高樁碼頭鋼管斜樁施工關(guān)鍵技術(shù)分析

唐勝中，陳江峰，岳志超

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

1 引言

高樁碼頭的構(gòu)成要素包含上部結(jié)構(gòu)（以樁臺或承臺為主）、樁基、接岸結(jié)構(gòu)、岸閘、碼頭設(shè)備等構(gòu)成。通常情況下，高樁碼頭主要以上部結(jié)構(gòu)構(gòu)成碼頭面，并與樁基連接，形成一個整體，用于承受碼頭面在垂直以及水平方向承受的荷載應(yīng)力，這些荷載經(jīng)由碼頭面，最終傳到樁基處。因此，樁基既要用于支承上部結(jié)構(gòu)，又要用于將系統(tǒng)整體承受的載荷傳到地基深處，并在這個過程中保護岸坡的整體穩(wěn)定性?？傮w而言，高樁碼頭適用于地基強度較低的軟土地區(qū)，為進一步保證施工質(zhì)量，需對鋼管斜樁施工過程進行梳理。

2 某碼頭工程項目概況及設(shè)計方案簡析

2.1 碼頭工程基本情況

某高樁碼頭工程項目位于我國南方某城市，碼頭整體施工設(shè)計擬采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)。前期勘測結(jié)果顯示：（1）碼頭岸線總長度達到400 m，寬度為35 m；（2）泊位設(shè)計方面，5 000 t的集裝箱泊位共計兩個，1 000 t 的雜貨泊位1 個；（3）不同陸域（共計4 個）之間的相互連接擬設(shè)計3 座牽引橋，編號分別為1、2、3。

2.2 碼頭工程樁基設(shè)計

本碼頭樁基工程預(yù)計使用型號為PHCI200 的直管樁以及φ1 000 mm 的斜管樁，前者使用數(shù)量為220 根，后者使用數(shù)量為175 根。在引橋處使用的樁分別為型號PHC800 的管樁以及φ800 mm 的灌注樁，前者數(shù)量為176 根，后者數(shù)量為39根。前期勘察結(jié)果還顯示，本碼頭工程岸邊陸域土層結(jié)構(gòu)均為粉砂巖，且符合中度風(fēng)化標準。進行沉樁試驗施工時，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)樁能夠自然嵌入中度風(fēng)化粉砂巖的深度為0.5 m，少部分沉樁深度超過1.5 m。依靠自然嵌入巖層的深度，工程模擬建設(shè)結(jié)果顯示，碼頭整體穩(wěn)定性不足。因此，需要進行樁基嵌巖施工。該階段施工需使用φ1 000 mm 的鋼管樁進行斜樁嵌巖施工，對應(yīng)的鋼管樁數(shù)量為170 根。斜樁的斜度比達到4.5∶1，傾斜角度經(jīng)測量后確定為20°。進一步勘測及試驗結(jié)果為，總樁長度為25～30 m，嵌巖深度能夠深入中度風(fēng)化的粉砂巖下方至少5 m。

3 高樁碼頭鋼管斜樁施工期間的重點技術(shù)

3.1 鋼管高斜樁的具體定位方式

3.1.1 鋼管高斜樁定位施工方面的難點

上文提到，本碼頭工程擬設(shè)計使用的斜樁數(shù)量共計170 根，斜度比為4.5∶1，扭角為20°。距離排架中心的最小距離僅為6.5 m。使用BIM 虛擬建筑信息模型軟件對施工現(xiàn)場的實際情況構(gòu)建虛擬模型，多次嘗試之后發(fā)現(xiàn)，由于直樁、斜樁在交叉位置的最小距離并未超過40 cm（實際測量值為38.49 cm），故在進行水上沉樁作業(yè)時，對精度的要求極高。此外，由于沉樁作業(yè)外側(cè)施工期間極易受到主航道過往船只、施工船只的影響，導(dǎo)致實際進行沉樁作業(yè)時的難度可能會超過模擬施工的難度。一旦出現(xiàn)精度控制不佳的情況，便會有一定概率造成意外碰樁，導(dǎo)致樁移位，輕則留下質(zhì)量隱患，重則導(dǎo)致之后的嵌巖施工、上部結(jié)構(gòu)施工均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，嚴重影響施工質(zhì)量。

3.1.2 具體的鋼管高斜樁定位施工技術(shù)

為了解決上述鋼管高斜樁定位施工方面的難題，應(yīng)按照下列流程依次進行施工。

1）決定斜樁定位的主要因素包含中心坐標、傾斜度、水平扭角[1]。這3 個因素均為核心控制因素，必須精準測量。具體的測量設(shè)備為全站儀，需在測量現(xiàn)場設(shè)置兩臺，主要方法為前方交會控制法。該測量方法的原理如下：確定一個測量目標，將該目標所在位置設(shè)定為P點之后，確定兩個能夠精準測出位置坐標的點位，分別記為A、B。將兩臺全站儀設(shè)置在A、B兩個點位處，調(diào)整兩臺全站儀的觀測角度，使兩臺設(shè)備從不同的方向都能觀察到P點，并在該點形成交會。由于A、B之間的距離以及A、B兩點的平面坐標都已確定，故通過對A、B、P三個點位構(gòu)成的三角形的∠PAB以及∠PBA進行測量，之后根據(jù)三角形的邊角關(guān)系原理即可求得距離PA與PB的具體值。在這些數(shù)值的基礎(chǔ)上，可求得P點的點位坐標，具體如圖1 所示。

圖1 基于雙全站儀的前方交匯控制測量法原理圖

從理論上來說，A、B兩點的位置可以自由決定。但為了保證測量精度，要求A、B、P三個點形成的三角形ABP中，∠APB的具體值必須控制在60°～120°[2]。需要注意的是，A、B兩點的水平面橫縱坐標、AB距離已知，測量開始時P點坐標未知。調(diào)整A、B全站儀觀察視角，在P點處完成交會后，可測量∠PAB與∠PBA大小。

2）進行打樁作業(yè)之前，首先，應(yīng)在斜樁排架所在直線的延長線上放置兩個花桿，編號分別為1 和2。兩個花桿之間的連線與斜樁排架所在直線延長線的部分區(qū)段重合。在此基礎(chǔ)上，需將兩個花桿的連線設(shè)置成參照線，目的在于對斜樁排架在整體上進行線性控制。其次，完成打樁船的定位之后，需借助設(shè)置在打樁船上的樁架測傾儀，按照上文提到的4.5∶1 的斜度比，完成對樁架斜度的調(diào)整。再次，應(yīng)使用人工量角器多次對樁的傾斜度進行測量，務(wù)必保證當(dāng)前斜度達到預(yù)期標準。此外，可以使用船上配備的羅盤儀器對斜樁扭角進行定位?？紤]到在整個定位期間，船體的相對位置始終保持固定狀態(tài)，故針對船尾固定點的角度進行測量及調(diào)整時，同樣可以使用全站儀。

3）針對碼頭斜樁的傾斜度、扭角等完成調(diào)整之后，需使用全站儀設(shè)備對斜樁的中心點進行精確定位。具體原理如圖2所示。具體的方法與上文所述的前方交會控制法基本一致，但具體使用的參數(shù)需引入設(shè)計高程。當(dāng)斜度、扭角、平面位置都達到相關(guān)要求時，方可進行試壓樁作業(yè)，測量結(jié)果符合要求后，可全面開展沉樁施工作業(yè)。

圖2 中，花桿1 和花桿2 構(gòu)成的直線便是對照線，與斜樁排架延長線的一部分重疊，儀器1 和儀器2 為兩臺全站儀，α1和α2分別表示從儀器1 和儀器2 對準樁后，與樁點位（樁兩側(cè)邊緣）之間的直線距離。

圖2 基于打樁船、雙全站儀斜樁中心點確認作業(yè)原理圖

3.2 鋼管高斜樁的嵌巖成孔方法

3.2.1 鋼管高斜樁嵌巖成孔施工的難點

斜樁嵌巖階段的施工難點在于：受現(xiàn)場條件的限制，常規(guī)的直樁撞錘無法有效使用[3]。經(jīng)過系統(tǒng)性評估，技術(shù)人員給出的解決方案為：（1）改為回旋鉆孔工藝；（2）對原有的沖擊成孔工藝進行改善。如果采用第二種方法，應(yīng)該考慮下列兩個問題：首先，若要滿足沖錘的沖擊力，應(yīng)該對現(xiàn)場進行什么程度的調(diào)整？其次，能否有效降低沖擊過程中位置偏差的發(fā)生率。具體而言，由于是斜樁施工，故常規(guī)直樁施工情況下的鋼筋籠、導(dǎo)管保持順暢及居中的狀態(tài)能否延續(xù)。除此之外，由于采用普通測錘+吊繩的方式并不能有效針對混凝土的埋管深度進行檢驗，故必須尋找新的替代方法。

3.2.2 鋼管高斜莊嵌巖成孔施工改進技術(shù)

改良后的沖擊式鉆機成孔斜樁嵌巖施工技術(shù)原理為：首先，需要充分考慮圓筒錘的重量分布是否維持均勻狀態(tài)。在以圓筒作為導(dǎo)向的前提下，錘的剛度和沖擊精確程度二者之間可保持平衡。由此產(chǎn)生的積極影響是，針對垂直方向力度和精度的控制要求，會在一定程度上降低。按照物理學(xué)原理，在重量相同的情況下，筒錘作用于物體之上產(chǎn)生的沖擊力相較于錐形錘偏低。但圓筒本身具有很強的配重作用，故在實際作業(yè)期間會增大沖錘的作用力。在本工程中，為了進一步提升成孔質(zhì)量，最終決定使用6 t 的筒錘。選擇此種型號筒錘還基于如下考量：筒錘外表面整體呈圓筒狀，在縱向每間隔250 mm，便需焊接型號為φ18 mm 的螺旋紋鋼。作用在于：在錘沖擊作用的過程中，可以使錘在一定程度上進行旋轉(zhuǎn)。在此種狀態(tài)下的錘作用于斜樁時，能夠有效避免斜樁表面被“刻印”梅花形狀的孔，且還可以大幅度降低鋼管與導(dǎo)向孔之間的摩擦力。

為了避免樁錘發(fā)生位置偏移及錘被卡死的現(xiàn)象，必須增加圓筒的長度，使導(dǎo)向作用更加明顯。具體如圖4 所示。需要注意，能夠發(fā)揮導(dǎo)向作用的圓筒錘長度必須至少達到3 m 以上，且圓筒管徑不得低于900 mm。完成導(dǎo)向筒的制作之后，需要在導(dǎo)向筒的錘頭一端焊接厚度至少達到25 mm、高度至少為150 mm 的鋼環(huán)，用于加強導(dǎo)向筒的抗沖擊能力。此外，還應(yīng)在下方安裝厚度為35 mm，高度達250 mm 的鉆牙基座，并搭配與鉆牙基座數(shù)量相對應(yīng)，厚度達到100 mm 的鉆牙（選擇耐磨性能較強的合金鋼材料制作）。如此一來，斜樁嵌巖成孔施工便可順利開展。

圖4 斜樁圓筒錘圓筒長度增加示意圖

4 結(jié)語

高樁碼頭鋼管斜樁施工工程與其他工程一樣，決定施工技術(shù)是否合適的重要觀察指標在于：能否在工期要求內(nèi)順利完工，工程實際花費是否控制在預(yù)算范圍內(nèi)。在本工程中，考慮到斜樁沉樁定位、成孔等方面存在的難點，如果選擇常規(guī)方法進行施工，則斜樁沉樁定位效果無法達到預(yù)期，成孔作業(yè)方面將會出現(xiàn)孔與預(yù)設(shè)標準不符的情況，導(dǎo)致工程總體質(zhì)量無法達到預(yù)期。在充分考慮各項施工難點，對相應(yīng)階段施工工藝進行改進之后，使所有施工階段既符合現(xiàn)場實際情況，又可以滿足設(shè)計要求，可有效控制成本，并未影響工期。