高樁碼頭鋼管斜樁施工關(guān)鍵技術(shù)分析

唐勝中，陳江峰，岳志超

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

1 引言

高樁碼頭的構(gòu)成要素包含上部結(jié)構(gòu)（以樁臺(tái)或承臺(tái)為主）、樁基、接岸結(jié)構(gòu)、岸閘、碼頭設(shè)備等構(gòu)成。通常情況下，高樁碼頭主要以上部結(jié)構(gòu)構(gòu)成碼頭面，并與樁基連接，形成一個(gè)整體，用于承受碼頭面在垂直以及水平方向承受的荷載應(yīng)力，這些荷載經(jīng)由碼頭面，最終傳到樁基處。因此，樁基既要用于支承上部結(jié)構(gòu)，又要用于將系統(tǒng)整體承受的載荷傳到地基深處，并在這個(gè)過程中保護(hù)岸坡的整體穩(wěn)定性。總體而言，高樁碼頭適用于地基強(qiáng)度較低的軟土地區(qū)，為進(jìn)一步保證施工質(zhì)量，需對(duì)鋼管斜樁施工過程進(jìn)行梳理。

2 某碼頭工程項(xiàng)目概況及設(shè)計(jì)方案簡析

2.1 碼頭工程基本情況

某高樁碼頭工程項(xiàng)目位于我國南方某城市，碼頭整體施工設(shè)計(jì)擬采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)。前期勘測(cè)結(jié)果顯示：（1）碼頭岸線總長度達(dá)到400 m，寬度為35 m；（2）泊位設(shè)計(jì)方面，5 000 t的集裝箱泊位共計(jì)兩個(gè)，1 000 t 的雜貨泊位1 個(gè)；（3）不同陸域（共計(jì)4 個(gè)）之間的相互連接擬設(shè)計(jì)3 座牽引橋，編號(hào)分別為1、2、3。

2.2 碼頭工程樁基設(shè)計(jì)

本碼頭樁基工程預(yù)計(jì)使用型號(hào)為PHCI200 的直管樁以及φ1 000 mm 的斜管樁，前者使用數(shù)量為220 根，后者使用數(shù)量為175 根。在引橋處使用的樁分別為型號(hào)PHC800 的管樁以及φ800 mm 的灌注樁，前者數(shù)量為176 根，后者數(shù)量為39根。前期勘察結(jié)果還顯示，本碼頭工程岸邊陸域土層結(jié)構(gòu)均為粉砂巖，且符合中度風(fēng)化標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)行沉樁試驗(yàn)施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)樁能夠自然嵌入中度風(fēng)化粉砂巖的深度為0.5 m，少部分沉樁深度超過1.5 m。依靠自然嵌入巖層的深度，工程模擬建設(shè)結(jié)果顯示，碼頭整體穩(wěn)定性不足。因此，需要進(jìn)行樁基嵌巖施工。該階段施工需使用φ1 000 mm 的鋼管樁進(jìn)行斜樁嵌巖施工，對(duì)應(yīng)的鋼管樁數(shù)量為170 根。斜樁的斜度比達(dá)到4.5∶1，傾斜角度經(jīng)測(cè)量后確定為20°。進(jìn)一步勘測(cè)及試驗(yàn)結(jié)果為，總樁長度為25～30 m，嵌巖深度能夠深入中度風(fēng)化的粉砂巖下方至少5 m。

3 高樁碼頭鋼管斜樁施工期間的重點(diǎn)技術(shù)

3.1 鋼管高斜樁的具體定位方式

3.1.1 鋼管高斜樁定位施工方面的難點(diǎn)

上文提到，本碼頭工程擬設(shè)計(jì)使用的斜樁數(shù)量共計(jì)170 根，斜度比為4.5∶1，扭角為20°。距離排架中心的最小距離僅為6.5 m。使用BIM 虛擬建筑信息模型軟件對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況構(gòu)建虛擬模型，多次嘗試之后發(fā)現(xiàn)，由于直樁、斜樁在交叉位置的最小距離并未超過40 cm（實(shí)際測(cè)量值為38.49 cm），故在進(jìn)行水上沉樁作業(yè)時(shí)，對(duì)精度的要求極高。此外，由于沉樁作業(yè)外側(cè)施工期間極易受到主航道過往船只、施工船只的影響，導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)行沉樁作業(yè)時(shí)的難度可能會(huì)超過模擬施工的難度。一旦出現(xiàn)精度控制不佳的情況，便會(huì)有一定概率造成意外碰樁，導(dǎo)致樁移位，輕則留下質(zhì)量隱患，重則導(dǎo)致之后的嵌巖施工、上部結(jié)構(gòu)施工均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量。

3.1.2 具體的鋼管高斜樁定位施工技術(shù)

為了解決上述鋼管高斜樁定位施工方面的難題，應(yīng)按照下列流程依次進(jìn)行施工。

1）決定斜樁定位的主要因素包含中心坐標(biāo)、傾斜度、水平扭角[1]。這3 個(gè)因素均為核心控制因素，必須精準(zhǔn)測(cè)量。具體的測(cè)量設(shè)備為全站儀，需在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置兩臺(tái)，主要方法為前方交會(huì)控制法。該測(cè)量方法的原理如下：確定一個(gè)測(cè)量目標(biāo)，將該目標(biāo)所在位置設(shè)定為P點(diǎn)之后，確定兩個(gè)能夠精準(zhǔn)測(cè)出位置坐標(biāo)的點(diǎn)位，分別記為A、B。將兩臺(tái)全站儀設(shè)置在A、B兩個(gè)點(diǎn)位處，調(diào)整兩臺(tái)全站儀的觀測(cè)角度，使兩臺(tái)設(shè)備從不同的方向都能觀察到P點(diǎn)，并在該點(diǎn)形成交會(huì)。由于A、B之間的距離以及A、B兩點(diǎn)的平面坐標(biāo)都已確定，故通過對(duì)A、B、P三個(gè)點(diǎn)位構(gòu)成的三角形的∠PAB以及∠PBA進(jìn)行測(cè)量，之后根據(jù)三角形的邊角關(guān)系原理即可求得距離PA與PB的具體值。在這些數(shù)值的基礎(chǔ)上，可求得P點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)，具體如圖1 所示。

圖1 基于雙全站儀的前方交匯控制測(cè)量法原理圖

從理論上來說，A、B兩點(diǎn)的位置可以自由決定。但為了保證測(cè)量精度，要求A、B、P三個(gè)點(diǎn)形成的三角形ABP中，∠APB的具體值必須控制在60°～120°[2]。需要注意的是，A、B兩點(diǎn)的水平面橫縱坐標(biāo)、AB距離已知，測(cè)量開始時(shí)P點(diǎn)坐標(biāo)未知。調(diào)整A、B全站儀觀察視角，在P點(diǎn)處完成交會(huì)后，可測(cè)量∠PAB與∠PBA大小。

2）進(jìn)行打樁作業(yè)之前，首先，應(yīng)在斜樁排架所在直線的延長線上放置兩個(gè)花桿，編號(hào)分別為1 和2。兩個(gè)花桿之間的連線與斜樁排架所在直線延長線的部分區(qū)段重合。在此基礎(chǔ)上，需將兩個(gè)花桿的連線設(shè)置成參照線，目的在于對(duì)斜樁排架在整體上進(jìn)行線性控制。其次，完成打樁船的定位之后，需借助設(shè)置在打樁船上的樁架測(cè)傾儀，按照上文提到的4.5∶1 的斜度比，完成對(duì)樁架斜度的調(diào)整。再次，應(yīng)使用人工量角器多次對(duì)樁的傾斜度進(jìn)行測(cè)量，務(wù)必保證當(dāng)前斜度達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。此外，可以使用船上配備的羅盤儀器對(duì)斜樁扭角進(jìn)行定位?？紤]到在整個(gè)定位期間，船體的相對(duì)位置始終保持固定狀態(tài)，故針對(duì)船尾固定點(diǎn)的角度進(jìn)行測(cè)量及調(diào)整時(shí)，同樣可以使用全站儀。

3）針對(duì)碼頭斜樁的傾斜度、扭角等完成調(diào)整之后，需使用全站儀設(shè)備對(duì)斜樁的中心點(diǎn)進(jìn)行精確定位。具體原理如圖2所示。具體的方法與上文所述的前方交會(huì)控制法基本一致，但具體使用的參數(shù)需引入設(shè)計(jì)高程。當(dāng)斜度、扭角、平面位置都達(dá)到相關(guān)要求時(shí)，方可進(jìn)行試壓樁作業(yè)，測(cè)量結(jié)果符合要求后，可全面開展沉樁施工作業(yè)。

圖2 中，花桿1 和花桿2 構(gòu)成的直線便是對(duì)照線，與斜樁排架延長線的一部分重疊，儀器1 和儀器2 為兩臺(tái)全站儀，α1和α2分別表示從儀器1 和儀器2 對(duì)準(zhǔn)樁后，與樁點(diǎn)位（樁兩側(cè)邊緣）之間的直線距離。

圖2 基于打樁船、雙全站儀斜樁中心點(diǎn)確認(rèn)作業(yè)原理圖

3.2 鋼管高斜樁的嵌巖成孔方法

3.2.1 鋼管高斜樁嵌巖成孔施工的難點(diǎn)

斜樁嵌巖階段的施工難點(diǎn)在于：受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，常規(guī)的直樁撞錘無法有效使用[3]。經(jīng)過系統(tǒng)性評(píng)估，技術(shù)人員給出的解決方案為：（1）改為回旋鉆孔工藝；（2）對(duì)原有的沖擊成孔工藝進(jìn)行改善。如果采用第二種方法，應(yīng)該考慮下列兩個(gè)問題：首先，若要滿足沖錘的沖擊力，應(yīng)該對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行什么程度的調(diào)整？其次，能否有效降低沖擊過程中位置偏差的發(fā)生率。具體而言，由于是斜樁施工，故常規(guī)直樁施工情況下的鋼筋籠、導(dǎo)管保持順暢及居中的狀態(tài)能否延續(xù)。除此之外，由于采用普通測(cè)錘+吊繩的方式并不能有效針對(duì)混凝土的埋管深度進(jìn)行檢驗(yàn)，故必須尋找新的替代方法。

3.2.2 鋼管高斜莊嵌巖成孔施工改進(jìn)技術(shù)

改良后的沖擊式鉆機(jī)成孔斜樁嵌巖施工技術(shù)原理為：首先，需要充分考慮圓筒錘的重量分布是否維持均勻狀態(tài)。在以圓筒作為導(dǎo)向的前提下，錘的剛度和沖擊精確程度二者之間可保持平衡。由此產(chǎn)生的積極影響是，針對(duì)垂直方向力度和精度的控制要求，會(huì)在一定程度上降低。按照物理學(xué)原理，在重量相同的情況下，筒錘作用于物體之上產(chǎn)生的沖擊力相較于錐形錘偏低。但圓筒本身具有很強(qiáng)的配重作用，故在實(shí)際作業(yè)期間會(huì)增大沖錘的作用力。在本工程中，為了進(jìn)一步提升成孔質(zhì)量，最終決定使用6 t 的筒錘。選擇此種型號(hào)筒錘還基于如下考量：筒錘外表面整體呈圓筒狀，在縱向每間隔250 mm，便需焊接型號(hào)為φ18 mm 的螺旋紋鋼。作用在于：在錘沖擊作用的過程中，可以使錘在一定程度上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在此種狀態(tài)下的錘作用于斜樁時(shí)，能夠有效避免斜樁表面被“刻印”梅花形狀的孔，且還可以大幅度降低鋼管與導(dǎo)向孔之間的摩擦力。

為了避免樁錘發(fā)生位置偏移及錘被卡死的現(xiàn)象，必須增加圓筒的長度，使導(dǎo)向作用更加明顯。具體如圖4 所示。需要注意，能夠發(fā)揮導(dǎo)向作用的圓筒錘長度必須至少達(dá)到3 m 以上，且圓筒管徑不得低于900 mm。完成導(dǎo)向筒的制作之后，需要在導(dǎo)向筒的錘頭一端焊接厚度至少達(dá)到25 mm、高度至少為150 mm 的鋼環(huán)，用于加強(qiáng)導(dǎo)向筒的抗沖擊能力。此外，還應(yīng)在下方安裝厚度為35 mm，高度達(dá)250 mm 的鉆牙基座，并搭配與鉆牙基座數(shù)量相對(duì)應(yīng)，厚度達(dá)到100 mm 的鉆牙（選擇耐磨性能較強(qiáng)的合金鋼材料制作）。如此一來，斜樁嵌巖成孔施工便可順利開展。

圖4 斜樁圓筒錘圓筒長度增加示意圖

4 結(jié)語

高樁碼頭鋼管斜樁施工工程與其他工程一樣，決定施工技術(shù)是否合適的重要觀察指標(biāo)在于：能否在工期要求內(nèi)順利完工，工程實(shí)際花費(fèi)是否控制在預(yù)算范圍內(nèi)。在本工程中，考慮到斜樁沉樁定位、成孔等方面存在的難點(diǎn)，如果選擇常規(guī)方法進(jìn)行施工，則斜樁沉樁定位效果無法達(dá)到預(yù)期，成孔作業(yè)方面將會(huì)出現(xiàn)孔與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不符的情況，導(dǎo)致工程總體質(zhì)量無法達(dá)到預(yù)期。在充分考慮各項(xiàng)施工難點(diǎn)，對(duì)相應(yīng)階段施工工藝進(jìn)行改進(jìn)之后，使所有施工階段既符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，又可以滿足設(shè)計(jì)要求，可有效控制成本，并未影響工期。