洋山港三期碼頭工程拋石區樁基施工技術

仇小桂，李聰

（廣州南華工程管理有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概況

洋山深水港區三期碼頭工程順接已建一期碼頭的東部，位于鑊蓋塘島與小巖礁島之間[1]。三期碼頭第一分段為過渡段，長84 m，寬66 m，面層設計標高+8.1 m，樁基為φ1 800 mm鋼管樁，設計樁長69 m，大部分區域為一期工程護岸拋石區，拋石底面標高-16.5～-5.5 m，厚度8～24 m。

為使鋼管樁穿透拋石層，需在拋石層沖擊成孔，沖孔直徑≥2 000 mm。沖孔需基本穿透該拋石層（孔底預留3～4 m），沖孔完成后再相應分節逐根吊打φ1 800鋼管樁，沖孔數量39根。

2 施工工藝方案

2.1 施工工藝流程

水下地形測量及探摸→局部清理拋石→拋填3～4 m袋裝砂人工基床→施工平臺鋼結構加工→施打部分承臺、碼頭鋼管樁→拼裝貝雷組合梁→鋼套管焊接組裝→安裝鋼套管支架、施打支撐樁→安裝貝雷梁、鋪設型鋼及鋼板等→鉆機就位、沖擊成孔→分節吊打鋼管樁→拆除鋼平臺、轉場施工承臺樁，施工碼頭上部結構[2]。

2.2 局部水下削坡清石、袋裝砂人工基床拋填

在不影響岸坡穩定和一期碼頭、接岸結構安全的前提下，適當削坡清石，清石后頂面標高為-15 m，將部分區域表層拋石置換成3～4 m厚袋裝砂人工基床，減薄拋石層厚度，改善沉樁條件，可直接錘擊沉樁增加6根，達到降低工程成本、加快施工進度的目的。同時也為后續沖孔施工平臺的搭設（鋼套管支架的支撐樁及第一級外護筒底部穩定）和沖擊成孔（阻止泥漿透漏）創造條件，提高施工平臺和鋼護筒的穩定性。

2.3 鋼平臺施工

1） 鋼平臺設計

經水下地形測量和探摸，沖擊成孔的鋼施工平臺搭建在具有雙向斜坡（岸側向海側約1∶4，西向東約1∶6）的拋石層上，垂直支撐樁難以打入拋石層一定深度，鋼平臺的垂直支撐樁與水平橫向支撐無法一次拼裝成型后安裝就位，因此采用鋼套管支架方式建立鋼平臺的支撐系統。為減少鋼套管支架的支撐樁長度，將鋼套管支架順碼頭前沿線方向布置在碼頭岸側。為利于支撐樁和頂層型鋼受力狀況，鋼平臺的每榀鋼套管支架設計為雙層水平橫向撐和9根支撐樁結構。根據設計高水位和臺風期間波浪高度等指標，鋼平臺頂面高程為+6.0 m，寬45 m，長84 m，共3 780 m2。

2） 鋼平臺搭設

鋼套管支架安裝順序：先安裝靠近碼頭已沉鋼管樁排架的1榀鋼套管支架，用已沉鋼管樁定位和加固，再逐榀安裝鋼套管及施打支撐樁。

鋼套管支架和鋼支撐樁安裝工藝：根據第一榀鋼套管支架平面位置，在已沉樁排架岸側4根樁上焊接好鋼套管定位和加固鋼撐，在鋼套管支架4個角部，分別臨時擱置和電焊固定槽鋼作臨時工作平臺。將4根角部支撐樁插入鋼套管內，用鋼抱箍固定支撐樁，起重船起吊鋼套管支架暫置于水中（鋼套管支架自身可浮在水中，上層鋼水平撐有半個斷面浮出水面），用已沉樁排架上的定位鋼撐臨時進行平面定位，放松支撐樁上鋼抱箍將支撐樁直接落至人工拋填袋裝砂頂面。振動錘分別施打4根支撐樁穿透袋裝砂層，盡可能進入拋石層一定深度。起重船再次起吊鋼套管支架到設計標高，調整平整度后及時與已沉樁排架的聯系撐及鋼支撐樁焊接牢固，再用起重船起吊和振動打入剩余5根鋼支撐樁，并將支撐樁與鋼套管焊接成整體。同樣安裝其它鋼套管支架，支架之間采用鋼板電焊連接，靠近一期碼頭的鋼套管支架與預留防撞樁用鋼支撐電焊連接，如圖1。

圖1 導管架安裝Fig.1 Jacket installation

2.4 沖孔施工

1） 鋼護筒設計

根據經驗[3]，考慮在護筒與拋石的摩阻力等作用下，沖擊成孔時每級鋼護筒的跟進進尺一般約在3～4 m，為保證孔內水頭和防止拋石淺層（5～6 m以上范圍）內空隙串孔漏漿，需采用內外二級護筒。同時為防止沖孔過程中出現意外，沖孔樁各級護筒直徑按三級護筒跟進工藝設置（一般采用二級護筒跟進，拋石厚度大于15 m的樁用三級護筒跟進）。由于沖孔樁樁徑較大，為防止護筒底部在錘擊跟進時出現卷邊現象，鋼護筒采用δ20 mm16Mn鋼板制作。本工程拋石層下臥土層為軟弱淤泥層，沖擊成孔接近孔底時，下臥軟土層在沖擊作用下將會下沉，可能導致上層的樁孔出現塌孔現象，為此孔底需留3～4 m厚拋石層不沖擊成孔，此后直接沉鋼管樁穿透拋石層。

鋼護筒配置與拋石厚度的關系確定：①拋石厚度在10 m以內的樁采用一級鋼護筒，鋼護筒跟進3～4 m，最大沖擊成孔總深度6～7 m；②拋石深度在10～15 m的樁采用二級鋼護筒，一、二級護筒跟進總進尺6～7 m，沖擊成孔總深度7～12 m；③拋石厚度大于15 m的樁，首先仍用二級鋼護筒，沖擊成孔至拋石底部以上3～4 m時停止沖擊。當出現塌孔或泥漿滲漏量大無法形成有效循環系統時，沉放第三級鋼護筒跟進沖擊3 m左右，孔底留3～4 m拋石層。每級鋼護筒的第一節護筒長度L1、L2、L3和護筒數量根據局部削坡處理的標高確定，第一級、第二級、第三級鋼護筒直徑分別采用2 330 mm、2 200 mm、2 070 mm。沖孔時每節跟進接長的鋼護筒分節制作，每節長度為1 m，跟進時現場焊接。

2） 鋼護筒沉放

在鋼平臺的貝雷梁之間，設置兩層導向架，用起重船將第一級鋼護筒的第一節吊入定位孔內，調整護筒垂直度后，用振動錘錘擊沉放，穿透袋裝砂層，盡量進入拋石層，控制振動錘錘擊能量，防止筒底卷邊，同時要盡可能防止偏心受力，以保證護筒的垂直度。

第二級鋼護筒的第一節仍用起重船吊入樁孔內，跟進接長的鋼護筒（每節長度1 m）用吊車起吊就位后焊接，用振動錘振動跟進。

3） 護壁泥漿

本區域的拋石縫隙較大，為保證在沖孔時形成較為穩固的孔壁，以及防止泥漿流失，需對拋石間的縫隙進行注漿充填固結并進行護壁。

泥漿選用：①沖抓清渣階段，用水泥黏土類漿液；②氣舉反循環或正循環清渣階段，用重晶泥漿。沖孔全深度范圍內均進行泥漿充填固結。

4） 沖擊鉆頭

采用“五瓣特制”沖擊鉆頭，鉆頭直徑比相應的各級鋼護筒內徑小50 mm，定制加工、整體鑄造，上設導向筒。該鉆頭設計構想：①五瓣鉆頭可提高沖擊破石的工作效率；②在拋石頂層4～5 m范圍內的樁孔護壁尚未穩固，極易產生透水塌孔現象，每進程沖擊時鉆頭導向筒不全出鋼護筒，如出現塌孔現象，仍可保證不會埋鉆；③鉆頭底部直徑比導向筒直徑大200 mm，在沖擊時達到擴孔效應，增加鋼護筒跟進進尺。

在拋石深層鋼護筒無法跟進時（或無鋼護筒沖擊成孔時），采用無導向筒的五瓣鑄鋼鉆頭，此時在一定區域內拋石的空隙基本得到填充，拋石之間得到固結，樁孔已能形成較為穩定的護壁。

5）沖擊成孔和清渣

各深度范圍內沖孔和清渣工藝如下：

①淺層沖擊成孔和清渣工藝（沖擊深度0～4 m）。第一級鋼護筒（外護筒）沉放后，在淺層沖孔時泥漿處于大量滲透和注漿填充拋石空隙階段，樁孔四周難以形成有效護壁，孔內泥漿無法起到浮渣作用，該階段采用沖抓錘邊沖擊邊抓撈石渣工藝進行沖擊成孔和清渣。在該深度范圍內用沖擊擠壓和滲透注漿工藝固結孔壁，即邊沖擊清渣邊填充固結和護壁材料，使樁孔四周的拋石空隙內填充足夠的凝結材料，形成一定的結構層，以保證樁孔頂層拋石的穩定。

②第二階段沖擊成孔和清渣工藝（沖擊深度4～7 m）。當第一級護筒（外護筒）在各種阻力作用下無法跟進時，沉放第二級鋼護筒（內護筒）。該深度仍處于容易出現塌孔階段，此時采用五瓣帶導向裝置的鉆頭在護筒內沖擊破石，每進程最大達到50～80 cm時，及時跟進護筒，確保鉆頭的導向筒不全出鋼護筒，以防塌孔埋鉆。該階段采用氣舉反循環清渣工藝，重晶泥漿比重控制在1.7～1.9 g/cm3。如樁孔護壁已形成，且泥漿循環系統已建立，亦可采用正循環排渣沖擊成孔（采用重晶泥漿）。第二級鋼護筒內沖孔工藝如圖2所示。

圖2 鋼護筒內沖擊成孔示意圖Fig.2 Sketch of impact hole in steel casing

③第三階段沖孔和清渣工藝（沖擊深度大于7 m）。當第二級鋼護筒在錘擊作用下仍無法跟進，且泥漿已充填入樁孔四周拋石層一定范圍，上層拋石已基本固結，形成不透水層，孔內泥漿能起到護壁作用，正循環沖孔防漏漿條件基本具備，可用無導向筒的鉆頭直接沖擊成孔，該階段用正循環清渣工藝，泥漿比重仍控制在1.7～1.9 g/cm3（重晶泥漿），當泥漿中石渣含量達到25%左右時，需循環更換新漿，繼續沖擊成孔。

6） 護筒跟進

在第一和第二階段，每沖擊進尺50～80 cm，即進行護筒跟進。在鋼護筒自重作用下已不能跟進時，用汽車吊起吊振動錘錘擊鋼護筒，將鋼護筒沉放到孔底。每級鋼護筒除第一節根據孔深加工制作，跟進接長的鋼護筒每節加工長度1 m，采用汽車吊吊裝后在孔口焊接接長。

7）沖孔過程出現主要問題的原因、預防及處理

①鋼護筒無法跟進

產生原因：由于鉆頭直徑小于鋼護筒直徑，遇大的探頭石，鋼護筒受阻后無法跟進。

處理方法：向孔內拋填塊石，利用沖錐（8 t）沖擊時產生的鍥脹力，將探頭石推到鋼護筒壁以外或沖碎。

②斜孔

產生原因：由于拋石層的不均勻性，石塊大小不一，強度不均，沖孔時極易產生斜孔現象。

處理方法：每次跟進鋼護筒時，必須測量鋼護筒垂直度，偏斜＞0.5%時，將鋼護筒上提，向孔內拋填塊石，重新沖孔糾偏。

③卡鉆

產生原因：從孔壁向下掉石塊。

預防措施：加強造壁，使孔壁密實、牢固，增大泥漿密度和膠體率，并采用鋼護筒跟進沖孔工藝，即邊沖擊進尺、邊沉放鋼護筒。

處理方法：在鉆頭腰帶上掛2～3只錨鉤，強行上拔。

④漏漿、塌孔

產生原因：拋石間隙充填不密實，造壁不密實。

處理方法：向孔內拋填塊狀膨潤土、碎石、水泥，用沖擊鉆頭沖擊擠壓，封堵拋石縫隙、密實孔壁，同時采用“加重泥漿”懸浮石渣。如仍無法解決時，則采用灌注水下混凝土工藝填充漏漿和塌孔部位，等待3 d后再沖擊成孔。

⑤鋼護筒底部卷邊產生原因：錘擊能量過大，貫入度控制不好。處理方法：利用沖擊鉆頭直接沖擊磨碎，磁鐵撈渣。

2.5 吊打鋼管樁

由于受現場條件限制，打樁船無法就位直接沉樁，故采用起重船起吊打樁錘吊打鋼管樁（簡稱吊打）。碼頭樁為φ1 800δ22（δ20）鋼管樁，設計樁長69 m，根據起重船船型及工程地質情況，鋼管樁分二節吊打。

1） 錘型選擇

因樁尖需穿透3～4 m拋石層，用柴油錘錘擊沉樁時鄰近樁孔存在安全隱患。同時沖孔區靠近一期碼頭和承臺結構，對拋石區岸坡穩定和結構安全不利，故選用SH30型液壓錘（最大錘擊能量約為360 kN·m）施打鋼管樁，并配置專用替打和吊籠。

2）鋼管樁分節吊打工藝

第一節樁施打工藝：當某一樁孔沖擊成孔至預設的孔底標高時，起吊鋼管樁垂直沉放至孔底，調整樁身垂直度及穩樁后，起吊和就位替打及液壓錘，啟動液壓錘沉樁，樁頂標高達到+7.0 m時停止沉樁。鋼管樁需打穿拋石層，施打鋼管樁時由于樁尖滑動導致樁身側向位移，需密切觀察樁身對鋼平臺的側向擠壓作用，如擠壓作用較大則需拆除鋼護筒與鋼平臺的連接，避免鋼平臺在側向力作用下發生整體位移。

第二節樁施打工藝：局部區域成批樁孔完成且第一節樁施打后，集中施打第二節樁，避免對沖孔樁施工的干擾。為利于上、下節管樁的對接，施打上節管樁前，在下節已沉管樁的頂部外側焊接4個定位卡口。起吊上節鋼管樁插入下節管樁的卡口內，使樁底與第一節管樁對接。根據設計要求，立即焊接上、下節鋼管樁。經無損檢測合格后，開始施打整根鋼管樁直至設計標高。

2.6 施工期間結構安全監測

由于施工位于一期碼頭工程東圍堤的護岸拋石區，削坡清石、沖擊成孔和錘擊沉樁期間，在東側圍堤和鄰近碼頭、承臺等結構上分別布設3～4個沉降位移觀測點。在施工期間，嚴格按設計要求進行觀測，并定期將觀測資料報有關部門審核；同時對一期碼頭面層開裂、鋼平臺連接脫焊和拋石泥面變化等情況進行定期檢查。施工期間均未發現異常情況。

3 結語

洋山港三期碼頭工程拋石區沖孔沉樁，工藝復雜，工況條件差，工期緊，施工難度大。沖孔吊打沉樁工藝遇到拋石層厚度之厚、樁徑之大且數量之多也是首次。根據設計要求，現場對全數（39根）上、下節管樁焊縫進行超聲波檢測，結果符合相關技術要求；11根樁尖未達到設計標高的樁做高低應變動測，承載力滿足設計要求，樁身完整性良好；說明本工程的沖孔吊打沉樁施工是成功的。但沉樁的正位率有待提高，吊打設備還需改進。

[1] 程驍.上海洋山深水港工程建設和施工技術[C]//2004年海峽兩岸地工技術/巖土工程交流研討會論文集.北京：中國建筑業協會深基礎施工分會，2004：314-317.CHENG Xiao.Building and construction technology of Yangshan deepwater port project in Shanghai[C]//Cross-strait geotechnology of 2004/Proceedingsof geotechnical engineeringexchangeconference.Beijing：Deep Foundation Construction Branch of China Construction Industry Association，2004：314-317.

[2]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.洋山深水港一期工程碼頭結構設計[R].2003.CCCCThird Harbor Consultants Co.，Ltd.Wharf structuredesign of phase IYangshan deepwater port project[R].2003.

[3] 尹海卿，徐明賢.水上拋石區沖孔吊打樁施工技術[J].港工技術與管理，2006（6）：31-37，40.YIN Hai-qing，XUMing-xian.Punching pile beating and hanging construction technology at water riprap area[J].Technology＆Management of Port＆ Harbor Engineering，2006（6）：31-37，40.