涌浪海域淺覆蓋地層離岸碼頭樁基施工技術

林樹奎，江群龍，劉修成,2

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040;3.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100120）

引言

無遮掩外海碼頭施工，受長周期波浪影響，浮式施工船舶有效作業天數少[1]。傳統打樁船施工工藝[2]無法滿足沉樁精度要求，且存在較大安全風險。此外，海相沉積地層相對復雜，碼頭樁基施工帶來極大挑戰，尤其是淺覆蓋層、堅硬土層條件下打樁作業。巴基斯坦胡布燃煤電廠煤碼頭項目，地處阿拉伯海沿岸，季風期長周期波浪特征明顯，6～8 月波浪譜峰周期大于8 s 出現的概率超過90 %，由于淺覆蓋層，鋼護筒達到穩定深度需穿透堅硬的風化礫巖層。因此，需探索一種能有效克服惡劣海況以及硬質地層條件的離岸碼頭樁基施工方法。

1 工程概況

1.1 工程簡介

巴基斯坦胡布燃煤電廠碼頭項目為專用煤炭碼頭，供應新建火力電廠能源，項目包括引堤、引橋、碼頭和防波堤的施工，如圖1 所示。碼頭含2個10 000 t 泊位，總長265 m，寬24 m。共34 個排架，樁基總計136 根，排架間距為8 m，同排架樁間距6 m。

圖1 項目示意圖

碼頭為高樁梁板式結構，主要由樁基、系梁、橫梁、縱梁、面板及附屬結構組成。碼頭采用鉆孔灌注樁基礎，樁徑為1.35 m，樁長23.5～25.5 m；鋼護筒直徑1.45 m，壁厚14 mm，護筒頂標高+5.742 m，設計入土深度4.1～5.7 m。

1.2 水文條件

根據NOAA 的波浪后報資料，工程區域波浪常浪向為SSW 向，次常浪向為SW 向，頻率分別為32.6 %和25.5 %。5～9 月為季風期，波浪譜峰周期大于8 s 概率較高，其他月份波浪周期主要集中在6～8 s，譜峰周期不同月份分段頻率分布見圖2。

圖2 譜峰周期頻率分布

1.3 地質情況

地質勘察揭示碼頭區域土層分布為：表層5 m左右范圍內主要為細砂中粗礫石、強風化礫巖，部分孔位存在中風化礫巖，其下為較厚的中風化泥質粉砂泥巖。典型鉆孔0～10 m 芯樣見圖3。

1.4 工程重難點

1）長周期涌浪特征明顯，不利于船舶水上作業。

2）碼頭施工海域地質情況復雜，海床覆蓋層淺，鋼護筒施沉困難。

3）碼頭樁基設計要求高，平面位置偏位小于50 mm，垂直度偏差小于1/200，清孔質量要求高。

4）離岸碼頭樁基施工時間緊，交叉工序多，工期壓力大。

2 施工方案

2.1 施工工藝選擇

項目前期，采用“航工樁4”打樁船進行試樁施打，取樁時受涌浪影響，打樁船樁架左右擺動，導致吊鉤在空中擺動幅度較大，掛鉤困難。下樁時，樁與樁架、龍口碰撞明顯，且樁船上GPS 定位顯示樁位平面偏差超過1 m，無法滿足精度要求，不能采用打樁船方案打樁[3]。

自升式平臺在頂升狀態能避免涌浪對船體的影響，能保證沉樁作業精度[4]，但其移位工況對波浪條件要求較高（波高≤0.5 m）。而碼頭鋼護筒施工需要頻繁移位，勢必會降低施工效率。考慮到后續鋼護筒、鋼筋籠的運輸，混凝土澆筑以及工期安排，為了減少涌浪給施工帶來的不確定性，需盡可能將水上施工轉為陸上施工，經過深入研究，項目采用“釣魚法”從陸域搭設鋼棧橋作為施工便道，同時，采用自升式平臺配合步履式頂推平臺進行碼頭樁基施工的方案。

2.2 工藝流程

自升式平臺在施工區域駐位后，履帶吊配合液壓沖擊錘進行起始鋼管樁的打設，用于支撐樁頂步履式頂推平臺拼裝。平臺前部為鋼護筒打設區，當鋼護筒難以施沉至設計標高時，需采用旋挖鉆機進行引孔作業，而后再復打至設計標高。后部為鉆孔施工區，旋挖鉆機成孔后，進行檢孔、清孔作業，再由棧橋上的履帶吊、混凝土罐車分別進行鋼筋籠下放、混凝土澆筑，完成后排4 根樁基施工。當前排打樁和后排樁基施工完成后，步履式頂推平臺移至下一排樁位，工藝流程見圖4。

圖4 碼頭樁基施工工藝流程

3 施工關鍵技術

3.1 步履式頂推平臺應用

步履式頂推平臺主要由樁頂頂推裝置、液壓系統、承重平臺、作業平臺、導向架等組成，其中頂推裝置包含樁帽和三向千斤頂[5-6]，作業平臺上放置150 t 履帶吊、SH36 型旋挖鉆機、永安YC17 液壓沖擊錘及其動力站，如圖5 所示。

圖5 步履式頂推平臺施工示意圖

當前排鋼護筒打設完成后，切割樁頭，保證標高精度在±10 mm 內。平臺頂推前檢查工作就緒后，將平臺向前頂推一個樁間距，具體步驟如下：

1）在前排樁上安裝樁頂頂推定位系統；

2）將履帶吊、旋挖鉆機臨時固定在平臺中部；

3）解除承重平臺主梁的鎖緊裝置，豎向千斤頂將承重平臺托起；

4）當平臺主梁脫離搖臂時，水平頂推千斤頂將豎向頂升基座向前推進30 cm；

5）豎向千斤頂收縮，平臺緩慢地落在搖臂上；

6）水平頂推油缸復位后重復以上步驟，直至平臺向前頂推8 m，進行下一排架打樁施工；

7）拆除后排樁頂頂推裝置，并進行后排護筒鉆孔作業。

移位過程中，應保證12 套頂推裝置的同步性，并由專人負責觀察平臺的橫向偏位情況，并及時通過橫向調位千斤頂進行調節，同時由測量人員監測其平面位置，整個過程應緩慢進行。單個排架樁基施工用時僅8 天，其中頂推平臺移位1 天，前排鋼護筒施沉3 天，后排鉆孔灌注樁施工4 天。

3.2 鋼護筒施沉精度控制

鋼護筒沉設時，首先通過頂推平臺的平面移位以及導向架在滑軌上移動，對導向架進行初定位。鋼護筒經由棧橋運輸至現場，履帶吊完成豎樁，并送入導向架龍口內，再通過調節導向架龍口調位裝置對鋼護筒進行精調位，使沉樁精度滿足設計要求。吊車起吊液壓沖擊錘進行套錘作業，并對護筒定位精度進行復測。打樁初期，采取“重錘輕打”方式，測量人員須隨時監測護筒的平面位置和垂直度，出現偏差過大情況時，及時進行調整，必要時將鋼護筒拔起重新定位。隨著護筒入土深度加大，下沉速度減慢，可逐漸適當增加錘擊能量。

3.3 硬質地層沉樁工藝

為了滿足頂推平臺穩定性要求，即護筒入土深度不小于3.5 m。除了地勘揭示部分孔位淺埋層存在中風化礫巖外，施工過程中，發現海床局部有裸露砂巖礁盤，這類硬質地層給鋼護筒的沉設帶來極大困難。

在施打34-A 鋼護筒入土30 cm 時，貫入度減小明顯，且樁身發生傾斜，隨即停止打樁作業，將護筒拔起后，發現底口卷邊。經潛水員水下探摸，樁位處表層為硬質礁盤，沖擊錘無法將其擊碎，而后采用DZ-90振動錘夾持底口帶有錐齒鋼護筒將礁盤破碎，再用沖擊錘將其復打至目標深度。

旋挖鉆機對部分鋼護筒進行鉆孔作業時，進尺2 m 左右后無法鉆進，并且出現鉆齒損壞現象，鉆渣以砂礫石為主，伴有膠結程度良好且難以破碎的礫石塊。采用振動錘將鋼護筒拔起，護筒底口均出現嚴重的卷口現象，對護筒底口進行割除并接長，下放至原樁位，采用邊旋挖鉆進引孔，破壞沉樁時樁端阻力，再采用振動錘對鋼護筒進行跟進，直至護筒進入較為穩定的中風化泥質粉砂泥巖層1 m。

采用ANSYS/LS-dyna 動應力模塊對 打樁過程進行模擬，經分析，當護筒單錘進尺小于5 mm 時，保證護筒底口不變形所能承受的最大錘擊能量不宜超過180 kJ。在后續的打樁過程中，為防止底口卷口風險，控制打樁時錘擊能量，并記錄每10 擊時的貫入度。當累計進尺小于5 cm，且未達到要求設計入土深度時，采用旋挖鉆機引孔配合護筒跟進的施工工藝。

3.4 鉆機成孔與清孔施工

采用清水鉆進成孔，在鉆孔和清孔的過程中，通過潛水泵向護筒內補水，以維持護筒內外水頭差，防止塌孔。施工過程中通過鉆機自身的垂直控制系統檢查成孔的垂直度，確保成孔質量。成孔時應做好記錄，接近設計樁長時，控制鉆進速度，當鉆孔至設計標高并經監理確認后開始清孔，沉渣厚度不大于10 cm，樁長超挖控制在20 cm 內。在吊入鋼筋骨架及導管后，灌注水下混凝土之前，應再次檢查孔底沉渣厚度，超過規定應進行第二次清孔，清孔后應在最短時間內灌注混凝土。

3.5 導管安裝與混凝土澆筑

混凝土澆筑采用專用的螺旋絲扣導管，內徑300 mm，標準節長2.6 m，最下節長4.5 m，配備0.5 m、1 m、1.5 m 非標準節。導管的總長度由鉆孔深度決定，管底距孔底應控制在30～50 cm。導管采用無縫鋼管制成，快速螺紋接頭，導管接頭處設2道密封圈，保證接頭的密封性。首封灌注混凝土的數量要能滿足導管埋置深度不得小于1 m，根據首批封底混凝土方量的要求，選用4 m3的大集料斗。

樁基混凝土為C40 海工混凝土，除滿足強度要求外，混凝土初凝時間應大于4 h，坍落度控制在20 cm 左右，且應具有良好的和易性、流動性，到場溫度控制33℃以下。灌注混凝土過程中，導管埋置深度宜控制在3～6 m，隨著混凝土的澆筑，導管埋深超過一定深度后，逐級快速拆卸導管，并在每次提升導管前，用重量不小于4 kg 測錘測量孔內混凝土面高度。

4 結語

巴基斯坦胡布燃煤電廠碼頭項目采用鋼棧橋、自升式平臺和步履式頂推平臺相配合的施工工藝，有效解決了涌浪條件下離岸碼頭樁基施工難題。利用碼頭樁位規則排布的特點，步履式頂推平臺以已施沉的鋼護筒為支撐，克服了打樁船、自升式平臺移位工況受作業窗口條件限制的弊端，使樁基施工多工序在空間上互不沖突，在時間上能流水化、全天候作業，提高了施工效率，保障碼頭樁基施工安全和質量。

針對碼頭施工區域的硬質地層，通過在護筒底口焊接錐齒，并在振動錘的激振力作用下破除海床表層裸露砂質礁盤，當護筒遇到埋深較淺的中風化礫巖層，沉樁進尺困難時，采用旋挖鉆機邊引孔邊跟進的手段，使鋼護筒順利施沉至設計標高。