海上高樁承臺基礎斜樁吊打新工藝

劉鳳松，丁文智，陳強，趙雨來

（1.天津港（集團）有限公司，天津　300461；2.天津港航工程有限公司，天津　300457）

海上高樁承臺基礎斜樁吊打新工藝

劉鳳松1，丁文智2，陳強2，趙雨來2

（1.天津港（集團）有限公司，天津300461；2.天津港航工程有限公司，天津300457）

為了推動高樁承臺基礎在海上風電工程的應用，克服傳統打樁船施工移船駐位次數多，受風浪影響大的不足，文中提出了海上高樁承臺基礎斜樁吊打新工藝。研究了振動錘沉樁設備，設計了定位樁與限位導架，分析了施工關鍵技術，并在天津大神堂淺海活牡蠣礁獨特生態系統保護與修復項目——海洋監視監控平臺建設項目中應用成功。工程實踐表明，該工藝具有施工速度快，沉樁質量高，施工費用低的特點。

高樁承臺基礎；振動錘；吊打；斜樁；工藝

0　引言

高樁承臺基礎結構是在群樁基礎上后澆混凝土承臺形成的一種水工結構，基樁多采用斜樁，具有承載力高、穩定性好等優點，在碼頭、海上風電等領域得到了廣泛的應用[1]。特別是在海上風電領域，采用多根斜樁抵抗風機水平荷載，受力最為合理，是比較經濟合理的風機基礎形式。但是，高樁承臺基礎傳統工藝都是采用打樁船進行施工，由于海上風電均處于離岸較遠的外海，施工無掩護，風高浪急，作業海況惡劣，導致打樁船可作業時間非常少，施工效率極低，且打樁時容易損壞打樁架或者鋼樁，發生事故，制約了高樁承臺基礎在海上風電領域的推廣使用。在天津大神堂淺海活牡蠣礁獨特生態系統保護與修復項目——海洋監視監控平臺建設項目中，首次采用起重船吊振動錘振沉鋼管樁施工工藝，開發出了高樁承臺基礎斜樁吊打施工技術，為推動高樁承臺基礎在海上風電的應用奠定了基礎。

1　工程概況

天津大神堂淺海活牡蠣礁獨特生態系統保護與修復項目——海洋監視監控平臺建設項目位于大神堂牡蠣礁海洋特別保護區南端，中心漁港防波堤西南方向，距中心漁港防波堤堤頭4 km，垂直漁港航道距離2 km。工程采用高樁承臺基礎結構，8根φ1 000 mm斜樁斜度為4：1。鋼管樁壁厚26～28mm，樁頂標高+5.7 m，樁底標高-42m，樁長49.5m。單樁重22.7 t。見圖1。

圖1 高樁承臺基礎Fig.1　High-rise pile cap foundation

2　斜樁吊打施工工藝

斜樁吊打工藝如圖2所示，采用專門設計的旋轉式打樁導架，由起重船或方駁吊機組吊打樁錘沉樁，可實現船舶一次駐位施打全部鋼管樁，具有施工速度快、打樁精度高、施工安全等優點，尤其適合高樁承臺基礎群樁施工。施工時，首次在群樁基礎中心施打一根定位樁，然后安裝旋轉式打樁導架進行沉樁。旋轉式打樁導架具有伸縮和旋轉功能，可根據施打斜樁的斜度和樁位進行調整，打樁完成，拆除導架，采用振動錘拔出定位樁。

3　關鍵設備選擇與導向架設計

3.1振動錘選型

振動錘沉樁的原理是通過成對的偏心塊旋轉，在橫向力相互抵消，僅上下力存在的情況下，產生上下振動，利用夾樁器夾住樁，使樁產生沿樁身方向的運動，將振動荷載通過樁身傳遞到樁尖土層，使土體發生液化（砂土）或被剪切（黏性土），阻力減小，利用錘和樁的自重實現沉樁施工[2]。

根據日本建機調查株式會社[3]的經驗統計，選擇沉樁振動錘必須滿足以下三個條件：1）振動錘實際振幅大于臨界振幅；2）激振力大于動側阻力；3）沉樁設備及樁總重量大于動端阻力。

對本工程中樁的可打性進行分析[4]，選用上海振中600 kW電動振動錘EP800進行沉樁施工。該錘最大激振力為350 t，能夠滿足施工要求。振動錘參數如表1所示。

3.2導向架設計

圖2 斜樁吊打示意圖Fig.2　Schematic diagram of lifting and d riving ofinclined pile

表1 振動錘參數Table1　Vibratory hammer parameters

為了配合斜樁吊打工藝的實施，設計了用于輔助打樁的限位導架[5-6]。限位導架分為上、下兩層，利用上下兩層導架外伸距離的不同確定基樁的斜度。通過手拉葫蘆可實現限位導架的伸出和收回，操作十分簡便。同時限位導架具有旋轉功能，根據基樁的位置在定位樁法蘭盤上預留螺栓孔，采用方駁吊機組或起重船配合纜繩可將限位導架旋轉到預定樁位。

考慮到本工程施工水位為+2.5 m，為了獲得更多的施工時間，下層限位導架標高定為+3.0 m，同時上層限位導架標高定為+9.0 m。這樣，施工時的基樁與上層限位導架距離為0.939m，當振動錘通過上層限位導架沉樁至設計標高時，上層限位導架與振動錘的間距僅為0.32 m，詳見圖3。上層限位導架的標高受到限制。

圖3　振動錘與上層導架間距Fig.3　Spacing of vibratory hamm er w ith the upper guide

3.3定位樁

定位樁上設置上下2層法蘭盤，法蘭盤根據樁位布置預留螺栓孔，采用螺栓與限位導架連接。沉樁過程中，定位樁承受上、下層限位導架傳遞的水平荷載，因此要求定位樁應該有足夠的強度和剛度。定位樁參數如表2所示。

表2 定位樁參數Table2　Spud parameters

4　施工技術

4.1測量定位

本工程基樁的定位確定是由定位樁的平面位置和限位導架的伸縮機構的外伸長度所決定的。限位導架伸縮機構的外伸長度在施工開始前已根據設計圖紙核實并計算完畢。

定位樁測量定位直接采用GPS在船舷側進行放點定位。起吊定位樁至預定樁位后直接沉樁，沉樁中采用2臺經緯儀直角交匯對樁的垂直度進行控制。

4.2定位樁沉樁

定位樁的沉樁質量決定了全部基樁的位置，因此定位樁沉樁是施工中的重點。定位樁采用振動錘振沉，沉樁過程中保證鉤頭的帶力大于振動錘的自重，鋼管樁的垂直度就可以得到保證。

4.3限位導架安裝

在定位樁沉樁完成后，在潮水低于定位樁下層法蘭盤時進行導架的安裝。用方駁吊機組將導架吊起，在定位樁法蘭盤頂3 cm穩住導向架，通過纜繩調整限位導架的方向，當導向架固定結構上的限位孔與法蘭盤上的限位孔重合時，用限位銷將導架與法蘭盤連接，然后用18個M36螺栓將導向架與法蘭連接牢固。螺栓的擰緊順序是先擰緊施工位置相反側的螺栓，且是從中間向兩邊擰緊；然后再擰緊施工樁位側的螺栓，同樣是從中間向兩邊擰緊。導架安裝見圖4。

圖4　導架安裝Fig.4　Installation ofguides

4.4吊樁立樁

鋼管樁的起吊采用兩點起吊。在鋼管樁頂端切割2個對稱的吊孔作為上吊點，下吊點采用吊耳，并保證2個吊孔布置方向的連線與下吊耳所在樁身軸線垂直。并在上吊點處焊接門架，通過纜繩解除上吊點處的卸扣。鋼管樁立樁采用起重船的2個主鉤。

立樁完成后，移動起重船將鋼管樁吊入穩樁架，然后用捯鏈將鋼管樁與穩樁架固定。穩樁架高15m，考慮到鋼管樁自沉10 m，鋼管樁重心位于固定捯鏈下方，鋼管樁連接可靠。連接時應注意不要太緊，應使鋼管樁能夠自由晃動。

4.5吊錘夾樁

將振動錘吊離穩錘架，然后調整起重船扒桿的幅度以滿足吊高的要求，緩慢起鉤直至振動錘夾具下端距鋼管樁頂15～20 cm。達到高度后，先將夾具的前段導向對準樁頂，下放鉤頭，使鋼管樁樁頂全部進入夾具。在吊錘過程中，方駁吊機組要配合起吊振動錘的電纜來調整振動錘的夾樁方向。

4.6調整斜度

夾具夾緊鋼管樁后，將自沉的鋼管樁拔出。鋼管樁拔出后，將其吊入下層限位導架的微調結構，使其與微調結構內側導向輪接觸，此時，應保持鋼管樁未入泥。然后趴桿，使鋼管樁傾斜，過程中要注意觀察鋼管樁是否入泥。如果入泥，在趴桿的同時要提升鉤頭，始終要保持鋼管樁樁底未入泥。

4.7錘擊沉樁

斜樁吊打的關鍵就是鉤頭的帶力控制。帶力過小，易造成鋼管樁變形過大，同時與龍口接觸位置的鋼管樁易被壓癟。限位導架承受的荷載較大，易發生較大振動；帶力過大，易改變鋼管樁的斜度，使鋼管樁的傾斜度不符合設計要求。隨著入泥深度的不斷增加，鉤頭要緩慢下放，同時要時刻觀察鋼管樁與導向架的接觸情況，當導向架有振動時，要增大扒桿的幅度。整個沉樁過程就是“顛鉤抬桿”，始終保持鉤頭具有足夠的帶力，見圖5。

圖5 沉樁施工Fig.5　Piling construction

4.8拔出定位樁

全部基樁施工完畢后，將限位導架吊放在方駁上，起重船起吊振動錘，將定位樁夾緊。為了確保能夠順利將定位樁拔出，先開啟振動錘振動5 min，然后放松鉤頭，使定位樁繼續下沉10 cm左右，再提升鉤頭拔樁。拔樁初期要注意鉤頭的帶力情況和起重船船頭吃水情況，當鉤頭帶力達到鉤頭額定帶力的80%，且船頭吃水較深，應先停止提升鉤頭，使船頭慢慢恢復，然后再提升鉤頭完成拔樁。定位樁拔出后吊入穩樁架，起重船放下振動錘連接鋼絲繩鎖扣，重新連接定位樁上下吊點，將定位樁平放在方駁上，見圖6。

4.9實施效果

圖6 定位樁拔出Fig.6　Evulsion of spud

本工程的沉樁總工期為23 d，除去大風天氣8 d，平均沉樁時間需要2 d。其中調整限位導架需要1 d，沉樁需要1 d。僅有第8根斜樁沉樁耗時1 d。原因在于第7根斜樁沉樁完畢后，水位處于低潮位，及時對限位導架進行了調整，僅用1 d時間完成沉樁。

沉樁結束后，對8根斜樁的樁頂偏移進行測量，鋼管樁的樁頂偏差情況如表3所示。可以看出，外海作業條件下，采用起重船吊振動錘進行斜樁吊打沉樁施工，鋼管樁的樁頂偏差滿足施工驗收規范的要求。

表3　單樁沉樁時間及偏位統計表Table3　Statisticsof the timeand position deviation of single p ile driving

對工藝中各個工序花費的時間進行統計，得出各個工藝的平均耗時如表4所示。

從表4中可以看出，整個沉樁的時間為234 min（不包括調整導架）。打樁過程中，吊錘夾樁的耗時主要取決于起重船的卷揚機速度。本工程施工沉樁過程中發電機過熱，需停錘待發電機冷卻，故錘擊沉樁的時間有些長。導架調整需要150min。導架的調整時間過長，制約了斜樁吊打的施工效率。

表4　各工序耗時統計情況Tab le4　Time statisticsofeach step

5　結語

通過大神堂海上監視監測項目的順利實施，證實了海上高樁承臺基礎斜樁吊打技術是可行的，同時規劃出施工操作的質量控制點，總結出一套施工效率高、質量好的斜樁吊打工藝，為今后施工同類項目打下了堅實的基礎，推動了高樁承臺基礎在外海深水區域的應用。

[1] 史佩棟.樁基工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2008. SHI Pei-dong.Pile and pile foundation handbook[M].Beijing:China Communications Pres,2008.

[2]劉寶和，邊強，袁孟全.振動沉樁錘的選型及應用[J].中國港灣建設，2008（3）：38-41. LIU Bao-he,BIAN Qiang,YUAN Meng-quan.Selection and application of vibratory piling hammers[J].China Harbour Engineering,2008(3)：38-41.

[3] 王胤.振動打樁機下沉鋼管樁實用計算方法[J].河港工程，1996（3）：11-22. WANG Yin.Practical calculation method of steel piles drivability by vibratory hammer[J].River and Harbor Engineering,1996(3): 11-22.

[4]陳福全，雷金山，汪金衛.高頻液壓振動錘沉樁的打入性狀分析[J].鐵道科學與工程學報，2009，6（1）：41-46. CHEN FU-quan,LEI Jin-shan,WANG Jin-wei.Penetration behavior due to vibratory pile driving using the high frequency hydraulic vibratory hammer[J].Journal of Railway Science and Engineering,2009,6(1):41-46.

[5]張連江，孫建波，徐波.移動導向架高精度沉樁技術在外海橋梁工程中的應用[J].中國港灣建設，2015，35（6）：46-50. ZHANG Lian-jiang,SUN Jian-bo,XU Bo.Application ofmoving guide frame method for high precision pile-sinking in offshore bridge engineering[J].China Harbour Engineering,2015,35(6): 46-50.

[6]張鐵軍，徐波，史虎彬.固定導向架高精度沉樁技術的研發與應用[J].中國港灣建設，2016，36（1）：59-62. ZHANG Tie-jun,XU Bo,SHIHu-bin.Developmentand application of high precision sinking pile technology of fixed guide frame [J].ChinaHarbourEngineering,2016,36(1):59-62.

New technology for lifting and driving of inclined pile in high-rise pile cap foundation of offshore

LIU Feng-song1,DINGWen-zhi2,CHENQiang2,ZHAOYu-lai2
（1.Tianjin Port(Group)Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.Tianjin Port&Channel Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300457,China）

In order to promote the application ofhigh-rise pile cap foundation in offshorewind power project,to overcome the shortage of traditional pile driving barge construction such as the large number ofbarge shift and the large impact ofwaves,we put forward new technology of lifting and driving of inclined pile in offshore elevated pile cap foundation.We studied the vibratory hammer equipment,designed the spud and limiting guide,analyzed the key construction technologiesand successfully used in shallow live oysters reefuniqueecosystem protection and restoration projects ocean in Dashentang of Tianjin，which is a surveillancemonitoring platform construction project.Engineering practice shows,this process has the characteristics of fast construction speed,high pile quality and low construction cost.

high-rise pile cap foundation;vibratory hammer;lifting and driving;inclined pile;technology

U655.4

B

2095-7874（2016）10-0060-05

10.7640/zggw js201610014

2016-07-29

2016-09-06

劉鳳松（1974— ），男，天津市人，碩士研究生，高級工程師，水利工程專業。E-mail：13802009767@163.com