深水有覆蓋層條件下打樁錘的選型與應(yīng)用

李志輝

（中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300）

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

新建福州至平潭鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋是國(guó)內(nèi)首座公鐵兩用跨海大橋，跨越北東口水道，全長(zhǎng)3 712.6 m。公鐵主跨均采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，其余鐵路橋跨為簡(jiǎn)支梁，公路橋跨為連續(xù)梁。全橋共設(shè)59個(gè)墩臺(tái)，其中B2～B25及B56位于淺水區(qū)（有覆蓋層）；B26～B41墩位于深水區(qū)（有覆蓋層）；B42～B55墩位于深水區(qū)（淺/無覆蓋層）。

1.2 施工環(huán)境條件

在特殊海島修建跨海橋梁，外海受風(fēng)大、水深、波浪力、潮汐等因素的影響更為顯著。設(shè)計(jì)水文資料顯示，橋址海域最大水深達(dá)42 m；受外海強(qiáng)風(fēng)、涌浪影響，橋址區(qū)波浪力巨大，14級(jí)風(fēng)速達(dá)到45.4 m/s；橋址海域潮型屬正規(guī)半日潮，最大潮差達(dá)7 m。施工受波浪力作用大，單根鋼護(hù)筒（直徑3.3 m，水深42 m）受最大波流力達(dá)60 t，導(dǎo)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(zhì)黏土（基本承載力60 kPa）、粉質(zhì)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(chǔ)施工主要采用鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，鉆孔平臺(tái)鋼管樁沉放及鋼護(hù)筒的沉放均采用打樁船直接插打的方式施工［1］。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件，鋼管樁、鋼護(hù)筒均采用“路橋建設(shè)樁8號(hào)”打樁船和“雄程1號(hào)”打樁船插打。其中路橋建設(shè)樁8號(hào)打樁船主尺度：型長(zhǎng)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(zhǎng)450 m。樁架高92 m，抗風(fēng)能力6級(jí)，有最大施打直徑3.3 m鋼護(hù)筒的能力。

雄程1號(hào)打樁船主尺度：型長(zhǎng)88 m×型寬36 m×型深6.2m，水線長(zhǎng)78m，最大吃水4m。樁架高度128 m（水線至樁架大平臺(tái)頂），最大安全工作負(fù)荷（0°到前傾9°時(shí)）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(yè)范圍±12.5°，起重作業(yè)范圍0°～9°，可作業(yè)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(jié)構(gòu)形式、尺寸、重量、插打長(zhǎng)度，以及氣象、水文、地質(zhì)等多方面的因素。打樁錘選擇應(yīng)遵循以下原則［2-3］：

（1）沉樁的承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）樁錘應(yīng)當(dāng)有足夠的錘擊能力，使樁能穿越較厚的土層，進(jìn)入持力層，確保能順利將樁插打到設(shè)計(jì)深度。

（3）在錘擊過程中，樁身產(chǎn)生的拉應(yīng)力和壓應(yīng)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(zhì)巖層分布情況等因素，在掌握各種樁錘性能的基礎(chǔ)上經(jīng)分析比較后選定［4-5］。選用錘的動(dòng)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(shè)樁8號(hào)打樁船配Hhp35液壓打樁錘，見圖1，性能參數(shù)見表1；雄程1號(hào)配德爾瑪克D260-32柴油打樁錘，見圖2，性能參數(shù)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(jī)，當(dāng)上活塞從錘頂自由落體下落過程中，壓縮缸體內(nèi)的氣體，同時(shí)燃油泵噴油，發(fā)生爆燃；繼續(xù)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(shí)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(xù)循環(huán)作業(yè)。根據(jù)能量守恒定律視為如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

（上活塞）勢(shì)能→動(dòng)能＋燃燒熱能＝樁下沉吸收的能量＋上、下活塞運(yùn)動(dòng)摩阻力＋反彈動(dòng)能→（上活塞）勢(shì)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(gè)活塞，其上升運(yùn)動(dòng)是由液壓能驅(qū)動(dòng)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(dá)2 g，使活塞直接撞擊套筒與樁頂，使管樁下沉，不斷往復(fù)循環(huán)。根據(jù)能量守恒定律視為如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

液壓能→活塞勢(shì)能＋壓縮氣體→動(dòng)能＝樁下沉吸收的能量＋活塞運(yùn)動(dòng)摩阻力。

根據(jù)兩種錘的工作原理，液壓錘與柴油錘能量轉(zhuǎn)換有兩大區(qū)別：一是液壓錘不耗費(fèi)自身的能量，主要依靠外來的液壓能使活塞上升運(yùn)動(dòng)；二是液壓錘僅有一個(gè)活塞，且比柴油錘潤(rùn)滑，運(yùn)動(dòng)摩阻力較小。

根據(jù)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(jù)相關(guān)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(dá)90%。選擇跨海大橋B36墩鉆孔平臺(tái)（B36墩地質(zhì)描述見表3），利用兩種錘對(duì)鋼管樁進(jìn)行插打試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 地質(zhì)描述

表4 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

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(yuǎn)高于柴油錘的打樁能量有效率，從而也驗(yàn)證了相關(guān)資料給出的數(shù)據(jù)。

4.4 打擊力的控制性能

柴油打樁錘低沖程調(diào)控難度大，軟地基不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)打擊［10］。

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

4.5 經(jīng)濟(jì)性比較

目前，從我國(guó)樁工機(jī)械施工技術(shù)的發(fā)展以及市場(chǎng)價(jià)格上，柴油錘依然是市場(chǎng)上主力設(shè)備，其價(jià)格比液壓錘低廉。

柴油錘施工時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓未充分燃燒的混合氣體排放導(dǎo)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(dá)到70%。從能源利用率上看液壓錘比柴油錘更經(jīng)濟(jì)。

4.6 環(huán)保要求

根據(jù)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(yán)重、燃油爆燃噪聲大且不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作；液壓打樁錘采用高效率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)，封閉錘體，配備消音器，噪聲小、無污染。液壓打樁錘的環(huán)保性能高于柴油打樁錘。

目前，液壓打樁錘除了上述較優(yōu)的技術(shù)性能外，還可以提供打樁過程中的相關(guān)信息，如錘擊次數(shù)、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(jiǎn)單、方便。

5 打樁錘實(shí)際工程應(yīng)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(zhì)黏土（基本承載力60 kPa）、粉質(zhì)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(tái)采用鋼管樁與鋼護(hù)筒共同受力結(jié)構(gòu)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(tái)，鉆孔區(qū)平臺(tái)支撐在φ2 800×16 mm、φ3 100×20 mm的樁基鋼護(hù)筒上。

B39～B41墩為通航孔，鉆孔平臺(tái)采用鋼管樁與鋼護(hù)筒共同受力結(jié)構(gòu)形式，在承臺(tái)橫橋向兩側(cè)分別設(shè)置支棧橋。單側(cè)支棧橋設(shè)置兩排φ1 420×16 mm鋼管樁，每排共計(jì)7根，鋼管樁之間縱橫向間距為8 000 mm。兩側(cè)支棧橋之間通過貝雷梁一跨而過，形成整體獨(dú)立鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況以及考慮施工效率等方面，B26～B38墩鉆孔平臺(tái)管樁采用路橋建設(shè)樁8號(hào)打樁船配Hhp35液壓打樁錘沉樁；B39～B41墩鉆孔平臺(tái)采用雄程1號(hào)打樁船配德爾瑪克D260-32柴油打樁錘沉樁。

5.2 應(yīng)用效果

路橋建設(shè)樁8號(hào)打樁船配備Hhp35液壓打樁錘現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)完成B26～B38墩位的鋼管樁、鋼護(hù)筒的插打，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)鋼管樁、鋼護(hù)筒打入深度均在10 m以上。雄程1號(hào)打樁船配D260-32柴油打樁錘完成B39～B41墩位的鉆孔平臺(tái)鋼管樁、鋼護(hù)筒的插打，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)主墩B39平臺(tái)支棧橋鋼管樁打入深度最深為12.5 m、最淺為4.5 m；鋼護(hù)筒的打入深度最深為14.17 m、最淺為4.5 m。

5.3 承載力計(jì)算

以應(yīng)用較廣的海利打樁公式來計(jì)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(shí)，樁土體系總的彈性變形；ξ為落錘效率折減系數(shù)。當(dāng)錘為理想的自由落錘時(shí)，ξ＝1；非自由落錘時(shí)，ξ＜1。

經(jīng)計(jì)算，采用柴油錘、液壓錘插打管樁承載力均滿足設(shè)計(jì)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(fā)揮了較好的作用。

6 結(jié)束語及建議

目前，國(guó)內(nèi)柴油錘使用普遍、廣泛，技術(shù)也較成熟，但明顯存在污染大、噪聲高、調(diào)控難度較大的問題。過大的沖程使管樁易產(chǎn)生卷曲，能量傳遞率相對(duì)較低；產(chǎn)生的污染、噪聲問題比較突出。

液壓錘作為樁基施工發(fā)展方向，技術(shù)逐漸成熟。它具有污染小、噪聲低、調(diào)控方便準(zhǔn)確、能量傳遞率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的施工機(jī)械。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、價(jià)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(xiàn)有的起重船、打樁船的性能及施工區(qū)域的地質(zhì)條件，全面權(quán)衡、綜合比選，以便獲取最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，使設(shè)備在工程建設(shè)中發(fā)揮更好效果。