產生的拉應力和壓應力不大于樁身材料的允許值，確保樁身不受破壞。

4 樁錘選型分析

4.1 樁錘選型的影響因素

選用樁錘要充分考慮樁型、樁重、插打深度、地質巖層分布情況等因素，在掌握各種樁錘性能的基礎上經分析比較后選定［4-5］。選用錘的動能必須大于打入樁的摩阻力，錘擊傳遞的有效能量是樁貫入的決定因素。

路橋建設樁8號打樁船配Hhp35液壓打樁錘，見圖1，性能參數見表1；雄程1號配德爾瑪克D260-32柴油打樁錘，見圖2，性能參數見表2。

圖1 Hhp35液壓打樁錘

圖2 D260-32柴油打樁錘

表1 Hhp35液壓打樁錘性能

表2 D260-32柴油打樁錘性能

4.2 樁錘工作特性比較

（1）柴油打樁錘工作特性

柴油打樁錘的工作原理［6-7］如同單缸二沖程柴油機，當上活塞從錘頂自由落體下落過程中，壓縮缸體內的氣體，同時燃油泵噴油，發生爆燃；繼續加大錘擊能量，直到上活塞撞擊下活塞，將錘擊能再傳遞至套筒與樁頂使樁下沉；管樁同時又反作用于下活塞，其反彈力再傳遞至上活塞，使之升高至錘頂端，繼續循環作業。根據能量守恒定律視為如下轉換關系：

（上活塞）勢能→動能＋燃燒熱能＝樁下沉吸收的能量＋上、下活塞運動摩阻力＋反彈動能→（上活塞）勢能。

（2）液壓打樁錘的工作特性

液壓打樁錘的工作原理［8-9］：液壓錘僅有一個活塞，其上升運動是由液壓能驅動活塞至錘頂端，活塞在錘頂壓縮空氣的作用下快速下落，加速度可達2 g，使活塞直接撞擊套筒與樁頂，使管樁下沉，不斷往復循環。根據能量守恒定律視為如下轉換關系：

液壓能→活塞勢能＋壓縮氣體→動能＝樁下沉吸收的能量＋活塞運動摩阻力。

根據兩種錘的工作原理，液壓錘與柴油錘能量轉換有兩大區別：一是液壓錘不耗費自身的能量，主要依靠外來的液壓能使活塞上升運動；二是液壓錘僅有一個活塞，且比柴油錘潤滑，運動摩阻力較小。

根據錘的工作原理可以看出，液壓錘使樁下沉的有效能量所占比例大，即在與打樁錘重量相似的情況下，液壓錘打至樁體的有效能量大于柴油錘的有效能量。

4.3 有效能比較

根據相關資料介紹，一般柴油錘的打樁能量有效率約30%～45%，而液壓錘的打樁能量有效率最高達90%。選擇跨海大橋B36墩鉆孔平臺（B36墩地質描述見表3），利用兩種錘對鋼管樁進行插打試驗。試驗結果見表4。

表3 地質描述

表4 試驗結果統計

柴油打樁錘打樁能量有效率＝205.7/556×100%＝37%；Hhp35液壓打樁錘打樁能量有效率＝441.5/525×100%＝84%?？梢娨簤捍驑跺N的打擊能量有效率遠高于柴油錘的打樁能量有效率，從而也驗證了相關資料給出的數據。

4.4 打擊力的控制性能

柴油打樁錘低沖程調控難度大，軟地基不能實現連續打擊［10］。

液壓打樁錘能為液壓動力站提供有力的動力，可以采用電子系統控制液壓系統。一般來說，液壓打樁錘設有8個檔位，每一液壓錘頭有十幾噸重，相對于較軟的土質，可輕松地將樁壓入土體中；若壓入有一定難度，可調至低檔位；若遇到較硬的巖層，調至高檔位，提高錘擊力，保證順利施工。

4.5 經濟性比較

目前，從我國樁工機械施工技術的發展以及市場價格上，柴油錘依然是市場上主力設備，其價格比液壓錘低廉。

柴油錘施工時產生的高溫高壓未充分燃燒的混合氣體排放導致大量的能源損失，能源利用率僅為20%左右，而液壓錘能源利用率達到70%。從能源利用率上看液壓錘比柴油錘更經濟。

4.6 環保要求

根據柴油打樁錘工作原理，柴油燃燒不充分，有大量的濃煙排放，廢棄污染較嚴重、燃油爆燃噪聲大且不能長時間持續工作；液壓打樁錘采用高效率柴油發動機或電機驅動，封閉錘體，配備消音器，噪聲小、無污染。液壓打樁錘的環保性能高于柴油打樁錘。

目前，液壓打樁錘除了上述較優的技術性能外，還可以提供打樁過程中的相關信息，如錘擊次數、插打深度、錘擊能量等且可屏幕顯示，儀器記錄并可打印，管理工作簡單、方便。

5 打樁錘實際工程應用

5.1 打樁錘選型

平潭海峽公鐵兩用大橋跨越北東口水道部分B26～B41墩水深13～42.5 m，覆蓋層主要土層為淤泥質黏土（基本承載力60 kPa）、粉質黏土（基本承載力150 kPa）、中砂（基本承載力100 kPa）、中粗砂（基本承載力200 kPa）。覆蓋層厚4～12 m，海床面高差起伏約 5 m［11］。

B26～B38墩為非通航孔，鉆孔平臺采用鋼管樁與鋼護筒共同受力結構形式，由5根φ1 200×14 mm鋼管樁和5根φ1 000×12 mm鋼管樁組成輔助平臺，鉆孔區平臺支撐在φ2 800×16 mm、φ3 100×20 mm的樁基鋼護筒上。

B39～B41墩為通航孔，鉆孔平臺采用鋼管樁與鋼護筒共同受力結構形式，在承臺橫橋向兩側分別設置支棧橋。單側支棧橋設置兩排φ1 420×16 mm鋼管樁，每排共計7根，鋼管樁之間縱橫向間距為8 000 mm。兩側支棧橋之間通過貝雷梁一跨而過，形成整體獨立鉆孔平臺結構。

根據現場地質情況以及考慮施工效率等方面，B26～B38墩鉆孔平臺管樁采用路橋建設樁8號打樁船配Hhp35液壓打樁錘沉樁；B39～B41墩鉆孔平臺采用雄程1號打樁船配德爾瑪克D260-32柴油打樁錘沉樁。

5.2 應用效果

路橋建設樁8號打樁船配備Hhp35液壓打樁錘現場已經完成B26～B38墩位的鋼管樁、鋼護筒的插打，經現場統計鋼管樁、鋼護筒打入深度均在10 m以上。雄程1號打樁船配D260-32柴油打樁錘完成B39～B41墩位的鉆孔平臺鋼管樁、鋼護筒的插打，經現場統計主墩B39平臺支棧橋鋼管樁打入深度最深為12.5 m、最淺為4.5 m；鋼護筒的打入深度最深為14.17 m、最淺為4.5 m。

5.3 承載力計算

以應用較廣的海利打樁公式來計算打樁過程中樁的承載力。

海利打樁公式［12］：

式中，Pu為樁的極限承載力；Wp為樁重（包括帽樁、墊重）；Wr為錘的重量；H為錘擊跳高，即錘的落距；e為終錘貫入度；C為錘擊時，樁土體系總的彈性變形；ξ為落錘效率折減系數。當錘為理想的自由落錘時，ξ＝1；非自由落錘時，ξ＜1。

經計算，采用柴油錘、液壓錘插打管樁承載力均滿足設計要求。由此說明柴油錘、液壓錘均在福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋管樁插打施工過程中發揮了較好的作用。

6 結束語及建議

目前，國內柴油錘使用普遍、廣泛，技術也較成熟，但明顯存在污染大、噪聲高、調控難度較大的問題。過大的沖程使管樁易產生卷曲，能量傳遞率相對較低；產生的污染、噪聲問題比較突出。

液壓錘作為樁基施工發展方向，技術逐漸成熟。它具有污染小、噪聲低、調控方便準確、能量傳遞率高等優點，是一種比較理想的施工機械。但結構較復雜、價格昂貴。

打樁錘的選型除要遵循樁錘的選擇原則外，還需考慮現有的起重船、打樁船的性能及施工區域的地質條件，全面權衡、綜合比選，以便獲取最佳的技術經濟效益，使設備在工程建設中發揮更好效果。