大直徑植入式鋼管嵌巖樁施工技術(shù)

楊勝生，楊建沖

(中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290)

浮式液化天然氣接收和再氣化終端平臺(tái)(floating regasification unit，簡稱 FRU)因作業(yè)特殊要求一般采用抱箍錨定方式[1]，這要求錨樁能承受較大的水平力，因此錨樁設(shè)計(jì)一般采用大直徑厚壁鋼管，入巖深。樊金等[2]、邊鋒等[3]對(duì)植入式嵌巖樁均有研究和總結(jié)。但對(duì)于海工特殊結(jié)構(gòu)需要采用超厚壁大直徑鋼管嵌巖樁的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)研究較少。加納特碼LNG碼頭工程設(shè)計(jì)采用大直徑植入式擠實(shí)錨固鋼管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。本文介紹該工藝的設(shè)計(jì)要求、施工方法和控制要點(diǎn)，為類似工程提供參考。

1 工程概況

加納特碼LNG碼頭項(xiàng)目包括防波堤、碼頭、港池疏浚和海底管溝開挖和回填等建設(shè)。其中碼頭為離岸式墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，含2個(gè)靠船平臺(tái)和5個(gè)系纜墩，在2個(gè)離岸式靠船墩之間設(shè)計(jì)有6根鋼管錨定樁(圖1)。為固定該LNG FRU(浮式再氣化裝置)，設(shè)計(jì)采用6根鋼管錨定樁，位于2個(gè)離岸式靠船墩之間(圖1)。鋼樁外徑2.5 m，樁長38.45 m，鋼管壁厚5/6 cm(-12 m以下采用6 cm)，初步設(shè)計(jì)要求鋼管樁嵌入基巖的深度不小于10 m。

圖1 鋼筋混凝土芯柱鋼管樁設(shè)計(jì)平面(高程：m；尺寸：mm)

2 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

按原設(shè)計(jì)方案施工(圖2)，采用灌注型嵌巖樁結(jié)構(gòu)形式，常規(guī)施工工藝為打入鋼管→在孔內(nèi)沖鉆成孔→接樁→繼續(xù)施打鋼管至設(shè)計(jì)高程→繼續(xù)沖鉆孔至設(shè)計(jì)高程→清孔→下放鋼筋籠→澆筑水下混凝土[4]。該方案需要調(diào)遣專業(yè)打樁船施打鋼管樁、搭設(shè)施工平臺(tái)、樁內(nèi)嵌巖、水上接樁、鋼管樁復(fù)打、樁內(nèi)灌注鋼筋混凝土等施工工序，需要?jiǎng)佑玫拇笮驮O(shè)備多，工序復(fù)雜，施工周期長，施工成本高，特別是超厚鋼管現(xiàn)場對(duì)接，難以保證質(zhì)量。

圖2 灌注型嵌巖樁設(shè)計(jì)斷面(高程：m)

根據(jù)當(dāng)?shù)卦O(shè)備情況，將原設(shè)計(jì)方案優(yōu)化為植入式嵌巖結(jié)構(gòu)形式(圖3)，新方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于可以減少大型設(shè)備投入、減少水上接樁環(huán)節(jié)、縮短工期、節(jié)約施工成本、確保工程質(zhì)量。

圖3 植入式嵌巖樁設(shè)計(jì)斷面(高程：m)

3 技術(shù)原理及工藝流程

采用沖孔設(shè)備直接沖擊大于樁外徑的樁孔，清空完成后，采用舉重船吊裝植入鋼管樁，植樁完成后進(jìn)行鋼筋籠安放，最后進(jìn)行水下混凝土灌注，混凝土終凝后，鋼管和基巖成為整體[5]。采用沖擊成孔工藝，沖擊錘直徑為3.0 m，施工臨時(shí)護(hù)筒內(nèi)徑3.36 m，護(hù)筒以下沖孔孔徑平均為3.2 m，鋼樁和孔壁的間隙寬度為35 m；樁內(nèi)混凝土澆筑高程至-4.5，鋼樁與孔壁之間混凝土澆筑高程至-14.5，單根樁澆筑方量約為168 m3。

4 關(guān)鍵工藝技術(shù)

4.1 水上沖孔樁成孔

4.1.1施工平臺(tái)搭設(shè)

FRU樁施工前需搭建海上施工作業(yè)平臺(tái)，支撐樁基采用直徑80 cm/100 cm鋼管樁，主梁采用3排單層貝雷架，次梁采用雙56 a工字型鋼，上部鋪設(shè)用25 a工字型鋼，面上鋪設(shè)6 mm鋼板。

4.1.2沖擊成孔

工程所在區(qū)域上部覆蓋約3 m厚的砂質(zhì)黏土層，往下依次由強(qiáng)風(fēng)化至微風(fēng)化的片麻巖層。在項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，外護(hù)筒采用壁厚δ16 mm直徑3.4 m的鋼護(hù)筒，采用振動(dòng)錘施打?qū)撟o(hù)筒打入覆蓋層，沖孔樁機(jī)配直徑3 m重15.5 t的沖錘，從原泥面約-15 m沖孔至-30 m，沖孔至指定高程后，進(jìn)行清孔。在清孔結(jié)束后進(jìn)行孔深、垂直度和孔底沉渣厚度的檢測。為防止孔內(nèi)漏漿和塌孔，將強(qiáng)風(fēng)化層進(jìn)行擴(kuò)孔沖孔并及時(shí)跟進(jìn)護(hù)筒，通過在錘腿上焊接邊牙(直徑14 cm的鋼棒或14 cm高的鋼軌)，將錘徑由3 m擴(kuò)大到3.28 m，強(qiáng)風(fēng)化層每沖進(jìn)1～1.5 m，用振動(dòng)錘繼續(xù)施打護(hù)筒，直到護(hù)筒跟進(jìn)至中風(fēng)化層面，再改回原3 m錘徑繼續(xù)沖孔至設(shè)計(jì)高程。

4.2 植入鋼管樁

4.2.1鋼管樁加工

FRU鋼樁由專業(yè)廠家生產(chǎn)制作，鋼管外徑2.5 m，設(shè)計(jì)樁長37.95 m，其中上部段-12～10.95 m鋼管壁厚5 cm，下半段-27～-12 m段鋼管壁厚6 cm，采用E355 J2鋼板卷制，樁外側(cè)-1 m高程以上進(jìn)行防腐涂層處理，內(nèi)部-27～-5 m處設(shè)置環(huán)向布置剪力鍵。考慮成孔時(shí)施工誤差，安裝時(shí)保證頂部高程不低于設(shè)計(jì)高程10.95 m，制作鋼樁時(shí)樁身加長50 cm，同時(shí)鋼樁底部焊接長3 m的支撐底座，故實(shí)際整樁總長為41.45 m，總質(zhì)量約為132 t(圖4)。

圖4 鋼樁底部剖面(單位：mm)

4.2.2鋼管樁運(yùn)輸

鋼管樁出廠前，經(jīng)檢查驗(yàn)收合格后通過海運(yùn)運(yùn)至施工現(xiàn)場。

4.2.3鋼管樁安裝

經(jīng)過受力計(jì)算，在距離樁頂150 mm位置鉆設(shè)直徑100 mm的吊孔，孔位按照水平對(duì)稱布置，采用110 t卸扣插芯直徑83 mm，其開口127 mm，內(nèi)凈深320 mm。

焊接止擋塊：根據(jù)鋼樁和支撐底座的質(zhì)量分布，計(jì)算鋼樁水平的重心位置距離樁頂20.2 m，在重心位置偏向底部2 m位置，兩側(cè)各水平對(duì)稱焊接1個(gè)止擋，用于水平起吊和直立鋼樁時(shí)防止鋼絲繩滑動(dòng)。止擋塊采用4 cm厚鋼板作為肋板，2 cm厚鋼板雙層拼接作為立板。焊縫高度20 mm，棱角進(jìn)行打磨處理(圖5)。

圖5 止擋塊位置及剖面(單位：mm)

4.2.4穩(wěn)樁架制作和安裝

設(shè)計(jì)要求：鋼樁安裝平面位置偏差≤100 mm，垂直度≤0.5%，在水下混凝土澆筑完成48 h內(nèi)，樁身必須保持穩(wěn)定，不能發(fā)生移動(dòng)。因此需要設(shè)計(jì)制作具有導(dǎo)向、平面位置和樁身垂直度調(diào)整、剛性穩(wěn)固作用于一體的穩(wěn)樁架。穩(wěn)樁架的主框架由雙32工字鋼上、下2層布置，在每層4個(gè)方向安裝可伸縮的導(dǎo)向輪，用于鋼樁入孔后樁位和垂直度的調(diào)整。由于水上安裝時(shí)船舶有一定擺動(dòng)，為方便鋼樁定位入孔，在上、下2層4個(gè)方向各設(shè)置1對(duì)喇叭口的工字鋼(圖6)。

圖6 穩(wěn)樁架平面和立面(單位：mm)

4.2.5鋼管樁吊裝

鋼管樁吊裝時(shí)采用500 t起重船，就位后，立即對(duì)鋼樁進(jìn)行臨時(shí)加固。鋼管樁吊裝就位后的驗(yàn)收數(shù)據(jù)顯示，安裝平面偏差<35 mm，垂直度偏差<0.15%，使用該穩(wěn)樁架，方便鋼樁吊裝入孔，起到了導(dǎo)向、微調(diào)、固定的作用，獲得了較好的效果。

4.3 樁內(nèi)鋼筋籠安放

鋼筋籠外徑為2.2 m，長24 m，安裝頂、底高程分別為-5.5和-29.5 m，其主筋和箍筋分別為雙φ50 mm和雙φ20 mm的螺紋鋼，其中主筋采用套筒連接，箍筋采用搭接方式連接，總質(zhì)量約33 t。根據(jù)現(xiàn)場情況，鋼筋籠采用整體制作安裝的方案。為防止鋼筋籠轉(zhuǎn)運(yùn)安裝過程中發(fā)生較大變形，也方便鋼筋籠制作，在其內(nèi)側(cè)按每3 m間距布置一個(gè)圓環(huán)式內(nèi)撐，6根聲測管沿著圓環(huán)均勻布置。

4.4 樁內(nèi)混凝土澆筑

4.4.1混凝土配合比

水下混凝土配合比的設(shè)計(jì)，除了保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度外，還必須具有良好的緩凝性、流動(dòng)性、黏聚性和保水性。配合比設(shè)計(jì)采用連續(xù)級(jí)配骨料，同時(shí)，混凝土的初凝時(shí)間的確定綜合考慮了海上運(yùn)輸、澆筑時(shí)間等因素。經(jīng)多次試驗(yàn)確定，采用C45的水下自密實(shí)細(xì)石混凝土，粗骨料的最大粒徑20 mm，細(xì)骨料選用級(jí)配良好的中砂，混凝土初凝時(shí)間為7 h(表1)。

表1 樁內(nèi)混凝土主要性能

4.4.2首灌混凝土體積計(jì)算與導(dǎo)管、料斗選用

根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》，首次灌注混凝土的體積應(yīng)能滿足導(dǎo)管初次埋深不小于1 m的要求，按式(1)計(jì)算：

V≥πD2(H1+H2)/4+πd2h1/4

(1)

導(dǎo)管采用直經(jīng)30 cm無縫鋼管制作，配置1大1小2個(gè)料斗儲(chǔ)料，即小漏斗3.5 m3，連接導(dǎo)管，大漏斗8.5 m3，用于儲(chǔ)料。

4.4.3澆筑過程控制

水下混凝土的澆筑是關(guān)鍵工藝，對(duì)澆筑過程不同階段進(jìn)行分析，可以分為以下4個(gè)階段(圖8)。

圖8 水下混凝土澆筑狀態(tài)

1)階段1：水下混凝土在-27.0 m以下時(shí)，混凝土還未進(jìn)入鋼管樁內(nèi)，鋼管樁內(nèi)、外是連通的，同時(shí)護(hù)筒在施工低潮位以下預(yù)留有排水孔，因此樁內(nèi)壓強(qiáng)P1、孔內(nèi)壓強(qiáng)P2與護(hù)筒外液面相同，樁內(nèi)外混凝土作為一個(gè)整體，無壓差變化。

2)階段2：隨著澆筑的進(jìn)行，水下混凝土上升到-27.0 m以上，澆筑至鋼管樁內(nèi)部時(shí)，鋼樁樁內(nèi)與樁外隔絕，樁內(nèi)水柱高度約28 m，并隨著樁內(nèi)混凝土上升而上升；而鋼樁與樁壁間的液面與外界連通，水位不變，鋼樁內(nèi)與孔內(nèi)開始形成壓力差，且樁內(nèi)P1>樁壁P2。受壓力差影響，樁壁間混凝土高程開始略高于樁內(nèi)混凝土，以保持內(nèi)、外壓力平衡。

3)階段3：繼續(xù)澆筑，樁內(nèi)澆筑至-18.5 m時(shí)，按照壓強(qiáng)平衡，孔壁的混凝土已上升到-14.9 m。為了阻止樁壁混凝土繼續(xù)上升，需要在樁內(nèi)減壓，通過在樁內(nèi)設(shè)置水泵外排的方式，邊抽水邊澆筑，樁內(nèi)混凝土還可繼續(xù)上升。

4)階段4：當(dāng)孔內(nèi)水被抽干時(shí)，此時(shí)樁壁間混凝土高程仍為-14.9 m，樁內(nèi)混凝土高程為-8 m，無法再通過抽水進(jìn)行調(diào)壓，需要停止?jié)仓?，等待半小時(shí)，在把樁內(nèi)混凝土澆筑至設(shè)計(jì)高程。

首灌完成后，連續(xù)累計(jì)澆筑50 m3混凝土，樁內(nèi)混凝土在鋼樁底以上3 m，混凝土面在-24.0 m，此時(shí)開啟水泵向樁內(nèi)注水，以增大內(nèi)外的正壓差，同時(shí)繼續(xù)澆筑，從而進(jìn)一步抬高樁壁混凝土高程，同時(shí)抑制樁內(nèi)混凝土液面的提升，確保導(dǎo)管的埋深不超過允許值[6]。

當(dāng)鋼樁外混凝土上升到-14.5 m時(shí)，開始用水泵反向抽出鋼樁內(nèi)水，同時(shí)適當(dāng)放慢澆筑速度，測算樁內(nèi)外的壓力差和導(dǎo)管埋深，在保證樁內(nèi)壓強(qiáng)P1略大于樁外壓強(qiáng)P2的前提下，通過抽水減壓，將樁內(nèi)混凝土液面隨著澆筑而抬升，同時(shí)逐節(jié)提升導(dǎo)管。在施工過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)管位于樁底4 m以上時(shí)，導(dǎo)管有效作用半徑已高于鋼樁底部，對(duì)孔內(nèi)混凝土的影響減小，即孔內(nèi)混凝土高程基本保持穩(wěn)定不變。并使用砂袋，沿著樁外壁一圈，將砂袋填入間隙內(nèi)，暫停半小時(shí)，繼續(xù)澆筑樁內(nèi)混凝土至設(shè)計(jì)高程，并隨時(shí)監(jiān)控樁內(nèi)外高程的變化，核算其和理論上上升的高度是否有偏差。最終經(jīng)超聲波檢測，樁身完整，判定為Ⅰ類樁。項(xiàng)目投入使用后，經(jīng)半年持續(xù)觀測沒有發(fā)生偏移、沉降等現(xiàn)象。

5 結(jié)語

1)加納特碼LNG碼頭項(xiàng)目利用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有設(shè)備資源，在原有錨固嵌巖樁設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上優(yōu)化成大直徑植入式擠實(shí)錨固嵌巖樁。

2)將直徑3.4 m的外護(hù)筒打入覆蓋層，然后沖孔至強(qiáng)風(fēng)化層，護(hù)筒同時(shí)跟進(jìn)，沖孔直至中風(fēng)化層。

3)直徑2.5 m鋼樁采用起重船安裝就位，再繼續(xù)安裝鋼筋籠。

4)利用鋼樁內(nèi)外壁的水頭壓力差，樁壁間混凝土可澆筑至-14.5 m，控制鋼樁內(nèi)水位，先將混凝土澆筑至-8 m，停止半小時(shí)后再澆筑至設(shè)計(jì)高程。