鋼管板樁結(jié)合的新型碼頭結(jié)構(gòu)形式的基樁施工工藝

曾青松，王福強，薛瑞龍

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概況

1.1 項目背景和情況介紹

QICT二期項目位于巴基斯坦卡拉奇市卡西姆港，碼頭長727 m，前沿水深-16.0 m，可靠泊10萬噸級集裝箱船舶，項目投資1.62億美元，工期24個月。合同實施內(nèi)容主要包括727 m集裝箱碼頭岸線，港池挖泥、陸域形成、軟基處理、15萬m2的道路堆場及配套管線設(shè)施。

當時正逢國際物價急劇上漲時期，鋼材、水泥和油料的價格均已超出原來的預(yù)測，原投標價格難以實施。因此，對原投標方案進行了優(yōu)化，將727 m長碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化為鋼管板樁結(jié)構(gòu)，板樁墻用2 m直徑鋼管與AZ26板樁的組合體系代替原設(shè)計的2 m鉆孔灌注樁加鋼護筒連續(xù)布置結(jié)構(gòu)，相對于原設(shè)計減少了鋼材和鋼筋混凝土的用量，碼頭結(jié)構(gòu)總體造價降低了約2 200萬美元，保證了項目的中標。同時設(shè)計指導(dǎo)和施工配合，大大降低了工程實施的風險，加快了施工進度，整個項目已于2010年12月順利完工。原設(shè)計和優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式分別見圖1和圖2。

1.2 主要地質(zhì)情況

第1層為密實的灰色粉質(zhì)細砂 （海洋沉積）。分布不均勻，大致分布在-13.1～-13.7 m區(qū)間，N=32。

第2層為極密實的，偶含貝類、粗礫石和稀疏粉質(zhì)黏土薄層的粉質(zhì)細砂。分布不均勻，大致分布在-13.7～-17.8 m區(qū)間，N=72。

第3層為極密實的，淺灰色的，偶含粉質(zhì)黏土薄層的粉質(zhì)細砂。分布不均勻，大致分布在-17.8～-20.7 m區(qū)間，N=82。

第4層為極密實的，淺黃色的，帶有細到中等礫石的砂性粉質(zhì)黏土。分布不均勻，大致分布在-20.7～-21.9 m區(qū)間，標準貫入器擊入土中70 mm時的錘擊數(shù)N=50。

第5層為極密實的，淺黃色和棕黃色的，不規(guī)則的中粗礫石和大量礫巖碎片的黏性礫石性粗砂。分布不均勻，大致分布在-21.9～-26.7 m區(qū)間，標準貫入器擊入土中70 mm時的錘擊數(shù)N=50。

第6層為極密實的，帶淺黃色斑點亮灰色的，偶帶細砂的粉質(zhì)黏土。分布不均勻，大致分布在-26.7～-31.0 m區(qū)間，標準貫入器擊入土中110 mm時的錘擊數(shù)N=50。

2 鋼管板樁組合體系的特點

鋼管板樁組合體系由3部分組成：鋼管樁、鋼板樁和鎖口，如圖2所示，3個部分的結(jié)構(gòu)組成簡單有效，受力明確。

鋼管樁具有抗彎能力強的特點，作為組合體系中的主要受力構(gòu)件，承受碼頭后方全部的土壓力、水壓力，另外作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，還可以承受較大的豎向荷載。鋼板樁通過鎖扣與鋼管樁相連，鋼板樁承受管樁之間土拱范圍內(nèi)的土體壓力，并通過鎖扣將土壓力傳遞到鋼管樁，鋼板樁可較短，進入墻前沖刷土層下即可。鋼板樁的剛度相對于鋼管樁較小，兩者通過鎖扣連接協(xié)調(diào)變形，鋼板樁分擔的彎矩非常有限，鋼板樁具有較低的抗彎性能即能滿足要求。

鋼管板樁組合體系結(jié)構(gòu)由于其獨特的截面和受力機制，在工程應(yīng)用中有如下特點[2]：

1） 斷面整體協(xié)調(diào)性能好，鋼管樁強度高，對各種水平和垂直載荷的適應(yīng)能力強，能很好地滿足水平抗彎和豎向承載力要求；

2） 通過加大鋼管樁直徑，可滿足泊位不斷深水化的發(fā)展趨勢，鋼材的用量增加非常有限；

3） 作為主體結(jié)構(gòu)的鋼管樁，容易滿足不同地質(zhì)條件下入土深度的要求；鋼板樁作為連接結(jié)構(gòu)，其自身為柔性結(jié)構(gòu)，對施工鋼管樁的不同偏位情況適應(yīng)性強；

4）鋼板樁為擋土結(jié)構(gòu)，入土深度要求不高，施工較簡單；

5） 具有成熟易用的沉樁工藝，受天氣等因素影響小，水上、陸上均可方便施工，能有效控制和縮短工程時間。

3 工程整體施工步驟

1） 對表面淤泥進行清淤，回填碼頭后方砂圍堰，施工倒濾層；

2） 碼頭組合樁體系的施工，回填部分塊石棱體；

3） 施工錨定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，澆筑樁芯混凝土，進行拉桿安裝及張拉，施工后軌道梁灌注樁基礎(chǔ)，接著進行墻后回填；

4） 對拉桿上部區(qū)域及錨定系統(tǒng)后方進行回填；

5） 澆筑胸墻、后軌道梁；安裝鋼軌系統(tǒng)；施工碼頭面層結(jié)構(gòu)；安裝系纜、靠泊等相關(guān)設(shè)施。

工程整體施工后碼頭斷面見圖3。

4 鋼管板樁組合體系主要施工工藝

本工程的重點和難點是前墻樁基工程的施工，前墻樁基施工是碼頭上部混凝土結(jié)構(gòu)和后軌樁基礎(chǔ)等后續(xù)工序展開的關(guān)鍵。根據(jù)設(shè)計要求，為保證鎖扣能正常對接，保證板樁順利沉樁，鋼管樁的沉樁偏位不能大于100 mm，斜度小于1/75，相連兩樁中心距偏差不大于80 mm。而且查閱地質(zhì)資料可知，鋼管樁沉樁區(qū)域地質(zhì)條件比較復(fù)雜，而228根直徑2 m的鋼管樁需要穿透較厚的堅硬地質(zhì)層，在-18~-21 m以下要穿透厚度6~9 m平均標準貫入擊數(shù)大于80～120擊的砂礫石膠結(jié)土層（局部含塊石），施工難度極大。若按照傳統(tǒng)沉樁施工方法難以達到組合結(jié)構(gòu)的精度要求及設(shè)計要求的入土深度；而且本項目為海外工程，大型設(shè)備的調(diào)遣費用極其昂貴，因此首先需要考慮合理利用好項目組在海外現(xiàn)有的設(shè)備以及施工習慣。能否保證鋼管樁穿透堅硬的砂礫石層、保證沉樁偏位滿足設(shè)計要求從而保證按質(zhì)按時完成沉樁施工任務(wù)，成為項目能否成功的關(guān)鍵。

在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，以樁錘為切入點形成了兩個解決方案：A方案采用足夠大的打樁錘，一次沉樁到位；B方案采用現(xiàn)有的D128柴油錘，利用其他輔助措施減少沉樁阻力后進行沉樁施工。

針對A方案，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況分析鋼管樁的可打性，采用沉樁GRLWEAP程序進行了沉樁分析，得出結(jié)論：采用V400A液壓錘，壁厚24 mm的鋼管樁可滿足一次沉樁到位的要求。在對周邊國家市場上40 t的液壓錘進行咨詢后，僅有一家公司擁有該型號的設(shè)備，但其工作任務(wù)相對飽滿，無法按項目沉樁的施工安排到場。因此又考慮了等能量的替代柴油錘D180，但該柴油錘在國內(nèi)的資源也比較有限，由于現(xiàn)有的打樁船的船型相對較舊，如替換成D180的柴油錘，樁架須做較大的改動。但此改動會令該船無法使用小型號的柴油錘，故施工單位也否定了D180柴油錘。

針對B方案，分析了打樁過程中樁的受力，認為鋼管樁的樁端阻力和樁側(cè)摩阻力是樁錘需克服的主要外力。由于碼頭為板樁結(jié)構(gòu)，為了保證鋼管樁的抗彎性能及鋼管樁在沉樁過程中穿透貫入擊數(shù)大于80擊的砂礫石層達到設(shè)計標高，鋼管樁的壁厚無法改變，故無法減小其樁端阻力。該方案只能從減少樁內(nèi)側(cè)摩阻力方面考慮，也就是在初步穩(wěn)樁后（海床面標高為-12 m，地質(zhì)資料顯示硬層面最高標高為-18.0~-21.0 m。6~9 m的土層為粉質(zhì)黏土和密實砂層，具備施工期穩(wěn)樁的條件），利用旋挖鉆機或其他鉆孔施工設(shè)備，將樁內(nèi)土體取出，并預(yù)成孔至設(shè)計標高以上1.0～2.0 m左右，然后再通過D128柴油錘將鋼管樁復(fù)沉到設(shè)計標高。該方案的優(yōu)點是，利用鉆孔設(shè)備取出樁內(nèi)土體，特別是影響施工的較厚砂礫石層的挖除，大大減少了沉樁過程中的側(cè)摩阻力，使較小能量樁錘進行大直徑鋼管樁成為可能，沉樁施工實施風險小。同時，通過設(shè)計驗算，在樁內(nèi)取土后，樁基承載力滿足設(shè)計要求。

最終，初步形成打、挖、復(fù)打的沉樁工藝意見，通過“打挖結(jié)合”的方法進行沉樁施工。

總體施工工藝流程為：首先在鋼管樁岸側(cè)搭設(shè)臨時鋼棧橋，為旋挖鉆機提供一個樁內(nèi)鉆孔操作平臺，然后由打樁船初沉鋼管樁到堅硬土層，利用旋挖鉆機逐根挖樁到指定標高，打樁船再回頭復(fù)打鋼管樁到設(shè)計標高。復(fù)打一定數(shù)量的鋼管樁后，緊接著施工兩樁之間的鋼板樁。

這樣的施工安排就讓鋼管樁初沉、旋挖鉆樁內(nèi)取土、復(fù)打鋼管樁和施打鋼板樁等工序形成流水作業(yè)，提高施工工效。施工流程為：施工準備→臨時棧橋搭設(shè)→鋼管樁初沉→鋼管樁樁內(nèi)旋挖→鋼管樁復(fù)打到設(shè)計標高→鋼板樁施工→施工驗收→進入下一施工工序。

1） 鋼管樁初沉

在初沉過程中，為了達到方案制定的標高，鋼管樁初沉停錘時按照樁底標高為主控制，樁底標高必須達到-21 m，貫入度為輔，在貫入度為2 mm時停錘，初打總錘擊數(shù)控制在1 300擊左右。少數(shù)地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域，樁錘擊數(shù)達到了1 600擊。采取以上措施控制沉樁，一般一根樁從運樁船上取樁到初沉結(jié)束，需要2.5 h左右。樁位偏差基本控制在8 cm以內(nèi)。

2） 鋼管樁樁內(nèi)旋挖

鋼管樁初沉結(jié)束后，旋挖鉆機進行樁內(nèi)取土作業(yè)。因為棧橋的標高是固定的，旋挖鉆機自身能提升的高度以及樁的垂直度都影響旋挖鉆機的施工作業(yè)，因此在初沉樁過程中垂直度和標高必須嚴格按照規(guī)定的指標來控制。根據(jù)地層分布情況，結(jié)合鋼管樁承載力的要求，將挖孔底標高按照高出鋼管樁設(shè)計底標高1.0～2.0 m來控制。單根樁內(nèi)挖土深度約14.5 m，正常的作業(yè)時間在4～5 h，旋挖鉆的作業(yè)效率較高。

3） 鋼管樁復(fù)打

旋挖鉆機在鋼管樁內(nèi)掏渣到位后，對樁的垂直度、偏位進行復(fù)查，根據(jù)測量結(jié)果對鋼管樁的垂直度進行微調(diào)，在符合設(shè)計技術(shù)要求后，開始復(fù)打鋼管樁至設(shè)計底標高-27.0 m，并以底標高控制為主（底標高控制誤差：+400 mm，-50 mm），貫入度為輔，停錘貫入度為2.5 mm。復(fù)打的錘擊數(shù)一般為700～800擊，平均貫入度8～10 mm。

4） 鋼板樁沉樁

鋼管樁復(fù)打到一定數(shù)量后，即可開始鋼板樁施工。鋼板樁施工主要利用臨時棧橋上的100 t履帶吊配備DZ90型振動錘進行。由于施工區(qū)域海風較大，鋼板樁受海風影響，插樁對位時擺動幅度大，定位困難。為此專門為板樁施工設(shè)置了一個插樁對位操作平臺，同時加工鎖口導(dǎo)向滑槽準確實現(xiàn)鋼板樁的鎖口與鋼管樁的鎖口的快速對接。

5 結(jié)語

鋼管板樁碼頭作為一種新型板樁結(jié)構(gòu)，能很好適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)條件，施工便捷，水平抗彎能力強，承載力高，可靠性高，特別是能運用到大、中型碼頭上。而該結(jié)構(gòu)的樁基施工是碼頭上部混凝土結(jié)構(gòu)和后軌樁基礎(chǔ)等后續(xù)工序展開的關(guān)鍵，所以在海外現(xiàn)有的設(shè)備以及施工習慣的基礎(chǔ)上，采用“打挖結(jié)合”的方法進行沉樁施工，保證了直徑2 m的鋼管樁在-18~-21 m以下穿透厚度6~9 m平均標準貫入擊數(shù)大于80～120擊的砂礫石膠結(jié)土層（局部含塊石），并達到了該組合結(jié)構(gòu)的精度要求及設(shè)計要求的入土深度。

[1] 朱英，王福強.鋼管板樁結(jié)構(gòu)有限元計算方法研究[J].水運工程，2011（10）：24-27.

[2] 王福強，李庭輝.鋼管板樁結(jié)構(gòu)特點及其在深水碼頭中的成功實踐[J].港工技術(shù)，2010（6）：24-26.

[3] 劉廷忠，王耀國.彈性介質(zhì)中板樁力位移分析法的研究[J].太原工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1994（3）：81-84.

[4]JTJ292—98，板樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范[S].