復(fù)雜地質(zhì)條件下液壓振動錘陸上打設(shè)大直徑鋼管樁

李勝，周維，徐立強(qiáng)

（1.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

1 工程概況

1.1 項目概況

卡貝略新集裝箱碼頭項目位于委內(nèi)瑞拉卡貝略市卡貝略港西北部。主要建設(shè)內(nèi)容包括：長度為850 m的連續(xù)錨錠式鋼管板樁碼頭及230 m同結(jié)構(gòu)后期預(yù)留接口，總面積約57萬m2的集裝箱堆場，966 m長防波堤，港池及航道等。建成后可同時靠泊1艘13萬噸級和1艘10萬噸級集裝箱貨輪，年吞吐能力達(dá)100萬標(biāo)箱。

碼頭前墻樁為φ2.3 m鋼管樁和AZ26型鋼板樁組合結(jié)構(gòu)。鋼管樁共296根，設(shè)計樁頂標(biāo)高+1.1 m，底標(biāo)高-38 m，長39.1 m，壁厚24 mm。鋼管樁樁間距3.62 m，之間用AZ26型鋼板樁通過鎖口連接，共計296組，板樁設(shè)計底標(biāo)高-23 m，樁長24.1 m。

1.2 工程特點

1） 水文特點

擬建碼頭直接面對加勒比海，除遠(yuǎn)處一小島外，無任何掩護(hù)，施工海域海況惡劣，長周期涌浪海況特征明顯，不利水上打樁作業(yè)。

2） 地形特點

在總長1 080 m的碼頭岸線中，約有60%位于陸上（東側(cè)），40%位于水深約1～6 m的海中（西側(cè)），且平均水深僅3 m。

3） 地質(zhì)特點

根據(jù)項目勘察報告[1]，工程區(qū)土層主要為砂和少量黏土，自上而下交替分布。-17～-22 m有珊瑚和珊瑚礁灰?guī)r；-23～-28 m、-32～-35 m分布有不連續(xù)透鏡體狀的砂質(zhì)膠結(jié)層。珊瑚礁灰?guī)r無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.2～30.8 MPa，膠結(jié)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為20.8～32.88 MPa。典型地質(zhì)鉆孔圖見圖1。

圖1 典型地質(zhì)鉆孔圖Fig.1 Typical geotechnical boring

4） 沉樁精度

鋼管板樁組合結(jié)構(gòu)，對鋼管樁的定位精度要求較高。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，鋼管樁的平面偏位需控制在±10 cm以內(nèi)，垂直度不大于1/100，樁頂標(biāo)高誤差不超過±5 cm。

5） 沉樁深度

項目地處委內(nèi)瑞拉地震5區(qū)，設(shè)計地震峰值加速度0.3g（介于8~9級地震之間）。為保證港池開挖至-17.2 m后，地震過程中樁基的穩(wěn)定性，樁基設(shè)計底標(biāo)高達(dá)到-38 m，入土深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同類項目。

2 施工方法的選擇

2.1 施工方案確定

根據(jù)本項目的水文及地形特點，選擇陸上施工工藝進(jìn)行沉樁施工，以避開惡劣海況影響，水上部分考慮修筑圍堰后填砂形成陸域施工條件[2-3]。

因工程地處重鹽強(qiáng)腐蝕海域，樁基防腐涂層的完整性要求高。經(jīng)對多種防腐涂層磨損保護(hù)方案比選，最終選定最具操作性的物理防磨方案：樁基施工前，先打設(shè)鋼護(hù)筒（φ2.6 m）至防腐涂層底標(biāo)高（-19.2 m）以下，然后利用旋挖鉆對護(hù)筒內(nèi)土體進(jìn)行旋挖，最后施打樁基。這樣不但保證了樁基防腐涂層的完整性，同時也降低了沉樁難度。

2.2 設(shè)備選擇

根據(jù)樁基施工工藝及入土深度要求并結(jié)合地勘資料，利用美國GRLWEAP打樁分析軟件對沉樁可行性進(jìn)行分析后得出，在護(hù)筒內(nèi)旋挖至-24～-28 m，即挖除第一層珊瑚、珊瑚礁灰?guī)r或膠結(jié)層后，選用美國ICE公司生產(chǎn)的雙聯(lián)ICEV360型液壓振動錘可施打到-38 m設(shè)計樁底標(biāo)高。

該設(shè)備單臺最大激振力3 203 kN，偏心力矩150 kg·m，最大上拔力2 224 kN，系統(tǒng)振幅2.1 mm，重量16 363 kg。并聯(lián)后，考慮共振系數(shù)，最大激振力可達(dá)7 380 kN。

旋挖施工配備1臺ZR360C型旋挖鉆。該鉆機(jī)回轉(zhuǎn)扭矩360 kN·m，最大鉆孔直徑2.8 m，深度60 m，鉆進(jìn)加壓力30 t，配備專用鉆頭，可用于珊瑚礁及膠結(jié)層等巖層鉆孔施工。

起重設(shè)備根據(jù)吊高、吊重，配置1臺260 t履帶吊作為主吊（吊樁、打樁），1臺130 t履帶吊作為輔吊（配合立樁）。

2.3 施工精度控制措施

1）護(hù)筒施工精度控制

為保證后續(xù)鋼管樁施工精度的要求，鋼護(hù)筒的平面偏位控制在±5 cm以內(nèi)，垂直度偏差控制在1/400以下。

護(hù)筒平面位置控制采用平面定位架，垂直度控制利用1臺經(jīng)緯儀和1臺全站儀，采用十字交匯法進(jìn)行控制。

護(hù)筒平面定位架利用8個螺旋千斤頂把護(hù)筒定位架固定在2根已施打的鋼護(hù)筒上。利用已施打的護(hù)筒，定位待施打護(hù)筒。護(hù)筒平面位置采用定位架上的定位滾輪進(jìn)行限定。

2）鋼管樁施工精度控制

鋼管樁定位采用騎跨式定位導(dǎo)向架。將定位導(dǎo)向架通過液壓鉗固定在已施工的鋼管樁上，利用已施工的鋼管樁為基礎(chǔ)定位施工下一根鋼管樁。

定位導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)見圖2。

2.4 土體承載力恢復(fù)措施

因護(hù)筒內(nèi)土體旋挖深度達(dá)到-24～-28 m，為保證樁基施工后承載力滿足要求，采用如下措施恢復(fù)土體承載力。

1） 樁外部分

本項目地質(zhì)層以密實砂為主，且含有豐富的地下水。施工時可充分考慮雙聯(lián)ICE-V360液壓振動錘強(qiáng)大的激振力，使土體在樁基振沉和護(hù)筒拔除過程中振動密實。

圖2 鋼管樁定位架Fig.2 Positioning frame of steel pile

2） 樁內(nèi)部分

樁基施工到位后，在樁內(nèi)填入含泥量小于10%的細(xì)砂，利用ZCQ132kW振沖器對樁內(nèi)填砂進(jìn)行振沖密實，密實后砂土標(biāo)貫要求大于20擊。

3 施工工藝流程

樁基施工流程為：施工準(zhǔn)備→施打護(hù)筒→護(hù)筒內(nèi)旋挖→安裝導(dǎo)向架→初打至導(dǎo)向架頂部→移除導(dǎo)向架→復(fù)打至設(shè)計標(biāo)高→樁內(nèi)回填砂→拔除護(hù)筒→回填砂振沖密實→繼續(xù)施工下根樁基。

4 主要施工方法

4.1 護(hù)筒施打

鋼護(hù)筒直徑2.6 m，壁厚2 cm，長25 m。施打前利用130 t履帶吊安裝護(hù)筒平面定位導(dǎo)向架，利用千斤頂將護(hù)筒定位架固定在已施打的2根鋼護(hù)筒上[4]。再利用260 t履帶吊吊雙聯(lián)ICE V360振動錘施打至預(yù)定標(biāo)高。施打過程中測量人員實時觀測鋼護(hù)筒的偏位及垂直度，現(xiàn)場施工負(fù)責(zé)人根據(jù)測量數(shù)據(jù)指揮吊車動態(tài)調(diào)節(jié)護(hù)筒垂直度。

4.2 護(hù)筒內(nèi)旋挖

護(hù)筒施打到位后，利用ZR360C型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行筒內(nèi)旋挖。鉆頭直徑為2.2 m，旋挖至-26 m（挖除第1層膠結(jié)層及珊瑚礁層）。

旋挖過程中，實時觀察旋挖出來的渣樣，并做好記錄，發(fā)現(xiàn)與地質(zhì)資料不符時，要及時調(diào)整。

4.3 鋼管樁初打

旋挖到預(yù)定深度并安裝好液壓定位導(dǎo)向架后，即開始鋼管樁施工（圖3）。

圖3 鋼管樁定位施打Fig.3 Position and piling of steel pile

為方便后續(xù)鋼板樁施打，鋼管樁施工前在鎖口位置涂抹黃油，在鎖口底部塞入螺栓以防止沉樁過程中堅硬異物卡入鎖口導(dǎo)致鎖口堵塞。

鋼管樁采用兩點起吊，以260 t履帶吊為主吊，130 t履帶吊為輔吊。立樁后，在定位導(dǎo)向架約束下，緩慢吊鋼管樁入導(dǎo)向架龍口，下放至護(hù)筒內(nèi)，通過測量初步調(diào)整鋼管樁的偏位，定位且穩(wěn)樁后，松鉤，利用吊籃將工人吊至樁頂解除立樁用的鋼絲繩，高空作業(yè)必須佩帶安全帶。

插樁后，260 t履帶吊起吊并聯(lián)ICE V360型液壓振動錘至樁頂，用望遠(yuǎn)鏡觀察振動錘的4個液壓鉗是否平穩(wěn)緊密的貼緊鋼管樁，無誤后，加壓夾緊液壓鉗。通過測量人員觀測，動態(tài)調(diào)整鋼管樁的平面位置及垂直度，此過程，平面位置控制在5 cm以內(nèi)，垂直度控制小于1/300。

鋼管樁施打時，先點振，以調(diào)整鋼管樁垂直度。待鋼管樁入土5～6 m后，測量人員再次觀測平面偏位及垂直度情況，指揮人員根據(jù)觀測結(jié)果對鋼管樁再進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。待穩(wěn)定后施打鋼管樁至導(dǎo)向架頂部。

鋼管樁振動沉樁的整個過程，樁周5 m范圍內(nèi)及吊車拔桿下嚴(yán)禁站人，防止落物傷人。

4.4 鋼管樁復(fù)打

鋼管樁初打至定位導(dǎo)向架頂部后，停錘，移除導(dǎo)向架，繼續(xù)復(fù)打至設(shè)計標(biāo)高。

復(fù)打階段要注意調(diào)節(jié)鎖口位置，以便后期鋼板樁插入。

鋼管樁如不能復(fù)打到位，則根據(jù)具體情況采取以下措施：

1）如樁頂標(biāo)高高于設(shè)計標(biāo)高2 m以內(nèi)，先用旋挖鉆機(jī)樁內(nèi)旋挖，再采用鉆打結(jié)合方式復(fù)打。

2）如樁頂標(biāo)高高于設(shè)計標(biāo)高2 m以上，旋挖鉆機(jī)鉆孔困難時，應(yīng)首先利用空氣吸泥器對樁內(nèi)進(jìn)行吸砂、排渣，將密實砂、小直徑礫石及振碎的膠結(jié)砂巖塊體通過空氣吸泥器抽出，破壞樁內(nèi)摩擦阻力，再進(jìn)行復(fù)打。

3）如吸泥后仍不能滿足沉樁要求，則搭設(shè)施工平臺，利用YCJF-25全液壓沖擊反循環(huán)鉆對樁內(nèi)沖孔，破壞膠結(jié)層等沉樁障礙物之后，將樁沉設(shè)至設(shè)計標(biāo)高。

4.5 鋼護(hù)筒拔除

鋼管樁施打到位后，利用260 t履帶吊懸吊雙聯(lián)ICE-V360振動錘拔除鋼護(hù)筒。

護(hù)筒拔除過程中，應(yīng)緩慢上提，充分利用振動錘對樁周砂土進(jìn)行振動密實。

4.6 樁內(nèi)填砂及振沖

護(hù)筒拔除后，利用自卸車配合反鏟進(jìn)行樁內(nèi)填砂，填至設(shè)計樁頭混凝土底標(biāo)高以上2 m左右，再利用130 t履帶吊配ZCQ132型振沖器進(jìn)行回填砂的振沖密實。振沖過程中，砂體因逐步密實而下沉。待振沖完成并檢測合格后，利用旋挖鉆機(jī)配合人工將多余砂體移除，并進(jìn)行后續(xù)的樁頭混凝土施工。

5 施工方案優(yōu)化

5.1 鋼管樁定位優(yōu)化

鋼管樁定位導(dǎo)向架定位效果雖好，但安裝、調(diào)整、拆除耗時較長，在陸上施打鋼管樁時，由于不存在水上施工的波浪影響，且25 m的鋼護(hù)筒施打后，本身也具有導(dǎo)向作用，所以，經(jīng)過現(xiàn)場多次嘗試，在現(xiàn)場指揮人員、吊車操作手和測量人員配合密切的情況下，可以僅利用全站儀、經(jīng)緯儀交匯，以及護(hù)筒上的簡易限位即可控制樁基施工垂直度和平面位置，且能滿足定位精度要求。

5.2 護(hù)筒頂部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為避免護(hù)筒對鋼管樁施工的影響，沉樁前鋼護(hù)筒應(yīng)低于樁頂標(biāo)高，這導(dǎo)致護(hù)筒拔除時，液壓錘因空間不足無法夾持鋼護(hù)筒。施工初期考慮的是焊接加長段鋼護(hù)筒的方式進(jìn)行護(hù)筒拔除，該方法費時費力。經(jīng)過現(xiàn)場實踐，最終通過護(hù)筒開凹口的方式解決了護(hù)筒拔除難題。通過護(hù)筒頂部開設(shè)凹口，鋼管樁施打時，振動錘可剛好通過護(hù)筒凹口將鋼管樁振沉至設(shè)計標(biāo)高，而凹口以外高出部分高于鋼管樁頂標(biāo)高；護(hù)筒拔除時，振動錘可輕松夾持護(hù)筒高出部分。

上述2個優(yōu)化措施的運(yùn)用，極大提高了現(xiàn)場施工工效。

6 施工效果

方案實施過程中，特別是方案優(yōu)化后，鋼管樁沉設(shè)施工綜合工效為1根/d，高峰期可達(dá)到1.5根/d，滿足進(jìn)度計劃要求，且施工精度完全滿足技術(shù)規(guī)格書要求，保證了項目工期和質(zhì)量。

為驗證樁基施工質(zhì)量，按照技術(shù)規(guī)格書要求開展了靜載試樁，樁基承載力達(dá)到13 918 kN，滿足設(shè)計要求。

7 結(jié)語

本項目利用液壓振動錘配合外套護(hù)筒預(yù)鉆孔的施工工藝，成功解決了鋼管樁施打過程防腐涂層破壞、密實膠結(jié)砂層沉樁難、樁基偏位較大時沖擊錘拔起難等施工難題。

通過采用鋼管樁定位和鋼護(hù)筒頂部結(jié)構(gòu)施工方案優(yōu)化措施，極大提高了施工效率。

在復(fù)雜地質(zhì)條件下，卡貝略新集裝箱碼頭項目利用液壓振動錘進(jìn)行大直徑鋼管樁陸上施工整套的施工工藝是科學(xué)、合理的，可為同類型樁基結(jié)構(gòu)施工參考和借鑒。