常晨曦

廈門第二東通道A2標(biāo)六樁聯(lián)動(dòng)下沉技術(shù)可行性分析

常晨曦

（中交第二航務(wù)工程局第二工程有限公司，重慶 400042）

廈門第二東通道A2標(biāo)前期技術(shù)策劃中提出鋼護(hù)筒六樁聯(lián)動(dòng)下沉方案。在定位船上設(shè)置整體式導(dǎo)向架和大功率液壓振動(dòng)錘，對(duì)六根鋼護(hù)筒同時(shí)振動(dòng)下沉，以提高沉樁施工的總體精度和高效率，在土層分布極不均勻的情況下，同時(shí)插打后可以根據(jù)需要對(duì)單樁進(jìn)行后期補(bǔ)充插打。要求打入完畢后的鋼管整體位于承臺(tái)底面處中心偏差小于100 mm，鋼管之間的相對(duì)偏差小于50 mm，傾斜度小于1/250，主要從設(shè)備、工藝、環(huán)保等方面進(jìn)行了相關(guān)分析研究。

復(fù)合鋼管樁；六樁聯(lián)動(dòng)下沉；液壓振動(dòng)錘；液壓沖擊錘

1 工程背景

廈門第二東通道A2標(biāo)海中橋梁全長(zhǎng)1 830 m，包含西非通航孔橋、西通航孔橋、中通航孔橋。中通航孔跨徑為2×150 m，其余跨徑均為90 m，深水區(qū)工段23個(gè)橋墩基礎(chǔ)采用無棧橋水上平臺(tái)法進(jìn)行施工，墩臺(tái)采用預(yù)制安裝，樁基采用復(fù)合鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，中航道橋樁基最大樁徑為2.5～2.15 m、長(zhǎng)度65 m；90 m跨等寬段鋼箱梁橋的樁基最大樁徑2.05～1.8 m、長(zhǎng)度74 m。鋼護(hù)筒作為永久受力結(jié)構(gòu)需打入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，需采用大能量液壓沖擊錘進(jìn)行護(hù)筒施沉。

2 沉樁技術(shù)要求

深水區(qū)23個(gè)墩臺(tái)全部采用預(yù)制安裝方式，6個(gè)預(yù)留孔分別與6根鋼管復(fù)合樁對(duì)應(yīng)，沉樁的定位要求極高。墩臺(tái)與復(fù)合鋼管樁連接如圖1所示。

平面位置偏差的墩臺(tái)安裝軸測(cè)視圖如圖2所示。外圓輪廓線分別與墩臺(tái)座孔內(nèi)圓輪廓線相切，可能會(huì)導(dǎo)致墩臺(tái)無法下放安裝。

3 樁基可打性分析

分析地址條件最不利的H15號(hào)墩：鋼管樁程28.8 m，樁徑2.5 m，底端兩米壁厚32 mm，其余段為25 mm；入土深度18.12 m，采用GRLWEAP分析鋼管樁的可打性。根據(jù)《港口樁基工程規(guī)范》（JTS 167-4-2012）以及《廈門第二東通道工程施工圖設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，H15孔位的參考極限側(cè)摩阻力和端承阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別如表1所示。H15孔位軟件地層參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖1 墩臺(tái)與復(fù)合鋼管樁連接示意圖

圖2 平面位置偏差的墩臺(tái)安裝軸測(cè)視圖

表1 H15孔位不同土層對(duì)應(yīng)的極限側(cè)摩和端承阻力標(biāo)準(zhǔn)值

土層描述極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qf/kPa極限端承阻力標(biāo)準(zhǔn)值qR/kPa土層頂-底標(biāo)高/m 淤泥流塑450-15.18、-15.78 中砂稍密40～501 600-15.78、-20.28 含卵石粗礫砂中密50～8010 000-20.28、-27.88 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（砂礫狀）手捏易散，遇水易崩解，采芯率86%～89%80～16020 000-27.88、-35.18

圖3 H15孔位軟件地層參數(shù)設(shè)置

液壓沖擊錘效率取0.85，側(cè)摩系數(shù)取0.7，由于是大直徑樁，忽略樁塞效應(yīng)的影響，2.5 m直徑鋼管樁的可打性分析結(jié)果如圖4所示?？梢娊K錘時(shí)每錘最小進(jìn)尺約8.6 mm，樁身最大壓應(yīng)力約為200 MPa。

圖4 H15位的可打性分析結(jié)果

4 創(chuàng)新六樁聯(lián)動(dòng)下沉工藝分析

4.1 六樁聯(lián)動(dòng)下沉

前期技術(shù)策劃方案提出一個(gè)創(chuàng)新的鋼護(hù)筒六樁聯(lián)動(dòng)下沉思路：采用在定位船上設(shè)置的整體式導(dǎo)向架和大功率液壓振動(dòng)錘使6根樁基同時(shí)振動(dòng)下沉，以確保沉樁施工的總體精度和高效率，也有利于節(jié)約造價(jià)。在土層分布極不均勻的情況下，同時(shí)插打后可以根據(jù)需要對(duì)單樁進(jìn)行后期補(bǔ)充插打。打入的鋼管，其整體位于承臺(tái)底面處中心偏差小于100 mm，鋼管之間的相對(duì)偏差小于50 mm，傾斜度小于1/250。在施工的各環(huán)節(jié)應(yīng)嚴(yán)格控制鋼管的變形、卷邊。沉樁時(shí)可以采用樁內(nèi)取土等助沉措施。

4.2 施工步驟

此工法的核心要素是預(yù)先在定位船上將6根鋼管樁按照預(yù)先定位好的雙層框架結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝成為一個(gè)整體，然后聯(lián)動(dòng)下沉，最大的優(yōu)點(diǎn)是樁之間的平面位置偏差可以得到最佳的控制?？臻g粗定位如圖5所示。定位船錨定樁施沉如圖6所示。六根樁整體豎轉(zhuǎn)如圖7所示。浮式限位器就位如圖8所示。平面偏差調(diào)整如圖9所示。

圖5 空間粗定位

圖6 定位船錨定樁施沉

圖7 六根樁整體豎轉(zhuǎn)

圖8 浮式限位器就位

圖9 平面偏差調(diào)整

4.3 技術(shù)可行性分析

4.3.1 夾具設(shè)計(jì)制造

6樁聯(lián)動(dòng)施沉的思路是通過單個(gè)液壓錘將激振力均勻分配至6根樁頂，不同于6錘聯(lián)動(dòng)施沉，其面對(duì)的是單根超大直徑鋼護(hù)筒，例如港珠澳島隧人工島的8臺(tái)APE600液壓振動(dòng)錘聯(lián)動(dòng)。多錘對(duì)單樁夾具設(shè)計(jì)三維圖如圖10所示。

圖10 多錘對(duì)單樁夾具設(shè)計(jì)三維圖

多錘對(duì)單樁的夾具設(shè)計(jì)思路是在鋼護(hù)筒圓周上均勻分配夾持點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力明確，錘之間通過液壓回路連接，容易實(shí)現(xiàn)各夾持點(diǎn)激振力調(diào)節(jié)分配；反之若要實(shí)現(xiàn)單錘或多錘對(duì)多樁的同步下沉，必須設(shè)計(jì)一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜龐大的專用分配夾具，其外形輪廓尺寸基本與墩臺(tái)的幾何尺寸一致，且下層需帶6套子分配液壓夾具，與6根鋼護(hù)筒一一對(duì)應(yīng)，需要獨(dú)立的帶動(dòng)力系統(tǒng)的液壓?jiǎn)卧到y(tǒng)。夾具設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 夾具設(shè)計(jì)示意圖

4.3.2 振動(dòng)錘性能要求

考慮到A2標(biāo)深水區(qū)鋼護(hù)筒需嵌巖，結(jié)合施工海域地址條件，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)單樁施沉的液壓振動(dòng)錘初步選型為YZ-400，其額定激振力為4 185 kN；如果要實(shí)現(xiàn)6樁聯(lián)動(dòng)下沉，理論上需要的激振力為6×4 185 kN=25 110 kN，實(shí)際上為了克服非均勻沉降阻力，這個(gè)激振力還應(yīng)乘上一個(gè)放大系數(shù)?？梢娙绻獫M足6樁聯(lián)動(dòng)下沉的需求，只能采用多錘聯(lián)動(dòng)的方式，采用2X或4X的方式，那么夾具也要對(duì)應(yīng)增加一層，變?yōu)槿龑?，力的傳遞路徑被再一次加長(zhǎng)，衰減進(jìn)一步放大，夾具的設(shè)計(jì)難度與制造難度進(jìn)一步加大。多錘聯(lián)動(dòng)+多樁聯(lián)動(dòng)夾具設(shè)計(jì)如圖12所示。

圖12 多錘聯(lián)動(dòng)+多樁聯(lián)動(dòng)夾具設(shè)計(jì)示意

4.3.3 施沉工況

由于6根樁基需嵌巖，在施沉的過程中，每根樁底端面遇到的阻力并不完全一致，最極端的不利情況是：中心2根樁快速下沉，兩側(cè)4根樁遇到較大阻力無法下沉，下層子分配夾具兩端可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重翹曲變形，甚至導(dǎo)致夾具體從鋼護(hù)筒上脫落，整個(gè)傳遞力系完全失效。下層分配夾具翹曲變形如圖13所示。

圖13 下層分配夾具翹曲變形

4.3.4 環(huán)保

因振動(dòng)錘激振力超過25 000 kN，預(yù)計(jì)其產(chǎn)生的噪聲將會(huì)非常巨大，可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過施工海域的噪聲環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì)在大海中自由游曳的白海豚產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。

5 主流工藝

5.1 打樁船直接定位施沉

測(cè)量定位采用GPS測(cè)量定位與常規(guī)測(cè)量相結(jié)合的測(cè)量定位方法。打樁流程：打樁船駐位→裝樁方駁駐位→劃樁號(hào)→捆樁→移船吊樁→移船就位→吊立樁入龍口→關(guān)閉下背板→替打→調(diào)整龍口垂直度→測(cè)量定位→樁自沉→微調(diào)偏位→拆除吊索→壓錘→錘擊沉樁→打樁記錄→停止錘擊→起吊錘和替打→測(cè)樁偏位。

此工法的優(yōu)點(diǎn)是工效高，每根樁的定位方式采用絕對(duì)坐標(biāo)定位，樁之間的平面位置相對(duì)偏差控制一般，垂直度可控。

為減小墩臺(tái)裝配難度，可考慮施沉完畢后重新復(fù)測(cè)樁位，坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)傳遞到墩臺(tái)預(yù)制場(chǎng)，對(duì)應(yīng)微調(diào)預(yù)留孔平面位置。

5.2 浮吊+振動(dòng)錘輔助定位施沉

此工法在港珠澳大橋中得到廣泛使用，核心要素是鋼管樁在上下雙層導(dǎo)向架中得到，，三個(gè)自由度的精確調(diào)整。

首根樁定位如圖14所示。

圖14 首根樁定位

此工法的優(yōu)點(diǎn)是樁的平面位置相對(duì)偏差可以得到精確控制，無需重新復(fù)測(cè)樁位的，坐標(biāo)傳遞到預(yù)制場(chǎng)，有效縮短工作路徑。

6 結(jié)論

綜上所述，建議在打樁船和浮吊+振動(dòng)錘定位施沉工藝中二選一，而六樁聯(lián)動(dòng)下沉的創(chuàng)新工藝可作為一項(xiàng)后續(xù)課題繼續(xù)開展持續(xù)研究。

TU753.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.008

2095－6835（2020）01－0028－03

常晨曦（1971—），男，本科，研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕