高樁碼頭鋼管嵌巖樁全平臺施工技術(shù)探究及應(yīng)用

◎ 陳雋永 唐文武 中交第四航務(wù)工程局有限公司

1.工程概況

惠州某石化通用碼頭項目新建2個5萬噸級通用泊位（可同時靠泊3艘1.6萬DWT PTA專用船）。碼頭平面布置形式為突堤式，結(jié)構(gòu)形式為高樁梁板結(jié)構(gòu)，碼頭平臺總長512m，寬50m。碼頭平臺通過引橋與后方道路相接，引橋?qū)?6m，長1043m。共分為8個結(jié)構(gòu)段，第1及第8結(jié)構(gòu)段尺寸為70m×50m，其余結(jié)構(gòu)段尺寸為62m×50m。碼頭排架樁基采用鋼管嵌巖樁，外壁為鋼管樁，材質(zhì)選用Q390B，直徑φ1200mm，壁厚18mm，鋼管樁內(nèi)下鋼筋籠，灌滿混凝土，共528根且均為直樁，嵌巖深度為進入中風(fēng)化8m，布置形式為66行8列。嵌巖樁位于離岸區(qū)域，全部采用搭設(shè)鋼平臺進行沖孔施工。

2.嵌巖樁施工工藝

2.1 全平臺方案選定

本項目新建碼頭位于兩個運營碼頭中間，與兩個碼頭的距離均為340m，兩個碼頭每月靠泊約8船次，運輸船舶停靠碼頭時，施工船舶需要避讓，導(dǎo)致水上有效作業(yè)時間只有18天。為了滿足施工需求，嵌巖樁施工時要全作業(yè)范圍內(nèi)搭設(shè)鋼平臺，即采用全平臺施工。平臺搭設(shè)施工一般采用水上施工工藝，考慮到本工程嵌巖樁施工工期僅130天，且嵌巖樁施工期間碼頭平臺施工區(qū)域內(nèi)有疏浚、水上沉樁、水上鋼平臺安拆、嵌巖樁施工、現(xiàn)澆上部結(jié)構(gòu)施工、預(yù)制構(gòu)件安裝等[1]。若全部采用水上設(shè)備進行施工，則會存在較多的交叉作業(yè)，安全風(fēng)險也大。結(jié)合實際情況，考慮在D-F軸之間搭設(shè)貝雷架結(jié)構(gòu)平臺，把履帶吊轉(zhuǎn)移至平臺上，從水上搭設(shè)工藝轉(zhuǎn)變?yōu)殛懮洗钤O(shè)工藝，同時也可以使用履帶吊布置于貝雷架平臺上輔助嵌巖樁施，從而減少水上設(shè)備投入，降低交叉作業(yè)帶來的安全隱患。

2.2 嵌巖樁施工工藝流程

圖1 碼頭鋼平臺平面布置示意圖

結(jié)合全鋼平臺方案選定本項目嵌巖樁施工工藝整體流程為：施工準備→鋼管樁沉樁→鋼平臺全平臺搭設(shè)→樁機就位→鉆進、撈渣取樣→成孔驗收→一次清孔→測孔深→鋼筋籠制作及安裝→下導(dǎo)管（導(dǎo)管閉水試驗）→二次清孔→孔底沉渣厚度檢測→灌注混凝土（同步泥漿處理）→成樁→下一根樁施工。施工過程中對全鋼平臺進行施工振動監(jiān)測及水平位移、沉降監(jiān)測，為施工提供可靠監(jiān)測數(shù)據(jù)，保證施工安全及施工質(zhì)量。

3.水上鋼平臺搭設(shè)工藝

3.1 普通鋼結(jié)構(gòu)平臺

1）結(jié)構(gòu)形式。普通鋼平臺采用牛腿、主梁、次梁及面板的結(jié)構(gòu)。牛腿采用H400×300型鋼，焊接于鋼管樁上；主梁采用I36a/I40a工字鋼，布置于牛腿上方，最大跨度為7.8m，與牛腿采用焊縫連接固定；次梁采用I20a工字鋼，在主梁上方垂直主梁布置，間距300mm，最大跨度為6.8m；面板采用10mm厚鋼板，滿鋪于次梁上方。

2）搭設(shè)工藝。普通鋼平臺需采用履帶吊上駁水上搭設(shè)工藝，根據(jù)施工工期要求本工程需要設(shè)置兩個工作面，考慮到水上作業(yè)每月只有18天有效作業(yè)時間，為確保在90天內(nèi)完成平臺搭設(shè)2.56萬m2，每個工作面需布置兩組1000t平板駁配100t履帶吊的施工設(shè)備；施工時，平板駁需要與平臺保持10m安全距離，搭設(shè)平臺時的起吊質(zhì)量最大的結(jié)構(gòu)為18m的I36a主梁，重量為1.22t，最大吊距為37.8m，如圖2所示。查閱100t履帶吊起重性能表可知，工作幅度為38m時，起重能力約7t，考慮水上作業(yè)安全系數(shù)為0.6，則實際起重能力為7t×0.6=4.2t＞1.22t，滿足施工需求。使用100t履帶吊上駁搭設(shè)平臺起重能力富余量較大，但考慮到設(shè)備后續(xù)需要輔助嵌巖樁施工，樁機最大重量約6t，吊距約30m，故選用該型號。

圖2 普通鋼平臺搭設(shè)斷面示意圖

3.2 貝雷架結(jié)構(gòu)平臺

1）結(jié)構(gòu)形式。貝雷架結(jié)構(gòu)平臺采用牛腿、主梁、貝雷架、次梁及面板結(jié)構(gòu)[2]。牛腿采用H400×400型鋼，焊接于鋼管樁上；主梁采用雙拼I45a工字鋼，布置于牛腿上方，最大跨度7.8m，與牛腿采用焊縫連接固定。貝雷架采用321貝雷片，每兩片貝雷片之間使用900mm花窗連接成貝雷架，每組貝雷架之間間距450mm，每條履帶吊施工通道安裝5組貝雷架，布置于主梁上方，貝雷架與主梁之間使用U型夾具連接固定；次梁采用I20a工字鋼，間距300mm，在貝雷架上方垂直貝雷架軸線布置；面板采用10mm厚鋼板，滿鋪于次梁上方。

2）搭設(shè)工藝。貝雷架結(jié)構(gòu)平臺搭設(shè)采用水陸結(jié)合工藝，平臺搭設(shè)初期采用50t船吊進行水上搭設(shè)，待貝雷架結(jié)構(gòu)完成兩跨搭設(shè)后，利用50t船吊把50t和75t履帶吊轉(zhuǎn)移至貝雷架平臺上，利用履帶吊進行平臺搭設(shè)，50t船吊作為材料運輸船，每個作業(yè)面各配置一臺50t及一臺75t履帶吊。利用履帶吊進行平臺搭設(shè)時，起吊質(zhì)量最大的構(gòu)件為雙拼I40a/I45a主梁，重量為2.43t，最大吊距為10m，如圖3所示。查閱50t履帶吊起重性能表可得，工作幅度為10m時，起重能力約11t＞2.43t，滿足施工需求。使用50t及75t履帶吊搭設(shè)施工平臺同樣是考慮到后續(xù)將輔助嵌巖樁施工，最大吊距約15m，查閱該設(shè)備起重性能表能滿足施工需求。

圖3 貝雷架平臺搭設(shè)示意圖

3.3 鋼平臺結(jié)構(gòu)驗算

平臺承受的主要荷載有：自重；人群荷載；泥漿池（1.5＊1.5＊0.5）；6臺沖孔樁機同時施工；貝雷架處1臺75t履帶吊機及1臺50t履帶吊機行走；安放鋼筋籠時，承載履帶吊及鋼筋籠荷載（4t）；沖孔機移位時，承載履帶吊及沖孔機荷載（10t）。QUY75履帶吊履帶接地長5.15m，自重61t，輪距6.5m；QUY55履帶吊履帶接地長4.81m，自重50t，輪距3.61m，荷載示意圖如圖4所示。

圖4 QUY75履帶吊（左）、QUY50履帶吊（右）荷載示意圖

碼頭施工平臺模型計算長度取長36m，寬49m。樁基結(jié)構(gòu)借助永久結(jié)構(gòu)Φ1200mm鋼管樁，永久結(jié)構(gòu)樁基已打設(shè)到設(shè)計深度，永久結(jié)構(gòu)設(shè)計承載大于該工況，故滿足要求，無需再驗算永久結(jié)構(gòu)樁基穩(wěn)定性。依據(jù)工程實際情況驗算結(jié)構(gòu)承載力及穩(wěn)定性，平臺結(jié)構(gòu)及特殊部位節(jié)點采用多程序進行分析，即采用有限元軟件ABAQUS對支座節(jié)點進行有限元分析和MIDAS對結(jié)構(gòu)桿件在各種荷載組合下的承載力及穩(wěn)定性分析，經(jīng)驗算各工況均滿足要求[3]。

4.鋼平臺振動監(jiān)測

水上搭設(shè)全鋼平臺，對施工過程中造成的影響要嚴格控制，故需進行監(jiān)測。在鋼平臺樁基（結(jié)構(gòu)樁）上布設(shè)測點，監(jiān)測每次施工產(chǎn)生的振動是否符合振動安全控制標準[4]。將測試數(shù)據(jù)與現(xiàn)場施工對比分析，從而為優(yōu)化合理施工提供科學(xué)依據(jù)。施工過程中，監(jiān)測緊跟施工，監(jiān)測結(jié)果指導(dǎo)施工。監(jiān)測周期15d，頻率1次/d，監(jiān)測采用現(xiàn)場巡視及儀器監(jiān)測相結(jié)合的方法進行。

以一個監(jiān)測單元為例說明：水上搭設(shè)平臺振動監(jiān)測1#點（ZD1），位于樁58H上；振動監(jiān)測2#點（ZD2）及沉降位移觀測2#點（WY2），位于樁55H上；振動監(jiān)測3#點（ZD3），位于樁55F上；沉降位移觀測1#點（WY1），位于樁58H上；該監(jiān)測單元點位布置平面圖如圖5所示。

圖5 一個監(jiān)測單元點位布置平面圖

本監(jiān)測單元在監(jiān)測周期內(nèi)的振幅最大值范圍Z D 1：徑向0.4～1.3mm/s，切向0.6～0.9mm/s，豎向0.5～1.1mm/s；ZD2：徑向0.9～2.3mm/s，切向0.6～1.0mm/s，豎向0.7～1.1mm/s；ZD3：徑向1.1～1.6mm/s，切向0.6～1.3mm/s，豎向0.7～0.9mm/s。某日同一時刻振動監(jiān)測成果圖如圖6所示。

圖6 ZD1（左一）ZD2（左二）ZD3（左三）某日同一時刻振動監(jiān)測成果圖

本監(jiān)測單元在監(jiān)測周期內(nèi)其中沉降本期最大位沉降量為-0.3mm(W Y1)，最大累計沉降量為-0.6mm(W Y1)，“-”表示觀測點下沉；位移本期最大位移量為+0.7mm(WY2)，最大累計位移量為+1.3mm(WY2)，“+”表示向平臺內(nèi)移動。

本監(jiān)測單元監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的12根嵌巖樁施工完成后，采用超聲波及抽芯對樁身質(zhì)量檢測，12根嵌巖樁成樁檢測均為Ⅰ類樁，樁基質(zhì)量良好。結(jié)合振動監(jiān)測數(shù)據(jù)表明全平臺施工過程中產(chǎn)生的振動以及沉降位移對樁基質(zhì)量無影響。

5.效益分析

若全部使用普通鋼結(jié)構(gòu)平臺，則需采用純水上搭設(shè)工藝，配置4組100t履帶吊+1000t平板駁設(shè)備。而采用部分貝雷架結(jié)構(gòu)平臺，只需配置兩組50t履帶吊+70t履帶吊，以及一艘50t船吊進行材料轉(zhuǎn)運。

由于本項目工期非常緊張，鋼平臺從搭設(shè)到全部拆除完成工期為7個月，512m的碼頭平臺需要布置兩個工作面同時施工。平臺搭拆期間有多個分項同時在碼頭區(qū)域進行施工，施工水域顯然難以同時布置4組船舶設(shè)備。而采用貝雷架結(jié)構(gòu)時，可以減少大量水上設(shè)備的投入。

6.結(jié)論

高樁碼頭鋼管嵌巖樁全平臺施工技術(shù)在本項目上成功應(yīng)用，尤其是普通鋼結(jié)構(gòu)平臺和貝雷架結(jié)構(gòu)平臺組合施工使用，最大程度上實現(xiàn)了本項目“水轉(zhuǎn)陸”施工以及施工過程中對鋼平臺進行振動監(jiān)測以及嵌巖樁成樁檢測均為Ⅰ類樁表明：

（1）質(zhì)量方面，該全平臺施工技術(shù)能有效保證施工質(zhì)量。

（2）工期方面，使用貝雷架結(jié)構(gòu)可以把水上搭設(shè)工藝，轉(zhuǎn)變?yōu)殛懮洗钤O(shè)工藝，受海況及相鄰運營碼頭的影響較小，有效作業(yè)時間更有保障，從而使工期更為可控。

（3）施工成本方面，大量減少了船舶的投入，節(jié)約了大量船機設(shè)備費用，也規(guī)避了因工期延誤而導(dǎo)致的船機設(shè)備成本風(fēng)險。

（4）安全方面，由于本項目工期緊張，高峰期作業(yè)面多，采用貝雷架結(jié)構(gòu)在平臺搭拆施工時減少了水上船舶

的使用數(shù)量；同時，由于有履帶吊施工通道的存在，后續(xù)的多個工序均可以利用履帶吊在平臺上進行輔助，進一步降低了施工期間水上交叉作業(yè)的安全風(fēng)險。而且，履帶吊在平臺上作業(yè)的安全系數(shù)也遠遠高于在平板駁作業(yè)的工藝。