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        高樁碼頭鋼管斜樁施工關(guān)鍵技術(shù)分析

        2022-08-11 03:04:04唐勝中陳江峰岳志超
        工程建設(shè)與設(shè)計 2022年14期
        關(guān)鍵詞:斜樁沉樁圓筒

        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(hù)岸坡的整體穩(wěn)定性??傮w而言,高樁碼頭適用于地基強(qiáng)度較低的軟土地區(qū),為進(jìn)一步保證施工質(zhì)量,需對鋼管斜樁施工過程進(jìn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)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(jìn)行樁基嵌巖施工。該階段施工需使用φ1 000 mm 的鋼管樁進(jìn)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(dá)到4.5∶1,傾斜角度經(jīng)測量后確定為20°。進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yán)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(jìn)行施工。

        1)決定斜樁定位的主要因素包含中心坐標(biāo)、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(zhǔn)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(biāo),將該目標(biāo)所在位置設(shè)定為P點之后,確定兩個能夠精準(zhǔn)測出位置坐標(biāo)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(biāo)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(jìn)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(biāo),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(biāo)、AB距離已知,測量開始時P點坐標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行測量,務(wù)必保證當(dāng)前斜度達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。此外,可以使用船上配備的羅盤儀器對斜樁扭角進(jìn)行定位。考慮到在整個定位期間,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(jìn)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(jìn)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(dá)到相關(guān)要求時,方可進(jìn)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(zhǔn)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(rèn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)技術(shù)

        改良后的沖擊式鉆機(jī)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(dá)到25 mm、高度至少為150 mm 的鋼環(huán),用于加強(qiáng)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(dá)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(dá)到100 mm 的鉆牙(選擇耐磨性能較強(qiáng)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(biāo)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(jìn)行施工,則斜樁沉樁定位效果無法達(dá)到預(yù)期,成孔作業(yè)方面將會出現(xiàn)孔與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不符的情況,導(dǎo)致工程總體質(zhì)量無法達(dá)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(jìn)行改進(jìn)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。

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