李志成，華勇，江群龍，胡偉邦

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

目前在外海長周期波裸巖海域碼頭樁基施工相關(guān)案例較少，由于常規(guī)的打樁船作業(yè)無法抵抗長周期波對其產(chǎn)生的橫搖、縱搖以及升沉運動的影響，而頂升平臺移位對波浪的要求也較嚴(yán)格，需在窗口期進行，極大地限制了施工效率。通過以色列阿什杜德港碼頭樁基施工，首次研發(fā)了樁頂支撐步履式頂推平臺用來沉設(shè)鋼管樁[1-3]，該設(shè)備能夠?qū)痘┕っ撾x水面，且平臺移位在工程樁樁頂進行，亦不受海浪的影響，在該項目得到成功應(yīng)用。由于該海域樁基為非嵌巖樁，樁基可采用振動錘常規(guī)沉放。對于裸巖地質(zhì)條件下的樁基施工仍然存在著沒有探索的難題。

1 工程概況

1.1 項目概況

巴基斯坦中電胡布燃煤電廠煤碼頭為CPHGC 2×660 MW 燃煤發(fā)電站項目的專用煤炭進口碼頭，設(shè)計煤炭通過能力為440 萬t/a，主要包含488 m引堤、507 m 引橋（含變電所墩臺）、727 m 防波堤、265 m 煤碼頭。其中碼頭總長265 m，寬24 m，高樁梁板式結(jié)構(gòu)。由樁基、系梁、橫梁、縱梁、面板及附屬結(jié)構(gòu)組成，共34 個排架，每個排架4 根鉆孔灌注樁。樁基總計136 根，樁基直徑1.35 m，鋼護筒直徑1.45 m，橫向間距6 m，縱向間距8 m，設(shè)計樁長為30.621 m。

碼頭結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)布置圖Fig.1 Dock structure layout

1.2 波浪

施工項目直面阿拉伯海，長周期涌浪海況特征明顯，該地區(qū)受到西南季風(fēng)的影響，海面波浪較大。重現(xiàn)期50 a 風(fēng)速為47.6 m/s。工程區(qū)域外海波浪常浪向為SSW 向，次常浪向為SW 向，頻率分別為41.43%和37.16%。強浪向為SW 向。波高超過1.8 m 的頻率約為22.4%。一般平均周期在7～11 s。

1.3 地質(zhì)條件

根據(jù)設(shè)計勘察結(jié)果，工程區(qū)地層從上到下主要分布為砂礫、礫巖和砂泥巖，沒有軟質(zhì)覆蓋層，施工海域布滿礁石。見表1。

表1 碼頭工程地質(zhì)資料Table 1 Dock engineering geological data

2 施工重難點分析

結(jié)合本工程的施工條件，碼頭樁基施工存在以下難點：

1）施工工期緊，窗口期短，為避免對后續(xù)施工安排造成影響，碼頭樁基需要在4 個月內(nèi)完成，設(shè)置兩條線路同步施工，平均施工周期為7 d/排架。

2）長周期波對海上作業(yè)船舶的定位和穩(wěn)定性影響大。

3）海床分布性狀大小不一的礁石且表面覆蓋砂巖層，鋼護筒沉放的穩(wěn)定性難以保證。

針對以上重難點，對外海無覆蓋層、長周期波浪海域碼頭樁基施工工藝進行相關(guān)研究。

3 步履式頂推平臺施工工藝

步履式液壓頂推施工平臺主要由樁頂頂推定位裝置、作業(yè)平臺、導(dǎo)向架和液壓控制系統(tǒng)等幾部分組成。步履式頂推平臺一般支撐在鋼管樁上或工程樁鋼護筒上，施工機械均在平臺上進行施工，可消除波浪對施工的影響，極大地減少滿鋪平臺帶來的施工成本的增加。另一方面步履式施工平臺在固定區(qū)域施工完成后頂推前移，節(jié)省了平臺拆除的時間。

由于施工荷載較大，采用這種方法還需解決頂推平臺支撐穩(wěn)定性的問題。

4 樁頂步履式頂推平臺深化設(shè)計

4.1 技術(shù)要點

采用步履式頂推平臺雖然能消除波浪的影響，但是在裸巖且海床分布有礁盤的海域施工時，在上部施工荷載較大的情況下需確保鋼護筒埋深達(dá)到一定的要求，否則無法保證步履式頂推平臺施工的穩(wěn)定性。所以采用步履式頂推平臺要解決鋼管樁在裸巖或淺覆蓋層地質(zhì)條件下的沉放難題。

在施工過程中，起初利用履帶吊及打樁錘直接進行鋼護筒的沉放。實際上由于海床存在礁石以及覆蓋層較淺，部分施工海域甚至無覆蓋層，在貫入度滿足停錘標(biāo)準(zhǔn)后，鋼管樁埋深不足，鋼管樁底部卷口情況嚴(yán)重，無法進行后續(xù)的灌注樁施工。

為解決此問題確保施工順利進行，采用了旋挖鉆機輔助沉放鋼護筒的新的施工工藝方法。施工時先利用導(dǎo)向架將護筒定位后采用振動錘進行沉設(shè)，護筒沉設(shè)時按貫入度及入巖深度雙控。當(dāng)貫入度變化不大，入巖深度不滿足平臺行走時將旋挖鉆機開上平臺前端，進行旋挖跟進后，復(fù)沉直到滿足要求平臺前移就位。護筒沉設(shè)完畢后旋挖鉆機開上平臺尾部進行樁基旋挖，如圖2 所示。旋挖完成后按常規(guī)方法進行灌注樁施工。

圖2 旋挖鉆旋挖護筒跟進施工Fig.2 Rotary drilling and drilling excavation casing follow-up construction

4.2 鋼護筒入巖深度

為了保證步履式頂推平臺施工穩(wěn)定性，護筒需滿足入巖深度的要求。

1）豎向承載力

鋼護筒為打入樁，樁端載體為泥巖，根據(jù)JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》按鋼護筒入中風(fēng)化泥巖厚度1 m 考慮，計算單樁豎向承載力為2 316 kN。

根據(jù)總體計算，單樁最大豎向支撐力為2 100 kN，按照表層覆蓋層厚度0.4 m，礫巖層3 m 及泥巖層1 m 的樁底入土深度，單樁豎向承載力能夠滿足頂推平臺支撐使用要求。

2）水平承載力

水平荷載為履帶吊+鋼筋籠行走水平力、波浪力、水流力。其中履帶吊起吊鋼筋籠行走水平力按照7:3 分布在兩條履帶式，由3 根鋼護筒承受。

經(jīng)計算，各部分水平力如表2 所示。

表2 單樁水平力計算結(jié)果Table 2 Calculation results of horizontal force of single pile

鋼護筒施工區(qū)域最大底高程l1=8.4 m，樁頂標(biāo)高l2=5.74 m，分別按照鋼護筒入土深度h1=3 m、h2=3.5 m、h3=4 m 進行復(fù)核計算，根據(jù)朗肯土壓力計算傾覆彎矩對樁側(cè)土體產(chǎn)生的壓應(yīng)力，根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》驗算不同入土深度對應(yīng)底部樁側(cè)土體極限水平壓應(yīng)力，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同入巖深度下樁側(cè)土體水平壓應(yīng)力Table 3 Horizontal compressive stress of pile-side soil under different rock depths

根據(jù)計算，3 m 入土深度不能滿足穩(wěn)定性要求，鋼護筒至少入土約3.5 m 才能滿足使用要求。

4.3 頂推平臺深化設(shè)計

為了降低施工難度和成本，從兩個方面對步履式頂推平臺進行深化設(shè)計：1）增加鋼管樁平聯(lián)，減小履帶吊行走時單根護筒水平力從而減小鋼護筒入巖深度；2）增加旋挖鉆，采用護筒沉放+旋挖跟進的工藝解決鋼護筒無法沉放到設(shè)計標(biāo)高的問題。

1）鋼護筒平聯(lián)

由于海上風(fēng)浪大，常規(guī)的平聯(lián)管焊接在鋼護筒上進行連接施工安全風(fēng)險高。頂推平臺設(shè)計時將樁頂裝置各支撐底座之間通過可調(diào)絲桿進行連接，使鋼管樁連接成整體，安拆方便，降低了施工成本和安全風(fēng)險。

考慮鋼護筒之間加入橫聯(lián)，履帶吊行走水平力分布在8 根鋼護筒上，單根鋼護筒最大水平力為30 kN，對入巖3 m 工況重新進行復(fù)核計算滿足水平承載要求。鋼護筒增加平聯(lián)后，入巖3 m即能夠滿足水平承載要求。

2）增加旋挖鉆

頂推平臺由樁頂頂推定位裝置、承載平臺、作業(yè)平臺、導(dǎo)向架、操作走道和液壓控制系統(tǒng)等幾部分組成。頂推平臺上布置履帶吊及旋挖鉆機各一臺，當(dāng)護筒埋深達(dá)不到平臺承載力要求時，采用旋挖鉆機輔助進行護筒沉放。頂推平臺平面布置如圖3 所示。

圖3 頂推平臺平面布置圖Fig.3 Top push platform floor plan

5 鉆孔樁施工

5.1 總體施工工藝

施工工藝為：頂推平臺就位→導(dǎo)向架定位→護筒沉設(shè)及旋挖跟進→平臺后方鉆孔旋挖→平臺前移。

首先選擇在風(fēng)浪較小的時機定位并沉放臨時支撐鋼管，通過平聯(lián)進行連接，然后在臨時支撐鋼管上拼裝頂推平臺。

頂推平臺前端設(shè)有可橫向滑動的導(dǎo)向架，碼頭樁基施工時，通過作業(yè)平臺前端的導(dǎo)向架精確定位鋼護筒，采用液壓振動錘和履帶吊配合沉放鋼護筒至設(shè)計標(biāo)高。碼頭樁基鋼護筒沉放在作業(yè)平臺上逐排架進行施工，作業(yè)平臺前移過程中支撐逐漸由臨時鋼管樁轉(zhuǎn)換到碼頭樁基的鋼管樁上，同時在作業(yè)平臺尾部配有旋挖鉆，形成前端沉放鋼護筒后端進行鉆孔樁施工的工藝。

5.2 鋼護筒沉放

樁基護筒無法一次施打到設(shè)計持力層時，為了滿足頂推平臺移位要求及避免旋挖過程中塌孔，采用旋挖跟進的方式進行施工，如圖4 所示。首先打開導(dǎo)向架龍口，由履帶吊和振動錘進行鋼護筒沉放，當(dāng)護筒貫入度達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)時停止振動，如護筒底未達(dá)到設(shè)計深度，用旋挖鉆進行旋挖跟進，旋挖深度不得高于護筒埋深0.5 m。旋挖完成后繼續(xù)用振動錘沉樁，直至護筒底達(dá)到設(shè)計持力層且達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)時停止沉樁，打開攏口切割樁頭至設(shè)計標(biāo)高后將導(dǎo)向架移動至下一根樁，開始下一根護筒施工。

圖4 碼頭樁基鋼護筒沉放Fig.4 Sinking of dock pile base steel casing

5.3 樁頂裝置安裝

依次完成第1 排4 根鋼護筒施工，施工過程密切觀察平臺是否發(fā)生移位，及時進行調(diào)整。沉放完成后測量新施工鋼護筒樁頂標(biāo)高和水平偏差，根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整待安裝樁頂頂推置高度后，將樁頂裝置安裝在第1 排鋼護筒。

5.4 鉆孔灌注樁施工

將履帶吊臨時固定，完成平臺頂推前檢查后將平臺向前頂推1 個樁間距，正常情況下頂推過程耗時約4 h。依次循環(huán)完成第2—4 排鋼護筒，平臺行走到位后，將旋挖鉆機從棧橋開上平臺尾部，進行第1 排樁鉆孔作業(yè)，裝載機完成鉆孔渣土轉(zhuǎn)運，鉆孔完成后，將混凝土罐車開上平臺，完成混凝土灌注。同時履帶吊在前端進行第5 排鋼護筒沉放施工。

胡布碼頭項目采用兩套頂推平臺施工，實施效果良好，相對于滿鋪平臺施工為項目節(jié)約工期4 個月，節(jié)約施工成本118 萬美元。

6 結(jié)語

步履式頂推平臺采用工程樁進行支撐，前端采用導(dǎo)向架及旋挖鉆進行護筒沉放，后部旋挖鉆跟進進行鉆孔樁施工，其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面：

1）施工精度高。導(dǎo)向架固定在作業(yè)平臺前端，可在平臺滑道上橫向移動，并通過液壓系統(tǒng)對護筒平面位置進行精確調(diào)整，確保了樁基施工精度。

2）施工成本低。頂推平臺為型鋼組裝，安拆方便，不必另外搭設(shè)施工平臺，節(jié)約了施工成本。

3）受波浪影響小。頂推平臺采用工程樁支撐，減小了波浪對作業(yè)平臺的影響，作業(yè)窗口期從允許波高0.5 m 提高到3.5 m，增加了有效施工時間，縮短了工期。

4）采用旋挖鉆配合步履式頂推平臺進行護筒旋挖跟進沉設(shè)的方法，解決了長周期波涌浪條件下淺覆蓋層或無覆蓋層海上鉆孔灌注樁施工的難題。將鋼管樁沉樁、樁基成孔、鋼筋籠安裝、混凝土澆筑等工序集為一體，施工安全風(fēng)險低，經(jīng)濟效益高，取得了良好的施工效果。