(中交四航局第五工程有限公司，福州350000)

高樁碼頭超長鋼管樁沉樁施工技術(shù)

■陳航付亮

(中交四航局第五工程有限公司，福州350000)

本文以福州港可門14#泊位工程鋼管樁沉樁施工為例，介紹碼頭超長鋼管樁(最長96m)沉樁施工的工藝技術(shù)及控制經(jīng)驗，為今后類似工程提供借鑒。

超長鋼管樁沉樁施工技術(shù)經(jīng)驗

1 前言

羅源灣港區(qū)由羅源和連江兩個半島合抱而成，海灣曲折，口窄腹大，形似葫蘆，港區(qū)南北兩岸群山環(huán)繞，形成天然屏障。港區(qū)巖面起伏較大，覆蓋層厚，所建碼頭泊位以高樁梁板式結(jié)構(gòu)為主，樁基形式多以鋼管樁為主，本文以福州港可門14#泊位工程鋼管樁沉樁施工為例，介紹碼頭超長鋼管樁沉樁的施工技術(shù)。

2 工程簡介

福州港羅源灣港區(qū)可門作業(yè)區(qū)14#泊位碼頭及棧橋工程擬建設(shè)1個5萬噸級通用散貨泊位，水工建筑物包括5萬噸級(水工結(jié)構(gòu)兼顧10萬噸級)通用散貨碼頭1座和棧橋1座，采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，年設(shè)計通過能力為288萬噸。碼頭長250m，寬32m；棧橋長430.035m，寬16m。

圖1 工程平面圖

該工程共需施打鋼管樁368根，單樁最大重量58.2t，最長96m。其中碼頭平臺全部采用φ1200mm鋼管樁，共238根，樁長71.5m～96m。棧橋在現(xiàn)澆墩臺34#、35#排架采用8根φ1200mm鋼管樁，其他排架均采用φ1000mm鋼管樁，共122根，棧橋鋼管樁樁長55m～79m。鋼管樁規(guī)格、數(shù)量如表1所示。

表1 鋼管樁規(guī)格、數(shù)量及相關(guān)參數(shù)表

3 工程重點、難點

3.1 樁長較長，施工難度大

該項目鋼管樁長度超長，最大長度為96m，對鋼管樁制作、運輸、起吊及施打等各方面的施工能力均提出了較大挑戰(zhàn)。

3.2 樁基平面布置復(fù)雜，樁距密，不利于施工

碼頭平臺排架間距5～10m，各排架均布置有對樁，東西兩個結(jié)構(gòu)段各布置4組叉樁，碼頭與棧橋交接處基樁分布較多，間距最小為3.5m左右，大部分為斜樁，基樁在平面或立面上的位置存在較多相互交叉施工，對沉樁精度要求極高。

3.3 施工場地條件受限較多

棧橋原泥面標高較高，尤其近岸處，沉樁施工時間極短，船舶拋錨帶纜困難；相鄰13#泊位已經(jīng)建成投產(chǎn)，交界處的船舶擺位、錨纜的拋設(shè)、樁基的定位等均存在較大困難。特別是少部分斜樁從與13#泊位交界處下部對樁中間穿過，其樁基的實際施打情況未知，給施工帶來一定的不確定性。

3.4 地質(zhì)條件較復(fù)雜

根據(jù)地質(zhì)勘探情況，地層分布如下：表層為第四系全新統(tǒng)長樂組沖海積層，流塑狀淤泥(厚度在5～8m之間)、淤泥質(zhì)粘土(厚度在14～32m之間)，其下為可塑～硬塑狀粉質(zhì)粘土及稍密～中密狀砂礫層(厚度在23.4～48.7m之間)；下伏基巖為燕山晚期中粗粒-中細粒花崗巖及其風(fēng)化層，局部見后期脈巖輝綠巖侵入。其中中粗砂層其標貫擊數(shù)最高可達64擊，個別區(qū)域砂土狀強風(fēng)化輝綠巖脈侵入，標貫擊數(shù)可達122擊，兩者將對鋼管樁樁尖穿過構(gòu)成極大阻力；棧橋區(qū)域局部有較厚的卵石層，接岸側(cè)表層還存在厚度不一的拋石層，將沉樁帶來較大困難。砂土狀強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖分布穩(wěn)定，力學(xué)性質(zhì)良好，為設(shè)計樁基持力層。

4 施工應(yīng)對措施

4.1 優(yōu)化施工組織

為有效應(yīng)對樁長較長，施工難度大的特點，考慮提高施工效率，項目在施工策劃階段即確定按照“一次成型”的形式組織施工，即“整樁制作、整樁運輸、整樁施打”，避免現(xiàn)場進行二次對接。相應(yīng)的，按照“一次成型”施工的要求，選定了主要施工船舶。如下表：

表2 鋼管樁沉樁的主要船機設(shè)備配置表

表3 “航工樁168”船舶性能表

圖2 沉樁總體順序安排

4.2 確定合理的沉樁順序

4.2.1 總體施工順序

根據(jù)工程整體進度安排、設(shè)計圖紙以及已運營的13#泊位碼頭現(xiàn)狀，鋼管樁沉樁施工劃分為三個施工段，按照先碼頭與棧橋交接處，后棧橋，再碼頭的總體順序組織施工。

4.2.2 具體沉樁順序

在具體每根樁的施打順序考慮上，施工前利用打樁船的準確參數(shù)在CAD里繪制出船型，采用圖上模擬對位，逐根驗證樁基平面扭角的施工可行性，并通過計算校核樁基縱向傾角是否會發(fā)生立面上的交叉碰樁，最后考慮打樁船起錨移位的頻率及方駁喂樁的位置。

如圖3所示，左圖169與167號樁施工存在互相干擾，無論先施工哪根樁都會造成另一根樁施工時打樁船無法扭到設(shè)計扭角；右圖161號樁按設(shè)計扭角施工時，打樁船受到已建成的13#泊位妨礙，無法扭到指定角度，且161號樁按設(shè)計角度施工時，將從13#泊位下已施工的對樁中間穿過，對施工精度要求極高。通過詳細核驗，部分樁基扭角及傾角存在互相干擾而無法施工，計算出可施工的扭角及傾角后報請設(shè)計單位確認變更，再詳細規(guī)劃沉樁順序并將最終能夠施工的打樁順序交底給制樁廠按順序制樁。

圖3 樁位校核的方法示意圖

4.3 開挖沉樁臨時航道

棧橋區(qū)域為確保沉樁水深條件足夠，打樁前進行臨時航道疏浚，待疏浚至指定標高后再進行沉樁作業(yè)。

設(shè)計低水位為-3.34m，打樁船吃水2.7m，取0.3m富余水深，則如不趁潮作業(yè)時，臨時航道需要開挖至底標高為：-3.44-2.7-0.3=-6.44m，開挖量將過大。所以考慮趁潮施工，取開挖底標高-5.0m，每天白天可作業(yè)時段為潮水位-2.0m以上時段，時間約為4～8小時(因潮汐時間變換而差異)。

為保證近岸處堤身穩(wěn)定，故近岸處(堤岸前沿80m范圍內(nèi))采取最少開挖量。設(shè)計高水位+3.04m，沉樁1根所需時間2小時，故取趁潮施工水位+1.5m，則所需開挖底標高為1.5-2.7-0.3=-1.5m。故近岸處考慮趁潮單根沉樁作業(yè)，開挖底標高-1.5m。

為避免退潮后運樁船擱淺，運樁船定位在碼頭與棧橋連接處附近，接岸側(cè)排架每個潮水作業(yè)時間最少僅有3個小時左右，施工時安排打樁船提前吊樁做好準備，吊樁后需絞纜300m左右，趁潮緩慢移至待沉樁區(qū)域。

如圖4所示，地牛的布置受場地條件限制，只能在離堤腳一定距離外就地開挖布置。為了能滿足樁基設(shè)計扭角需求，樁船扭至如上圖所示的角度，造成樁船與地牛的距離過近，地牛2與右前錨卷揚機距離僅有15m左右，因此地牛的設(shè)置需加大受力考慮。通過計算及經(jīng)驗確定在拋石層上開挖安放1m3大小的預(yù)制塊后，鋼絲繩從預(yù)制塊上預(yù)留鐵件的孔洞牽引出來，再用大塊石對預(yù)制塊堆高約3m，地牛受力能夠滿足需求。

5 施工過程控制技術(shù)

5.1 施工工藝流程及質(zhì)量評定標準

沉樁總體工藝流程為：制樁→運樁→樁船定位→樁船移位吊樁→移船立樁→測量定位→立樁穩(wěn)樁→錘擊沉樁→水上夾樁(檢樁)。

沉樁以貫入度控制為主，樁頂設(shè)計高程作為校核。貫入度要求，最后一陣錘擊(10擊)平均貫入度≤3mm，最后一米的總錘擊數(shù)不少于250擊，總錘擊數(shù)控制在3500擊以內(nèi)。如果沉樁滿足上述要求，樁端仍未達到設(shè)計標高時，需繼續(xù)錘擊貫入100mm或錘擊50擊，其平均貫入度不應(yīng)大于控制貫入度。若標高與設(shè)計標高相差較大(＞3m)時，應(yīng)及時與設(shè)計單位聯(lián)系。

高應(yīng)變動力檢測樁基數(shù)量原定為樁基總數(shù)的5%，共19根，其中碼頭樁基(為Φ1200mm鋼管樁)12根，棧橋樁基(為Φ1000mm鋼管樁)6根，(為Φ1200mm鋼管樁)1根，以上樁基動力檢測數(shù)量不包括沉樁出現(xiàn)異常情況的樁，若沉樁時發(fā)現(xiàn)異常，則需增加檢測量。

5.2 試樁

根據(jù)設(shè)計要求，在正式施工前試沉樁7根以確定最終技術(shù)參數(shù)。從試樁結(jié)果來看，地質(zhì)情況基本與前期地質(zhì)勘察報告相符，當沉樁進入到中粗砂層時貫入度明顯減少，由15mm驟減至5mm以內(nèi)，并均勻下沉5～8m，最終貫入度達到收錘標準(小于3mm)后停錘。在中粗砂層施工時，貫入度小，錘擊數(shù)大，施工時間長，樁錘磨損大，給施工帶來一定困難。檢測結(jié)果表明，試樁單樁極限承載力能夠滿足設(shè)計要求。詳見表4。

圖4 棧橋打樁船臨時航道疏浚平面示意圖

表4 試樁數(shù)據(jù)匯總表

5.3 鋼管樁制作及運輸

為了保證鋼管樁的制作進度和速度，所有鋼管樁由專業(yè)廠家按照施打的先后順序進行制作，全部采用螺旋焊縫鋼管。鋼板材質(zhì)均采用Q345B鎮(zhèn)靜鋼，樁身采用犧牲陽極陰極保護與涂層的聯(lián)合防腐蝕措施。

鋼管樁制作完成并通過各項驗收合格后由專用碼頭吊樁裝駁。采用2500t駁船從制樁廠家運到施工現(xiàn)場。2500t駁船倉寬25m，兩側(cè)用32工字鋼鋼架每間隔10m設(shè)一道封倉架，封倉架高1.5m。鋼管樁之間采用150mm× 200mm×800mm的木方支墊，最底層鋼管樁采用200mm× 200mm×2000mm的木方作支墊，底層鋼管樁用木楔固定，鋼管樁裝駁示意圖如下圖所示：

圖5 鋼管樁裝駁示意圖

圖6 駁船抵達現(xiàn)場定位

圖7 樁身防腐涂層保護

5.4 防腐涂層保護

在鋼管樁防腐涂層保護方面，從多個細節(jié)入手：為避免鋼管樁樁身防腐涂層在運輸過程中與樁身固定鋼絲繩摩擦造成防腐涂層脫落，采用土工布包裹鋼絲繩；在上層鋼管樁裝船時，要求吊樁安放時對準下層樁縫隙準確輕放，避免上層樁吊耳對下層樁防腐涂層造成剮蹭磨損；打樁船抱樁器與鋼管樁接觸部位采用滑動導(dǎo)向輪；安排專人全程跟蹤檢查樁身防腐涂層，發(fā)現(xiàn)磨損部位及時的補刷。通過上述措施最大程度降低樁身防腐涂層的摩損。

5.5 定位、吊樁及沉樁

5.5.1 運樁船定位

由于施工區(qū)域所處的羅源灣潮差大，施工期間季候風(fēng)盛行，加之運樁駁船定位時與漲退潮水的方向基本均為垂直擺向。為增強駁船定位穩(wěn)定性，將船尾定位錨從1.0t加大至1.5t，錨纜從100m加長至300m，由此駁船通過自身拋錨定位便能滿足卸樁施工需求，無需采用其它輔助定位船舶。打樁船定位完成后，留下左前錨或右前錨不拋，待運樁船定位完成后再將左前錨或右前錨拋出壓住運樁船的錨纜，即可開始下一步的吊樁作業(yè)。

5.5.2 吊樁

考慮樁基較長，為確保吊樁的可操作性與安全性，通過與設(shè)計溝通，優(yōu)化吊點布置，將原設(shè)計的兩點吊改為四點吊，吊索鋼絲繩直徑為φ46mm。由于大部分樁長度均超過運樁船甲板面長度，起吊時，需先吊起船頭這一端后再將船尾懸空的一端吊起，以防樁端橫移撞擊船頭建筑物。

吊樁完畢，移船至擬施打位置后，樁船收緊各錨纜，防止錨纜在吊樁過程中刮泥而造成的纜繩已緊的假象,隨后再進行精確測量定位。碼頭后沿鋼管樁長度超過90m以上的，部分需趁潮作業(yè)，潮水過低樁尖會插到淤泥里而無法移船定位(鋼管樁水面以上的極限長度約80m)。因此，吊樁移船需謹慎并注意觀察樁身的變化，根據(jù)潮水情況合理調(diào)配施打順序。

5.5.3 樁身定位

沉樁測量定位采用“雙控”方式，即GPS定位，全站儀復(fù)核。打樁船安裝三臺GPS(RTK)接收機(流動站)、一臺傾斜儀及樁架角度板以確定船體的位置和姿態(tài)，進而可以確定船體上樁的位置，從而實現(xiàn)對樁的定位和定向，樁身位置斜度及沉樁錘擊數(shù)在左下圖顯示屏界面上實時顯示(錘擊數(shù)采用聲音感應(yīng)器進行讀取，取代以往的人工手動記錄)，方便船長及時的指揮控制。高程通過岸上架設(shè)的全站儀進行測控，同時也對鋼管樁定位及傾斜度進行測控。船上與岸上雙控定位數(shù)據(jù)達到一致時，方能下樁，若出現(xiàn)定位數(shù)據(jù)不一致時應(yīng)及時分析偏差原因，解決偏差問題后方能下樁(雙控定位出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差通常有以下幾個原因：鋼管樁樁身不直、天氣或其它原因造成GPS信號不穩(wěn)或異常、斜樁觀測點不一致或不在設(shè)計標高上)。

圖8 吊點布置示意圖

圖9 吊樁

斜樁沉樁定位需考慮提前或落后量，控制在10～15cm左右，依樁相對樁船的仰俯向而定，直樁不預(yù)留。并對已沉樁進行偏位測定，及時總結(jié)出更準確的提前和落后量，從而不斷提高沉樁正位率。

5.5.4 替打設(shè)置

由于碼頭的樁基直徑為Φ1200mm，棧橋含Φ1000mm與Φ1200mm兩種規(guī)格，不同樁徑樁基存在混合交叉施工，為方便施工，避免采用兩個規(guī)格不同的替打(替打頂設(shè)置錘墊，錘墊由廢舊鋼絲繩制成)互相切換而影響施工進度，經(jīng)過詳細考慮并確定只采用Φ1200mm的替打，但在Φ1200mm的替打底部采用鋼板條焊接出Φ1000mm樁的十字形限位內(nèi)撐。該方法方便好用，在施工中也得以證明，但在施工間歇時間里需檢查十字撐是否因長時間錘擊而脫焊，有脫焊現(xiàn)象應(yīng)及時補焊。

5.5.5 錘擊沉樁

下樁過程中注意觀察樁錘、替打和樁是否在同一軸線上，且需不斷帶緊樁船錨纜，通過帶緊錨纜對樁錘中心線進行微調(diào)。開始錘擊后，不得用移船方法糾正樁的偏位，特別是斜樁，以防背板蹩樁造成斷樁。在錘擊沉樁過程中注意觀測貫入度，等樁穿過淤泥層或黏土層后再加大錘擊能量。

棧橋接岸側(cè)3根樁所處位置淤泥層上部分布著大小不一的塊石，從地勘資料顯示厚度約5m～10m左右。沉樁時，錘擊150至250錘后打穿拋石層進入淤泥層，鋼管樁隨之以較快速度下沉。

5.6 超高樁處理

碼頭有3根超高樁，即F8、F9、F10樁，在達到設(shè)計收錘標準后樁頂標高分別高出設(shè)計標高20.4m，19.07m以及17.08m。該異常情況，經(jīng)設(shè)計單位研究決定，對該區(qū)域進行補勘。同時，對這三根樁進行單樁承載力動力檢測。經(jīng)過后續(xù)的沉樁、補勘及檢測結(jié)果來看，異常超高的原因是由于該區(qū)域的粗砂層密實程度較高，厚度較厚，標貫擊數(shù)大造成的，是局部區(qū)域的地質(zhì)異常。后續(xù)，仍然按原設(shè)計施工，樁長不作調(diào)整，將附近區(qū)域鋼管樁樁尖予以割除，減少沉樁阻力。經(jīng)承載力檢測，該三根異常樁承載力全部滿足要求，可正常使用。

圖10 GPS與全站儀雙控定位

圖11 接岸側(cè)排架施工

圖12 接樁處理示意圖

考慮由于樁頂標高提高過多，樁身局部外露部分未進行油漆防腐，故在后續(xù)陰極保護施工時，對這三根樁各增加一塊陽極塊，確保符合鋼管樁防腐要求。

棧橋數(shù)根樁達到設(shè)計收錘標準后樁頂標高較高，結(jié)合周圍樁基沉樁正常，綜合地質(zhì)勘查報告來看，研究判定是鋼管樁未能穿透該區(qū)域較厚的卵石層。根據(jù)承載力檢測，該部分樁基承載力均滿足設(shè)計要求，可正常使用。

5.7 低樁處理

棧橋C5、G4兩根樁達到設(shè)計標高后，貫入度未達到停錘標準，隨后按設(shè)計要求繼續(xù)錘擊至貫入度達到收錘標準，最終分別低于設(shè)計標高1.39m和0.99m。接樁焊工從制樁廠派專人到場進行接樁，焊接前將下節(jié)樁管進行修整,焊接坡口及其附近20～30mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污、水氣和雜物清除干凈。焊縫型式采用單邊V形坡口，上節(jié)樁的坡口角度采用45°～55°，下節(jié)樁不開坡口，環(huán)焊縫尺寸滿足設(shè)計圖紙要求。

吊接上節(jié)樁,使其坡口擱在焊道上,使上下樁對口間隙為2～4mm,用全站儀校正垂直度合格后,再進行焊接，焊接采用二氧化碳氣體保護自動焊，并把陶瓷襯墊放在坡口背面，從正面焊，雙面一次成形，背面焊縫成型飽滿，焊跡整齊。經(jīng)一級探傷檢測合格后修復(fù)樁身防腐涂層。

6 結(jié)語

(1)由于鋼管樁樁長超長，施工前充分的考慮了制作、運輸及吊樁的可行性，并根據(jù)樁基總體布置情況、場地條件及打樁船施工需求，進行紙上推演，規(guī)劃布置出最合理的沉樁順序及工作安排。例如與13#泊位交接處施工的C1樁在前期調(diào)整傾角后，實際施工時樁船受13#泊位影響仍然無法定位到位，給施工帶來較大影響，及時與設(shè)計溝通后，最終將該樁調(diào)整為直樁。因此，在沉樁施工前，需考慮充分，過程中與監(jiān)理及設(shè)計單位保持流暢溝通，出現(xiàn)異常情況及時交流解決，減少船機窩工時間。

(2)由于地質(zhì)情況復(fù)雜，施工中出現(xiàn)較多樁頂標高高于設(shè)計標高，且妨礙下一根臨近樁的施工，該情況需在現(xiàn)場及時與監(jiān)理及設(shè)計單位溝通并進行割樁處理?？紤]其它工作船無法第一時間到達施工區(qū)域且動用工作船則延誤其它工作點的施工進度，打樁船船員在操作上也比其他人熟練快速，所以大部分有妨礙施工的超高樁都交由打樁船船員進行及時的切割轉(zhuǎn)運處理，有效的在不利條件下加快了施工進度。

(3)出現(xiàn)類似因異常超高樁而進行補勘作業(yè)的，需要大范圍調(diào)整沉樁順序，既有的鋼管樁生產(chǎn)及沉樁順序需要進行調(diào)整，應(yīng)第一時間與制樁廠溝通交底，調(diào)整制樁及運樁順序。對于已生產(chǎn)已裝駁的樁，按照“以長替短”的原則盡早重新組織施工，并積極與業(yè)主及設(shè)計單位溝通，盡快完成補勘工作，降低由此帶來的影響。

(4)由于中粗砂層厚而密實，在砂層較厚區(qū)域沉樁時，錘擊數(shù)普遍達到1500錘以上，最大錘擊數(shù)達到3110擊(總錘擊數(shù)最少為336擊，最大為3110擊)。錘擊進尺小(＜5mm/擊)，對設(shè)備磨耗大，樁錘時常因溫度太高而出現(xiàn)停錘的情況，最大單樁施工時長長達4至5小時，造成樁錘活塞開裂而不得不換錘。建議在類似工程中，充分考慮在中粗砂層或卵石層中沉樁施工的一些不利因素。

(5)根據(jù)該工程的情況，鋼管樁水上運輸時間約3天左右，兩艘運樁船基本能夠滿足施工進度，在有可能出現(xiàn)耽誤的情況下，積極與制樁廠溝通，臨時增加一艘運輸船以保障施工進度。在施工有可能出現(xiàn)施工間斷的情況下，及時安排進行檢樁工作，確保打樁船施工任務(wù)較為飽滿，船機利用率達到最大化。

(6)該工程樁基動力檢測共檢測28根，含9根超高或過低的異常樁，單樁極限承載力均達到11000kN至13500kN，滿足設(shè)計要求，樁身完整性判定全部為完整樁。

(7)該工程沉樁施工于2016年1月1日正式開工，2016年5月4日結(jié)束。扣除春節(jié)放假，平均每日沉樁約3.3根，單日最多完成沉樁8根。因棧橋靠岸側(cè)排架施工需趁潮作業(yè)且長距離吊樁，以及碼頭區(qū)域厚實中粗砂層的不利因素，較大的延緩了施工進度。建議按照工程量計量的方式進行施工組織，能夠較大程度上提高施工船組的積極性，有利地保障施工進度。

[1]福建省交通規(guī)劃設(shè)計院.福州港羅源灣港區(qū)可門作業(yè)區(qū)14#泊位工程施工圖設(shè)計文件.2016.

[2]福州港羅源灣港區(qū)可門作業(yè)區(qū)14#泊位碼頭及棧橋工程施工組織設(shè)計.