超長鋼管樁在海港工程中的應用

■黃 彬

（福建省交通規劃設計院，福州 350004）

髙樁梁板式碼頭在海港工程中應用廣泛，樁基類型主要有預制混凝土樁、鋼管樁、灌注樁等，樁基長度一般在70m以內。福州港羅源灣港區是福建省重點建設的港區之一，港區具備良好的風浪掩護條件及水深條件，由于灣內軟土覆蓋層深厚，普遍采用髙樁碼頭的結構型式，部分碼頭樁基長度大。本文以最大樁長達96m的福州港可門作業區14#泊位工程為例，從工程設計、試驗樁檢測、施工關鍵技術等多方面分析，為碼頭超長鋼管樁的實施應用提供技術支撐?？蔀轭愃乒こ痰脑O計及施工提供借鑒。

1 工程概況

福州港羅源灣港區可門作業區14#泊位位于福建省羅源灣南岸，為專業化散貨泊位[1]，主要為后方的華電可門火電廠提供煤炭運輸服務，碼頭長250m，寬32m，水工結構按靠泊10萬噸級散貨船設計。

由于港區軟土覆蓋層深厚，合理確定碼頭結構型式成為本工程建設的關鍵技術問題之一。結合地質條件、荷載條件、工程造價等因素分析，碼頭采用髙樁梁板式結構、樁基采用超長鋼管樁。

2 主要設計條件

2.1 設計水位

設計高水位+3.04m（高程基準為1956黃海平均海平面，下同），設計低水位-3.34m。

2.2 工程地質條件

工程場地屬濱海及淺海地貌單元，地表為淤泥所覆蓋，海底地形較平緩，碼頭區域地面標高為-10.3m～-13.1m[2]?？辈靾蟾骘@示碼頭區范圍自上而下主要土層為：流塑狀淤泥，一般厚度5～8m，標貫擊數1擊；流塑狀淤泥質粘土，一般厚度20～32m，標貫擊數3擊；軟塑狀粉質粘土、粘土，一般厚度10～15m，標貫擊數5擊；可塑狀粉質粘土、粘土，一般厚度17～38m，標貫擊數11擊；硬塑狀粉質粘土、粘土，一般厚度18-36m，標貫擊數26擊；此外局部分布有稍密-中密狀砂礫層，厚度較??；下伏基巖為燕山晚期中粗粒-中細?；◢弾r及其風化層。

2.3 荷載條件

設計荷載主要包括卸船機荷載、10萬噸級船舶作用力、碼頭面均布荷載、流動機械荷載等；其中卸船機（1600t/h橋式抓斗卸船機）荷載較大，共40個輪，每個支腿10個輪子，最大輪壓（kN/輪）見表1。

表1 卸船機軌道荷載

3 超長鋼管樁的設計

3.1 碼頭結構選型

碼頭區地質主要特點為軟土層厚度大（約52～70m）、基巖面埋深大（約64～76m），碼頭宜采用高樁梁板式，砂土狀強風化及中風化花崗巖可作為樁基持力層。

圖1 碼頭結構斷面圖

目前高樁碼頭常用樁型有：預應力鋼筋砼方樁、后張預應力砼大管樁、先張預應力高強管樁（PHC）、鋼管樁、灌注樁。預應力鋼筋砼方樁承載能力較小，不滿足要求；后張預應力砼大管樁和先張預應力高強管樁（PHC）承載能力可以達到要求，但預制樁每節最長在50～60m左右，均需接樁，樁基自重在94～100噸，增加了沉樁吊樁的難度，能適應的打樁船不多。由于軟土層厚度大，若采用灌注樁鋼護筒長度大，且無法按斜樁施工，按全直樁設計則樁身直徑大，造價高?？紤]到碼頭荷載大、樁基長度大且需穿透部分砂礫層，要求樁基承載力高且具有較好的穿透能力，經比較設計選用直徑為1200mm的鋼管樁。

3.2 超長鋼管樁的內力計算

（1）樁力計算

該項目各排架間距均勻（間距為10m）、樁基沿橫梁布置相近，橫向排架內力采用平面結構計算[3]。采用豐海PJJS排架計算程序進行計算，碼頭樁力計算結果見表2。

表2 碼頭結構樁基計算結果

（2）單樁軸向極限承載力計算[4]

單樁軸向極限承載力設計值按《港口工程樁基規范》（JTS167-4-2012）第4.2條承載力參數法進行計算，計算式如下：

公式中各參數含義詳見文獻[4]。

經計算典型斷面單樁軸向極限承載力設計值為8535KN，大于碼頭最大樁力，符合承載力要求。

3.3 鋼管樁尺度設計

（1）鋼管樁長度

鋼管樁長度主要根據持力層深度確定，樁尖持力層為強風化巖，碼頭鋼管樁長度為75～96m。

（2）鋼管樁厚度

厚度考慮強度需要并預留鋼管樁腐蝕余量，經計算取上節壁厚為22mm，上節長40m，下節壁厚為20mm。

（3）鋼管樁材料及焊接方法

鋼管樁材料選用Q345B鎮靜鋼，制作采用螺旋焊縫形式，鋼管樁卷制焊接采用自動雙面埋弧焊工藝。所有焊縫均應進行100%超聲波探傷，超聲波檢查有疑問的位置應進行射線探傷，確保焊縫質量等級符合規范要求。

（4）吊點設計

鋼管樁采用二點吊工藝，考慮預留長度，最長樁基長度按98m，根據《港口工程樁基規范》（JTS 167-4-2012）附錄F.0.1,水平吊運和吊立時彎矩分別按下式計算：

水平吊運：M=0.0215αγqL2吊立過程：M=0.0250αγqL2水平吊運和吊立過程中動力系數a分別取1.3及1.1，經計算吊運過程最大彎矩為2058kN·m。

按 《水運工程鋼結構設計規范》（JTS152-2012）[5]第4.3.6.1條驗算抗彎強度：

經計算抗彎強度76MPa＜295 MPa，符合吊運強度要求。

3.4 耐久性設計

耐久性按照50年使用期的要求設計，鋼管樁采用犧牲陽極陰極保護與涂層的聯合防腐蝕措施。鋼管樁防腐蝕范圍劃分浪濺區段（含大氣區和水位變動區）、水下區段和泥下區段。

防腐蝕設計范圍需考慮施工、地質等不利因素，適當留有富裕長度，具體防腐蝕范圍劃分見圖2。

圖2 碼頭樁身防腐涂層位置示意圖

鋼管樁在預留4mm腐蝕裕量的前提下，輔以其它必要的防腐蝕措施以保證鋼管的設計使用年限，防腐蝕主要措施如下：

（1）涂層保護

涂層保護范圍為：浪濺區段+水下區段。

除銹應達Sa2.5級，采用設計使用年限達25年的厚漿型環氧玻璃鱗片組合方案（底層：富鋅漆，75μm；中間層：環氧玻璃鱗片涂料，350μm；面層：厚漿型環氧玻璃鱗片涂料，700μm），總膜厚＞1125um。

（2）犧牲陽極陰極保護

犧牲陽極陰極保護范圍為：水下區段。

水下區段采用犧牲陽極陰極保護與涂層聯合防腐蝕措施，犧牲陽極陰極保護設計使用年限為25年，達到設計使用年限或損壞應及時更新和修復。

4 試樁檢測

該項目樁基長度大，超過了大部分高樁碼頭，且需穿透的覆蓋層厚，以強風化花崗巖為持力層，施工難度大，需先進行試樁，并進行高應變動力檢測。該項目碼頭樁基共246根，選取7根進行試打并作基樁高應變動力檢測。

試樁檢測主要結果匯總見表3。

經試樁驗證，各樁基均能順利沉樁，樁身完整性、單樁垂直極限承載力均滿足設計要求。

表3 試樁檢測主要結果匯總

5 超長鋼管樁施工關鍵技術

5.1 確定合理的打樁順序

該項目碼頭排架間距為10m，布置有斜樁及縱向叉樁，鋼管樁長度大、基樁在平面或立面上間距較小，且存在較多相互交叉施工影響，確保順利沉樁是施工關鍵技術之一。

設計時充分考慮打樁的可行性及空間上是否會交叉碰樁，施工前先做好施工組織，利用打樁船的準確參數在CAD里繪制出船型，采用圖上模擬對位，逐根驗證樁基平面扭角的施工可行性，及方駁喂樁的位置。通過詳細核驗，制定詳細規劃沉樁順序，確保各根樁按順序順利施打。

5.2 鋼管樁制作及運輸

根據安排好的沉樁順序，由廠家按照施打的先后順序進行制樁。為確保樁基質量，超長鋼管樁按照“整樁制作、整樁運輸、整樁施打”的要求進行制作及運輸，避免現場進行二次對接。所有鋼管樁全部采用螺旋焊縫鋼管，鋼板材質均采用Q345B鎮靜鋼，樁身防腐在廠家完成，鋼管樁制作完成并通過各項驗收合格后由專用碼頭吊樁裝駁。采用2,500t駁船從制樁廠家運到施工現場。

5.3 鋼管樁防腐涂層的保護

鋼管樁防腐涂層的保護也是施工過程中需注意的重點問題，該項目主要采取了以下措施：

（1）為避免防腐涂層在運輸過程中與樁身固定鋼絲繩摩擦造成防腐涂層脫落，采用土工布包裹鋼絲繩（見圖 3）；

圖3 樁身防腐涂層保護

（2）在上層鋼管樁裝船時，要求吊樁安放時對準下層樁縫隙準確輕放，避免上層樁吊耳對下層樁防腐涂層造成刮蹭磨損；

（3）打樁船抱樁器與鋼管樁接觸部位采用滑動導向輪；安排專人全程跟蹤檢查樁身防腐涂層，發現磨損部位要及時補刷。

上述措施最大程度降低了樁身防腐涂層的摩損，保證了防腐涂層的質量。

5.4 打樁設備選型

超長樁型對施工設備的要求高，根據施工需要選定主要施工船舶，配備如表4所示：

表4 鋼管樁沉樁主要船機配備

5.5 吊樁及沉樁

由于樁長大，部分超過運樁船甲板面長度，起吊時，需先吊起船頭這一端后再將船尾懸空的一端吊起，以防樁端橫移撞擊船頭建筑物。吊樁完畢，移船至擬施打位置后，樁船收緊各錨纜，隨后再進行精確測量定位。沉樁測量定位采用“雙控”方式，即GPS定位，全站儀復核，確認定位準確后，開始下樁。

下樁過程中注意觀察樁錘、替打和樁是否在同一軸線上，且需不斷帶緊樁船錨纜，通過帶緊錨纜對樁錘中心線進行微調。樁錘采用D138，在錘擊沉樁過程中注意觀測貫入度，等樁穿過淤泥層或黏土層后再加大錘擊能量。

圖4 打樁船及打樁錘

沉樁控制標準為：沉樁時樁尖應進入強風化花崗巖或中風化花崗巖，沉樁以貫入度控制，樁頂設計高程作為校核。沉樁控制貫入度要求，最后一陣錘擊平均貫入度≤3mm，若樁端未達到設計標高時，應繼續錘擊貫入100mm或錘擊50擊，其平均貫入度不應大于控制貫入度。

通過精心組織、并進行紙上推演，規劃布置出最合理的沉樁順序及工作安排，該項目用4個月時間順利完成了碼頭全部鋼管樁的施工。

6 結語

（1）針對軟土覆蓋層深厚，巖面埋深大，樁身超長的髙樁碼頭，采用鋼管樁結構是合適的，可以滿足樁基承載力及穿透深厚土層的要求。

（2）由于鋼管樁超長，設計需充分考慮鋼管樁制作、施工因素，為確保樁基質量，應按照“整樁制作、整樁運輸、整樁施打”的要求進行鋼管裝制作及運輸、施打。

（3）應通過試樁確定超長鋼管樁施打技術方案、沉樁控制標準等主要技術參數，并驗證樁基承載力是否滿足設計要求。

（4）為確保鋼管樁耐久性，可采用犧牲陽極陰極保護與涂層的聯合防腐蝕措施，樁身防腐應在廠家完成，運樁、吊樁、打樁過程中應采取有效措施保護防腐涂層。

[1]福建省交通規劃設計院.福州港羅源灣港區可門作業區14＃泊位工程施工圖設計文件[R].福建：福建省交通規劃設計院，2014.

[2]福建省交通規劃設計院.福州港羅源灣港區可門作業區14＃泊位巖土工程勘察報告[R].福建：福建省交通規劃設計院，2013.

[3]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.JTS 167-1-2010，髙樁碼頭設計與施工規范[S].北京:人民交通出版社，2010.

[4]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.JTS 167-4-2012，港口工程樁基規范[S].北京:人民交通出版社，2012.

[5]中交水運規劃設計院有限公司.JTS 152-2012，水運工程鋼結構設計規范[S].北京:人民交通出版社，2012.