淺析港口工程預(yù)制樁沉樁工藝及溜樁的質(zhì)量控制

■阮寅鍇

(福建省港口工程有限公司，福州 350001)

0 引言

在高樁碼頭工程施工中，沉樁是重要工序之一，它對(duì)工程的質(zhì)量和進(jìn)度有著很大的影響。 根據(jù)克服土壤阻力的機(jī)理不同，主要的沉樁方法有錘擊法、震動(dòng)法、射水法、壓入法及嵌巖沉樁法等。在軟土地基中，常用工藝為錘擊法。錘擊法沉樁是利用錘的斷續(xù)沖擊，樁周?chē)馏w不斷受擠壓、剪切破壞、使樁逐步下沉的沉樁方法，它是預(yù)制樁最常用的沉樁方法之一。該法適應(yīng)范圍廣，機(jī)械化施工速度快，樁身強(qiáng)度高，樁基質(zhì)量有保證，無(wú)排污問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)文明程度高； 但也存在一些施工病害， 如施工時(shí)振動(dòng)噪音大，大面積施工存在嚴(yán)重“擠土效應(yīng)”，將會(huì)產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力，使土體降起并向側(cè)向擠壓，后打樁將擠壓已打的工程樁使之產(chǎn)生偏移、上浮等副作用。錘擊法一般適用于松散、中密砂土、黏性土以及松散的碎卵石類(lèi)土。

1 工程概況

“閩江馬尾對(duì)臺(tái)綜合客運(yùn)碼頭1#～3# 泊位工程(水工及陸域形成部分)”項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于福州市馬尾區(qū)瑯岐島西北部三平南兜村附近， 即福州閩江口內(nèi)港區(qū)瑯岐岸段的1#～3# 泊位。 本工程主要包括擬建1#～3# 碼頭和棧橋、后方護(hù)岸陸域形成及回旋水域。

1# 泊位為5000 噸級(jí)客貨泊位(水工結(jié)構(gòu)按靠泊2 萬(wàn)GT 客貨滾裝船設(shè)計(jì))， 采用高樁離岸式布置；2#、3# 泊位為2 個(gè)500GT 客運(yùn)泊位，采用浮碼頭結(jié)構(gòu)形式。 碼頭平臺(tái)總長(zhǎng)度158m，分3 個(gè)結(jié)構(gòu)段，第一與第三個(gè)結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)50.5m，第二個(gè)結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)57m。 碼頭均采用樁基結(jié)構(gòu)，基樁采用248 根Φ600mm×600mm 預(yù)應(yīng)力方樁(其中備樁12根)，樁基持力層落在中砂層上，預(yù)應(yīng)力方樁樁尖需進(jìn)入灰白-灰色中細(xì)砂層，樁長(zhǎng)為50～57m。

連接碼頭和駁岸的棧橋采用樁基結(jié)構(gòu)， 其中1# 和2# 棧橋共計(jì)采用Φ600mm×600mm 預(yù)應(yīng)力方樁32 根(含備樁2 根)，斜度均為5∶1。 樁基持力層為灰白-灰色中細(xì)砂層，預(yù)應(yīng)力方樁樁尖需進(jìn)入灰白-灰色中細(xì)砂層，樁長(zhǎng)為50～57m。

2#、3# 泊位工程中含有4 個(gè)撐桿墩與1 條應(yīng)急通道需要沉樁，其中每個(gè)撐桿墩由4 根Φ600mm×600mm 預(yù)應(yīng)力方樁組成，應(yīng)急通道由8 根Φ600mm×600mm 預(yù)應(yīng)力方樁組成。 樁基持力層均為中砂層，樁長(zhǎng)為47～50m。

2 沉樁前準(zhǔn)備及沉樁順序

2.1 主要施工機(jī)具

錘擊沉樁需要配備的主要施工船機(jī)有：打樁船1 艘、500hp 拋錨艇1 艘、方樁運(yùn)樁船2 艘。 施工船機(jī)在工程開(kāi)工前10 天進(jìn)場(chǎng)。

根據(jù)設(shè)計(jì)樁型及對(duì)該地區(qū)類(lèi)似地質(zhì)資料的分析，同時(shí)根據(jù)施工總體部署和海上施工的有效作業(yè)時(shí)段， 本工程預(yù)應(yīng)力方樁選用“閩樁3”打樁船實(shí)施海上打樁。 該船樁架高度能滿足樁長(zhǎng)和水深要求，錨泊、收放等動(dòng)力系統(tǒng)能適應(yīng)本工程的施工環(huán)境。

本工程樁基為600mm×600mm 的預(yù)應(yīng)力方樁， 樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，樁基持力層落在中砂層上，預(yù)應(yīng)力方樁樁尖需進(jìn)入灰白-灰色中細(xì)砂層，承載力高。根據(jù)施工區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)、樁長(zhǎng)、樁型參數(shù)及設(shè)計(jì)要求，樁錘選擇D128 型柴油錘。

2.2 測(cè)量工作

布設(shè)工程施工控制網(wǎng)，布設(shè)以滿足精度要求、方便后續(xù)施工測(cè)量放樣為原則。盡量選擇基礎(chǔ)穩(wěn)定、通視條件良好的位置布設(shè)控制點(diǎn)。 控制網(wǎng)中邊長(zhǎng)比、角度符合《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》要求，控制點(diǎn)布設(shè)好后要注意保護(hù)，定期復(fù)測(cè)。

（1）平面控制：預(yù)應(yīng)力樁沉樁采用GPS 定位與岸上全站儀共同定位。 沉樁期間，先采用GPS 定位，待到達(dá)樁位后，岸上設(shè)兩臺(tái)全站儀按前方任意角交會(huì)法校核樁位。施工放樣時(shí)以設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)， 計(jì)算測(cè)點(diǎn)在施工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，采用前方交會(huì)法定位，測(cè)量放樣按照先整體后局部、先控制后細(xì)部的原則進(jìn)行。

（2）高程控制：以引接的水準(zhǔn)點(diǎn)高程為依據(jù)，使用水準(zhǔn)儀測(cè)放高程，局部區(qū)域根據(jù)工程需要增設(shè)臨時(shí)高程點(diǎn)。

2.3 沉樁順序

先由2# 棧橋開(kāi)始施工，2# 棧橋全部沉樁完畢再進(jìn)行1# 棧橋的施工，待1# 棧橋全部施工完畢后進(jìn)行1# 泊位碼頭面的施工，1# 泊位碼頭面由28 排架開(kāi)始呈階梯狀往1 排架進(jìn)行施工， 全部施工完畢后最后進(jìn)行2#、3#泊位應(yīng)急通道與撐桿墩的施工。為加快施工進(jìn)度，沉樁以盡快形成排架，盡早進(jìn)行上部橫梁混凝土為原則。

3 沉樁施工工藝

3.1 工藝流程

沉樁施工的工藝流程如圖1 所示。

圖1 沉樁工藝流程

3.2 打樁船駐位

打樁船順流拋八字錨和前后穿心錨共8 根錨纜，懸掛錨重4.956～5.982t 的海軍錨8 根，纜長(zhǎng)約300m，纜徑36mm，由起錨艇輔助下錨布纜，沉樁過(guò)程中應(yīng)根據(jù)潮位變化適當(dāng)調(diào)整錨纜的長(zhǎng)短。

根據(jù)“閩樁3”打樁錨纜拋設(shè)需要，在后方護(hù)岸上布設(shè)4 個(gè)地錨，分別離1#、2# 棧橋距離10m 和60m 位置處各設(shè)置2 個(gè)地錨，地錨長(zhǎng)、寬均為2.4m，埋深5m。

3.3 移船吊樁

錨纜布設(shè)完畢，緩緩移船靠近運(yùn)樁駁取樁。吊樁采用鋼絲繩捆綁四點(diǎn)吊，吊點(diǎn)布置如圖2 所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力方樁吊點(diǎn)布置示意圖

3.4 立樁

預(yù)應(yīng)力方樁起吊時(shí)，平穩(wěn)起吊到一定高度，上部和中部吊點(diǎn)的大鉤帶勁回收，下部吊點(diǎn)的大鉤緩緩放松，進(jìn)行立樁，錘、替打同步上升。

3.5 樁入龍口、套替打

立樁完畢，適當(dāng)調(diào)整樁架的垂直度和替打的高度，使上口嵌入替打，依據(jù)設(shè)計(jì)采用軟質(zhì)樁墊，此時(shí)將連接下部吊點(diǎn)的大鉤緩緩放松并解除，然后關(guān)閉抱樁器，如圖3 所示。

圖3 樁入龍口

3.6 沉樁定位

打樁船上布設(shè)3 臺(tái)GPS 流動(dòng)站采用RTK-GPS 模式，配合兩臺(tái)傾角傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控船體的位置、方向和姿態(tài)， 同時(shí)利用兩臺(tái)免棱鏡激光測(cè)距儀實(shí)時(shí)校正基樁的平面位置，與設(shè)計(jì)標(biāo)高處坐標(biāo)比較，從而得到船體的移動(dòng)方向和移動(dòng)量。據(jù)此指揮打樁船調(diào)整錨纜移動(dòng)船位，直至樁位達(dá)到允許要求，方可進(jìn)行沉樁。

樁頂標(biāo)高及貫入度由岸上水準(zhǔn)儀控制， 并由樁架上的高程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)校核。 通過(guò)測(cè)量下沉量，配合“錘擊計(jì)數(shù)器”記錄打樁錘擊數(shù)，計(jì)算打樁貫入度。

3.7 樁和替打自沉

樁定位完畢，放松連接錘和替打的鋼絲繩，讓樁和替打在自重作用下下沉。 下沉完畢，觀察樁位偏差，根據(jù)樁位偏差適當(dāng)調(diào)整樁位。

3.8 壓錘

樁自沉完畢后，進(jìn)行壓錘，并觀察樁的偏位，若發(fā)現(xiàn)樁位偏差過(guò)大， 則應(yīng)起錘并根據(jù)偏位情況適當(dāng)調(diào)整打樁船錨纜，然后重新壓錘。

3.9 錘擊施工

打樁船調(diào)整好自身的水平、 位置和樁架垂直度后壓錘和替打，GPS 再次觀測(cè)樁的偏位和垂直度，確定各項(xiàng)控制數(shù)據(jù)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以開(kāi)始錘擊，見(jiàn)圖4。

圖4 水上錘擊沉樁

停錘控制標(biāo)準(zhǔn)按試樁后確定的參數(shù)進(jìn)行控制。預(yù)制樁沉樁以貫入度為主，標(biāo)高校核為輔，終錘前10 擊平均貫入度控制在3mm/擊，當(dāng)沉樁貫入度已達(dá)到控制貫入度，而樁端未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)， 應(yīng)繼續(xù)錘擊貫入100mm 或錘擊30～50 擊，其平均貫入度不應(yīng)大于控制貫入度；樁端標(biāo)高仍高出設(shè)計(jì)標(biāo)高2m 時(shí)應(yīng)會(huì)同設(shè)計(jì)部門(mén)研究解決。

4 溜樁

水上沉樁施工中出現(xiàn)溜樁是比較常見(jiàn)的現(xiàn)象， 一般表現(xiàn)為沉樁中貫入度突然增大，樁基加速下沉，容易產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題和安全事故。溜樁的原因主要有：(1)由不良地質(zhì)條件引起， 比如淤泥質(zhì)土層厚度大或者黏土中的含水量高，土質(zhì)呈軟塑或流塑狀態(tài)；(2)樁錘選擇不當(dāng)，比如樁錘選擇過(guò)大等；(3)樁錘檔位或作用力控制不當(dāng)；(4)其它非技術(shù)上的原因。

本項(xiàng)目施工水域分布大量軟弱地基， 施工過(guò)程中就出現(xiàn)了高頻率、大幅度溜樁現(xiàn)象(溜樁長(zhǎng)度22～38m)，該現(xiàn)象在全國(guó)范圍內(nèi)均屬罕見(jiàn)， 造成水上沉樁存在較大安全隱患， 卷?yè)P(yáng)機(jī)及樁錘鋼絲繩等起重設(shè)備存在較大的損壞風(fēng)險(xiǎn)。

為確保沉樁施工過(guò)程中設(shè)備及人身財(cái)產(chǎn)安全， 我們組織相關(guān)人員進(jìn)行了課題研究攻關(guān)， 最終提出了對(duì)樁錘吊具進(jìn)行技術(shù)改造的方法， 即在原有D128 柴油錘上增設(shè)專(zhuān)用樁錘吊籠， 確保在沉樁施工過(guò)程中起重鋼絲繩直接作用于吊籠上，與柴油錘脫離，以保證在溜樁時(shí)設(shè)備及人員安全，順利地完成該項(xiàng)目沉樁施工。樁錘技術(shù)改造前后如圖5 所示。

圖5 樁錘技術(shù)改造過(guò)程

在使用吊籠之前， 長(zhǎng)距離的溜樁會(huì)導(dǎo)致吊錘用鋼絲繩跟隨樁錘一起做自由落體運(yùn)動(dòng)， 同時(shí)由于卷?yè)P(yáng)機(jī)無(wú)法剎住鋼絲繩，鋼絲繩受牽引力的作用一直受到拉力，導(dǎo)致鋼絲繩在甲板上四處掃蕩，造成極大的安全隱患，同時(shí)架頭的導(dǎo)覽器與滑輪遭到快速滑動(dòng)易損壞。 并且在溜樁完成后，由于樁錘還處于啟動(dòng)的狀態(tài)會(huì)繼續(xù)錘擊，樁錘快速下落的力加上錘擊的力一起作用在方樁上， 極易導(dǎo)致斷樁事故的發(fā)生。

在使用吊籠之后，直接使用吊籠對(duì)樁錘進(jìn)行吊起，取消了吊錘用鋼絲繩。在溜樁現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，樁錘與樁同時(shí)下落， 而吊籠與樁錘分離停留在原位， 并且提前關(guān)閉了油門(mén)，使得樁錘不會(huì)再下落后繼續(xù)錘擊，保護(hù)了樁錘與樁，同時(shí)鋼絲繩與吊籠在溜樁完成后，操作手再操作其下降，這樣不僅不會(huì)造成安全隱患， 同時(shí)還保護(hù)了架頭的導(dǎo)覽器、滑輪與樁錘，延長(zhǎng)了其使用壽命。

自樁錘吊籠改造完成至今， 已順利施打近三百根預(yù)應(yīng)力方樁，未出現(xiàn)安全生產(chǎn)問(wèn)題，并且沉樁數(shù)量由技術(shù)改造前的4 根/天提高至6 根/天，提高了生產(chǎn)效率，為打樁船水上沉樁順利進(jìn)行提供安全技術(shù)保障， 達(dá)到良好的技改效果。

5 結(jié)論

(1)介紹了港口工程樁基錘擊沉樁施工的工藝流程。

(2)通過(guò)對(duì)D128 柴油錘的技術(shù)改造，解決了在沉樁施工過(guò)程中溜樁樁錘瞬間重力作用導(dǎo)致的設(shè)備高度負(fù)荷、鋼絲繩崩斷及亂甩問(wèn)題，確保沉樁施工設(shè)施設(shè)備及人身財(cái)產(chǎn)安全，推動(dòng)了技術(shù)管理創(chuàng)新活動(dòng)的開(kāi)展。

(3) 自樁錘吊籠改造完成至今未出現(xiàn)安全生產(chǎn)問(wèn)題，設(shè)備穩(wěn)定性高，并且有效地提高生產(chǎn)效率，為水上沉樁順利完成提供安全技術(shù)保障，達(dá)到良好的技改效果。

(4)通過(guò)技術(shù)改造，有效提高了“閩樁3”船市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，使其適應(yīng)各種地質(zhì)條件下的沉樁施工任務(wù)。

(5)鑒于閩江流域存在大面積軟土地基，地層變化較大，發(fā)生“溜樁”可能性極高，打樁錘吊具可充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，使打樁設(shè)備及人員安全風(fēng)險(xiǎn)極大降低，在軟土地層施工中將有著廣泛的應(yīng)用前景。 同時(shí)也將進(jìn)一步增強(qiáng)混凝土預(yù)制樁在軟土地基碼頭基礎(chǔ)工程中的競(jìng)爭(zhēng)力。