管板組合樁碼頭整體式導向架鋼管樁施工技術應用

魯俊杰 中交第四航務工程局有限公司

1.工程概況

廣州港南沙港區四期集裝箱碼頭為粵港澳大灣區首個自動化碼頭，廠區內淤泥～淤泥質土埋藏深度淺，地下水位淺，是國內首個在深厚淤泥地質條件下應用管板組合+格柵水泥土攪拌樁+單錨鋼拉桿結構形式的10萬噸級碼頭。項目海輪碼頭建設2個10萬噸級和2個5萬噸級集裝箱船泊位，岸線總長1460m；12個2000噸級多用途駁船泊位，泊位總長 985m；4個工作船泊位，泊位總長200m。碼頭需施打1129根鋼管樁，鋼管樁樁徑分別為Φ2032mm、Φ1626mm、Φ1000mm三種規格，壁厚分別為24mm、20mm、18mm，材質選用Q420B和Q355B。

南沙港區位于伶仃洋水域，珠江三角洲河口灣河海交匯處。其基底為下古生界中～深變質的區域變質巖，其上覆蓋著第四紀不同成因的地層。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、卵石和強風化變粒巖；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風化變粒巖或中風化變粒巖；海輪碼頭1-4#泊位錨定鋼管樁樁端土層主要是經加固的淤泥質土，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：鋼管樁到貨驗收→場地平整→測量定位→架設導向架→鋼管樁下樁定位→調整垂直度→鋼管樁沉樁至設計面以上1.2米左右→拆除導向架→鋼管樁沉樁至設計標高。

采用整體式導向架振動聯合錘擊施工方法，通過設計整體式導向架，采用雙拼H型焊接制作的雙邊牛腿定位錨樁進行固定導向架，安裝一次可同時施打四根鋼管樁，并且對鋼管樁施工過程中的垂直度、偏位等可以及時調整，減小整體式導向架安裝時間，提高施工效率。經過振動錘沉樁至樁不能再下沉，移除導向架，經柴油錘錘擊樁至設計標高。

（2）設備選型與參數控制。對鋼管樁處地質條件進行分析，開展試樁試驗，復核沉樁控制標準，檢驗基樁承載力。插樁在起重設備選擇320t履帶吊，振動錘選擇YZ-300L液壓振動錘；送樁起重設備選擇180t履帶吊，沉樁設備選擇HD180柴油錘。

沉樁控制以樁尖標高控制為主，貫入度作為校核，當樁尖已達到設計標高，最后10擊平均貫入度≤8mm/擊，可以終錘；當樁尖已達到設計標高，最后10擊平均貫入度＞8mm/擊，應繼續錘擊，直至打完富余樁長，或直到最后30擊平均貫入度≤8mm/擊，可以終錘[1]。

3.關鍵技術

（1）場地平整。對樁位軸線兩邊場地進行平整，場地標高＜設計樁頂標高-導向架架身高度-1.2m，對于較軟弱的土質，提前進行地基承載力驗算，確保吊機等機械設備行走。地基處理后，場地固結度高達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。

根據地基承載力計算，選擇最不利條件進行驗算：320t履帶吊軌距s=7.0m，履帶中心長度L=8.53m，履帶寬度B=1.2 m，帶基本主臂的整機重量為242t，包含配重、吊鉤等重量達300 t；吊重鋼絲繩8t，液壓沖擊錘66t，樁帽30t，加320t履帶吊自重，基礎需承載m 總=404t重；履帶吊與基礎接觸面積為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基礎未鋪設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地上，基礎未能滿足承載力要求。

②基礎鋪設鋼板情況下地基承載力情況。基礎鋪設厚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2 塊2m×6m，與基礎接觸面積為S鋼板=2×6×2×2=48m2。

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

（2）整體式導向架制作、定位、安裝。①整體式導向架為上下兩層門字形雙層式，導向架高度8m，長度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。在上下橫縱梁上設置可調節的導向輪，可對鋼管樁的偏位、傾斜、垂直度進行控制調整。

②導向架受力驗算。導向架分別受到鋼管自重產生的側壓力以及風荷載產生的側壓力，對導向架具有較大的破壞作用，選取該工況進行驗算。鋼管自重產生的側壓力分項系數取1.2，風荷載產生的側壓力分項系數取1.4。驗算時取導向架橫斷面方向傾斜最大，導向架凈寬2.3m，鋼管樁直徑2.032m。鋼管樁在導向架上下縱梁Y軸方向有0.268m的空間位移，由此鋼管樁Y軸會偏差2.698m。

導向架及鋼管自重產生的側壓力由midas civil 2019軟件自動計入。風荷載按《港口工程荷載規范》及《建筑結構荷載規范》計算。考慮風荷載時計算得到最大組合應力為119.97MPa，小于抗彎承載力設計值215MPa；計算得到最大剪應力為21.89MPa，小于抗剪承載力設計值125MPa，導向架強度符合要求。計算得到型鋼最大撓度為5.864mm<(2173+300)/400=6.183mm，導向架剛度符合要求[2]。

為保證鋼管樁傾斜放置在導向架時不至于傾覆，需在鋼管樁四周設置抗滑錨定樁，抗滑錨定樁選用ф630＊10.5m型鋼。導向架傾覆時需由導向架墊底鋼板及同側兩根型鋼樁承擔導向架及鋼管樁產生的壓力。

③雙邊牛腿定位錨樁插入。根據導向架尺寸以及導向架首尾孔位預計插入鋼管樁的樁心坐標，計算得到四個定位錨樁的樁點位置信息，然后通過GPS進行定位，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儀使四根雙邊定位錨樁頂部高程一致。

④架設導向架。根據導向架尺寸以及樁心坐標，計算得到導向架橫梁擺放方向，吊起整體式導向架，快接觸定位錨樁頂部位置時，使導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記方向一致，然后水平放置在定位樁兩側牛腿上的限位槽內，使整體式導向架卡在槽內，以防止施工過程中因鋼管樁對導向架的擠壓造成導向架移位，然后擰緊施工螺帽完成整體式導向架的初步定位。在每個孔位內放出預計插入鋼管樁的樁心坐標，計算和測設出導向輪應調設的位置，對預設的樁心進行測設并通過調節導向輪進行進一步的細微調整。

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

（3）鋼管樁沉樁施工。放置鋼管樁一段時間穩定后，起吊液壓振動錘夾鉗樁頂端，使用兩臺全站儀成90°采用交匯法控制樁位置和垂直度，啟動振動錘開始沉樁。利用監控系統對振插過程中的鋼管樁垂直度與偏差進行監測，如樁稍有偏位，立即進行調整。沉樁至尚有50%的樁長露出地面，若吊機無法調整樁位偏差時，將樁拔起，重新按上面步驟振插，直到符合質量為止。

圖2 鋼管樁振插測量定位示意圖

圖3 鋼管樁振插示意圖

圖4 送樁順序示意圖

移除導向架，進行基槽開挖，利用土圍堰擋水。為保護鋼管樁樁頭以及限制鋼管樁沉樁過程中的晃動，采用柴油錘替打及樁帽設計，按控制標準錘擊鋼管樁至設計標高。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導致的樁位偏移。

4.整體式導向架施工優勢

架體自身強度更大，外界情況對其的干擾影響更小。

導向架分四個樁孔，對每根鋼管樁的傾斜、偏位、垂直度的偏差都能及時控制都有著獨立的操作空間；四個樁孔的四周分布有四個可調節的剛性橡膠導向輪，進而在施打鋼管樁的時候對每根鋼管樁的傾斜、偏位、垂直度的偏差都能及時進行調整[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接順暢，減少鋼管板樁施工變形，避免發生脫扣、滲漏等質量問題，是鋼管板樁碼頭主體結構施工質量的重點。

（1）打樁時樁的軸線偏差和傾斜度采用導向架進行導向，并在測量導向架準確定位后，再施打樁管樁；導向架采用可移動雙層導向架，在上層H梁上設置可移動的調節裝置（四個方向皆用滾動滑輪），對鋼管樁的傾斜、偏位、垂直度進行控制，滾動裝置可起到保護鋼管樁防腐涂層的作用。

（2）為使鋼板樁平直，保證打樁質量，鋼板樁運到現場后，對鋼板樁和鎖扣逐一進行檢查，根據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，避免起吊時和施打過程扭曲變形。

（3）送樁采用HD180柴油錘進行施打，送樁時必須先擊打鋼管樁到設計標高，最后再使用80柴油錘擊打AZ樁到設計標高。

6.結論

結合工程實踐表明，可以得到如下幾點結論：

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

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

（3）使用整體式導向架施工鋼管樁技術節省了大量生產成本，該技術的推廣和相關市場開拓有極大意義。