涌浪海域淺覆蓋地層離岸碼頭樁基施工技術(shù)

林樹奎，江群龍，劉修成,2

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040;3.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100120）

引言

無遮掩外海碼頭施工，受長周期波浪影響，浮式施工船舶有效作業(yè)天數(shù)少[1]。傳統(tǒng)打樁船施工工藝[2]無法滿足沉樁精度要求，且存在較大安全風(fēng)險。此外，海相沉積地層相對復(fù)雜，碼頭樁基施工帶來極大挑戰(zhàn)，尤其是淺覆蓋層、堅硬土層條件下打樁作業(yè)。巴基斯坦胡布燃煤電廠煤碼頭項目，地處阿拉伯海沿岸，季風(fēng)期長周期波浪特征明顯，6～8 月波浪譜峰周期大于8 s 出現(xiàn)的概率超過90 %，由于淺覆蓋層，鋼護筒達到穩(wěn)定深度需穿透堅硬的風(fēng)化礫巖層。因此，需探索一種能有效克服惡劣海況以及硬質(zhì)地層條件的離岸碼頭樁基施工方法。

1 工程概況

1.1 工程簡介

巴基斯坦胡布燃煤電廠碼頭項目為專用煤炭碼頭，供應(yīng)新建火力電廠能源，項目包括引堤、引橋、碼頭和防波堤的施工，如圖1 所示。碼頭含2個10 000 t 泊位，總長265 m，寬24 m。共34 個排架，樁基總計136 根，排架間距為8 m，同排架樁間距6 m。

圖1 項目示意圖

碼頭為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，主要由樁基、系梁、橫梁、縱梁、面板及附屬結(jié)構(gòu)組成。碼頭采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為1.35 m，樁長23.5～25.5 m；鋼護筒直徑1.45 m，壁厚14 mm，護筒頂標(biāo)高+5.742 m，設(shè)計入土深度4.1～5.7 m。

1.2 水文條件

根據(jù)NOAA 的波浪后報資料，工程區(qū)域波浪常浪向為SSW 向，次常浪向為SW 向，頻率分別為32.6 %和25.5 %。5～9 月為季風(fēng)期，波浪譜峰周期大于8 s 概率較高，其他月份波浪周期主要集中在6～8 s，譜峰周期不同月份分段頻率分布見圖2。

圖2 譜峰周期頻率分布

1.3 地質(zhì)情況

地質(zhì)勘察揭示碼頭區(qū)域土層分布為：表層5 m左右范圍內(nèi)主要為細砂中粗礫石、強風(fēng)化礫巖，部分孔位存在中風(fēng)化礫巖，其下為較厚的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂泥巖。典型鉆孔0～10 m 芯樣見圖3。

1.4 工程重難點

1）長周期涌浪特征明顯，不利于船舶水上作業(yè)。

2）碼頭施工海域地質(zhì)情況復(fù)雜，海床覆蓋層淺，鋼護筒施沉困難。

3）碼頭樁基設(shè)計要求高，平面位置偏位小于50 mm，垂直度偏差小于1/200，清孔質(zhì)量要求高。

4）離岸碼頭樁基施工時間緊，交叉工序多，工期壓力大。

2 施工方案

2.1 施工工藝選擇

項目前期，采用“航工樁4”打樁船進行試樁施打，取樁時受涌浪影響，打樁船樁架左右擺動，導(dǎo)致吊鉤在空中擺動幅度較大，掛鉤困難。下樁時，樁與樁架、龍口碰撞明顯，且樁船上GPS 定位顯示樁位平面偏差超過1 m，無法滿足精度要求，不能采用打樁船方案打樁[3]。

自升式平臺在頂升狀態(tài)能避免涌浪對船體的影響，能保證沉樁作業(yè)精度[4]，但其移位工況對波浪條件要求較高（波高≤0.5 m）。而碼頭鋼護筒施工需要頻繁移位，勢必會降低施工效率?？紤]到后續(xù)鋼護筒、鋼筋籠的運輸，混凝土澆筑以及工期安排，為了減少涌浪給施工帶來的不確定性，需盡可能將水上施工轉(zhuǎn)為陸上施工，經(jīng)過深入研究，項目采用“釣魚法”從陸域搭設(shè)鋼棧橋作為施工便道，同時，采用自升式平臺配合步履式頂推平臺進行碼頭樁基施工的方案。

2.2 工藝流程

自升式平臺在施工區(qū)域駐位后，履帶吊配合液壓沖擊錘進行起始鋼管樁的打設(shè)，用于支撐樁頂步履式頂推平臺拼裝。平臺前部為鋼護筒打設(shè)區(qū)，當(dāng)鋼護筒難以施沉至設(shè)計標(biāo)高時，需采用旋挖鉆機進行引孔作業(yè)，而后再復(fù)打至設(shè)計標(biāo)高。后部為鉆孔施工區(qū)，旋挖鉆機成孔后，進行檢孔、清孔作業(yè)，再由棧橋上的履帶吊、混凝土罐車分別進行鋼筋籠下放、混凝土澆筑，完成后排4 根樁基施工。當(dāng)前排打樁和后排樁基施工完成后，步履式頂推平臺移至下一排樁位，工藝流程見圖4。

圖4 碼頭樁基施工工藝流程

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 步履式頂推平臺應(yīng)用

步履式頂推平臺主要由樁頂頂推裝置、液壓系統(tǒng)、承重平臺、作業(yè)平臺、導(dǎo)向架等組成，其中頂推裝置包含樁帽和三向千斤頂[5-6]，作業(yè)平臺上放置150 t 履帶吊、SH36 型旋挖鉆機、永安YC17 液壓沖擊錘及其動力站，如圖5 所示。

圖5 步履式頂推平臺施工示意圖

當(dāng)前排鋼護筒打設(shè)完成后，切割樁頭，保證標(biāo)高精度在±10 mm 內(nèi)。平臺頂推前檢查工作就緒后，將平臺向前頂推一個樁間距，具體步驟如下：

1）在前排樁上安裝樁頂頂推定位系統(tǒng)；

2）將履帶吊、旋挖鉆機臨時固定在平臺中部；

3）解除承重平臺主梁的鎖緊裝置，豎向千斤頂將承重平臺托起；

4）當(dāng)平臺主梁脫離搖臂時，水平頂推千斤頂將豎向頂升基座向前推進30 cm；

5）豎向千斤頂收縮，平臺緩慢地落在搖臂上；

6）水平頂推油缸復(fù)位后重復(fù)以上步驟，直至平臺向前頂推8 m，進行下一排架打樁施工；

7）拆除后排樁頂頂推裝置，并進行后排護筒鉆孔作業(yè)。

移位過程中，應(yīng)保證12 套頂推裝置的同步性，并由專人負責(zé)觀察平臺的橫向偏位情況，并及時通過橫向調(diào)位千斤頂進行調(diào)節(jié)，同時由測量人員監(jiān)測其平面位置，整個過程應(yīng)緩慢進行。單個排架樁基施工用時僅8 天，其中頂推平臺移位1 天，前排鋼護筒施沉3 天，后排鉆孔灌注樁施工4 天。

3.2 鋼護筒施沉精度控制

鋼護筒沉設(shè)時，首先通過頂推平臺的平面移位以及導(dǎo)向架在滑軌上移動，對導(dǎo)向架進行初定位。鋼護筒經(jīng)由棧橋運輸至現(xiàn)場，履帶吊完成豎樁，并送入導(dǎo)向架龍口內(nèi)，再通過調(diào)節(jié)導(dǎo)向架龍口調(diào)位裝置對鋼護筒進行精調(diào)位，使沉樁精度滿足設(shè)計要求。吊車起吊液壓沖擊錘進行套錘作業(yè)，并對護筒定位精度進行復(fù)測。打樁初期，采取“重錘輕打”方式，測量人員須隨時監(jiān)測護筒的平面位置和垂直度，出現(xiàn)偏差過大情況時，及時進行調(diào)整，必要時將鋼護筒拔起重新定位。隨著護筒入土深度加大，下沉速度減慢，可逐漸適當(dāng)增加錘擊能量。

3.3 硬質(zhì)地層沉樁工藝

為了滿足頂推平臺穩(wěn)定性要求，即護筒入土深度不小于3.5 m。除了地勘揭示部分孔位淺埋層存在中風(fēng)化礫巖外，施工過程中，發(fā)現(xiàn)海床局部有裸露砂巖礁盤，這類硬質(zhì)地層給鋼護筒的沉設(shè)帶來極大困難。

在施打34-A 鋼護筒入土30 cm 時，貫入度減小明顯，且樁身發(fā)生傾斜，隨即停止打樁作業(yè)，將護筒拔起后，發(fā)現(xiàn)底口卷邊。經(jīng)潛水員水下探摸，樁位處表層為硬質(zhì)礁盤，沖擊錘無法將其擊碎，而后采用DZ-90振動錘夾持底口帶有錐齒鋼護筒將礁盤破碎，再用沖擊錘將其復(fù)打至目標(biāo)深度。

旋挖鉆機對部分鋼護筒進行鉆孔作業(yè)時，進尺2 m 左右后無法鉆進，并且出現(xiàn)鉆齒損壞現(xiàn)象，鉆渣以砂礫石為主，伴有膠結(jié)程度良好且難以破碎的礫石塊。采用振動錘將鋼護筒拔起，護筒底口均出現(xiàn)嚴(yán)重的卷口現(xiàn)象，對護筒底口進行割除并接長，下放至原樁位，采用邊旋挖鉆進引孔，破壞沉樁時樁端阻力，再采用振動錘對鋼護筒進行跟進，直至護筒進入較為穩(wěn)定的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂泥巖層1 m。

采用ANSYS/LS-dyna 動應(yīng)力模塊對 打樁過程進行模擬，經(jīng)分析，當(dāng)護筒單錘進尺小于5 mm 時，保證護筒底口不變形所能承受的最大錘擊能量不宜超過180 kJ。在后續(xù)的打樁過程中，為防止底口卷口風(fēng)險，控制打樁時錘擊能量，并記錄每10 擊時的貫入度。當(dāng)累計進尺小于5 cm，且未達到要求設(shè)計入土深度時，采用旋挖鉆機引孔配合護筒跟進的施工工藝。

3.4 鉆機成孔與清孔施工

采用清水鉆進成孔，在鉆孔和清孔的過程中，通過潛水泵向護筒內(nèi)補水，以維持護筒內(nèi)外水頭差，防止塌孔。施工過程中通過鉆機自身的垂直控制系統(tǒng)檢查成孔的垂直度，確保成孔質(zhì)量。成孔時應(yīng)做好記錄，接近設(shè)計樁長時，控制鉆進速度，當(dāng)鉆孔至設(shè)計標(biāo)高并經(jīng)監(jiān)理確認(rèn)后開始清孔，沉渣厚度不大于10 cm，樁長超挖控制在20 cm 內(nèi)。在吊入鋼筋骨架及導(dǎo)管后，灌注水下混凝土之前，應(yīng)再次檢查孔底沉渣厚度，超過規(guī)定應(yīng)進行第二次清孔，清孔后應(yīng)在最短時間內(nèi)灌注混凝土。

3.5 導(dǎo)管安裝與混凝土澆筑

混凝土澆筑采用專用的螺旋絲扣導(dǎo)管，內(nèi)徑300 mm，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長2.6 m，最下節(jié)長4.5 m，配備0.5 m、1 m、1.5 m 非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。導(dǎo)管的總長度由鉆孔深度決定，管底距孔底應(yīng)控制在30～50 cm。導(dǎo)管采用無縫鋼管制成，快速螺紋接頭，導(dǎo)管接頭處設(shè)2道密封圈，保證接頭的密封性。首封灌注混凝土的數(shù)量要能滿足導(dǎo)管埋置深度不得小于1 m，根據(jù)首批封底混凝土方量的要求，選用4 m3的大集料斗。

樁基混凝土為C40 海工混凝土，除滿足強度要求外，混凝土初凝時間應(yīng)大于4 h，坍落度控制在20 cm 左右，且應(yīng)具有良好的和易性、流動性，到場溫度控制33℃以下。灌注混凝土過程中，導(dǎo)管埋置深度宜控制在3～6 m，隨著混凝土的澆筑，導(dǎo)管埋深超過一定深度后，逐級快速拆卸導(dǎo)管，并在每次提升導(dǎo)管前，用重量不小于4 kg 測錘測量孔內(nèi)混凝土面高度。

4 結(jié)語

巴基斯坦胡布燃煤電廠碼頭項目采用鋼棧橋、自升式平臺和步履式頂推平臺相配合的施工工藝，有效解決了涌浪條件下離岸碼頭樁基施工難題。利用碼頭樁位規(guī)則排布的特點，步履式頂推平臺以已施沉的鋼護筒為支撐，克服了打樁船、自升式平臺移位工況受作業(yè)窗口條件限制的弊端，使樁基施工多工序在空間上互不沖突，在時間上能流水化、全天候作業(yè)，提高了施工效率，保障碼頭樁基施工安全和質(zhì)量。

針對碼頭施工區(qū)域的硬質(zhì)地層，通過在護筒底口焊接錐齒，并在振動錘的激振力作用下破除海床表層裸露砂質(zhì)礁盤，當(dāng)護筒遇到埋深較淺的中風(fēng)化礫巖層，沉樁進尺困難時，采用旋挖鉆機邊引孔邊跟進的手段，使鋼護筒順利施沉至設(shè)計標(biāo)高。