吊打沉樁施工工藝在碼頭擴建工程復雜地質中的應用

王春兵

隨著全球經濟的飛速發展，各國碼頭的吞吐需求量日益增加，船舶的噸位也越來越大，對老舊碼頭改造擴建升級成為碼頭可持續發展的重中之重。在老舊碼頭的擴建過程中，由于碼頭的正常運營、場地狹窄等制約因素，常規的沉樁工藝無法實施，吊打沉樁施工工藝的應用較好地解決了在碼頭擴建中沉樁難題。本文通過工程實例介紹吊打沉樁施工工藝在碼頭擴建工程中復雜地質條件下的成功應用。

一、工程概況

我公司承建的某集裝箱碼頭擴建和改造工程包括新建一個4#泊位，擴建2、3#泊位。2、3#泊位為砼預制樁高樁碼頭結構，需要將碼頭前沿擴寬6.0m，碼頭后沿擴寬8.8m，擴建部分主要是補打3排鋼管樁，共251根，碼頭前沿H軸補打一排鋼管樁，共89根，樁徑1200mm，壁厚25.4mm，樁長為37m，沉樁位于前沿港池內，距老碼頭3m；碼頭后沿補打兩排鋼管樁，共162根，其中E軸補打81根鋼管樁，樁徑1000mm，壁厚25.4mm，樁長為33m，E軸鋼管樁需切除鑿除老碼頭縱橫梁后于老樁之間進行沉樁；C軸補打81根鋼管樁，樁徑1200mm，壁厚25.4mm，樁長為31m，沉樁位于老碼頭擋墻后方的堆場內。

二、地質條件

本工程沉樁區域地質較復雜，主要存在回填的塊石層，塊石層的厚度和埋設深度變化較大，給沉樁帶來很大的困難。

1.H軸地質條件

碼頭前沿H軸沉樁區處于碼頭護坡回填塊石層的坡腳處，泥面標高為-14m，-14~-19m為裸露的塊石層，厚度為3~5m，塊石重量為100~500kg，受長期水流和波浪的作用，塊石層護坡變形嚴重，部分護坡坍塌，護坡坡腳處塊石層表面高差大，極不規則；-19~-26m為粉質砂層；-26~-29m為風化巖層；-29m以下為沉積巖層。

2.E軸地質條件

碼頭后沿E軸沉樁區處于碼頭護坡回填塊石層的頂部，為陸域回填部分，泥面標高為+2.0m，+2.0~-13m為回填的塊石層，厚度為14~16m，塊石重量為100~500kg；-13~-24m為粉質砂層；-24~-27m為風化巖層；-27m以下為沉積巖層。

3.C軸地質條件

碼頭后沿C軸沉樁區處于碼頭擋墻后面的堆場內，路面標高為+5.0m，+4.8~+3.8m為級配碎石穩定層，厚度為1.0m；+3.8~-5.0m為回填的雜填土層（小塊石、砂、土），厚度為7-9m；-5~-11m為回填塊石層，厚度為4-6m，塊石重量為100-500kg；-11~-22m為粉質砂層；-22~-25m為風化巖層；-25m以下為沉積巖層。

三、施工方案

1.施工方案優選

碼頭前沿H軸的鋼管樁原計劃采用打樁船進行沉樁，E、C軸采用吊打施工工藝進行沉樁，碼頭前后沿同時進行沉樁，加快沉樁速度?？紤]到碼頭運營具有優先權，施工建設不能影響碼頭的正常運營，打樁船沉樁，必須等待打樁窗口，保證有足夠的時間拖運打樁船和運樁方駁入港池就位、下錨，然后進行沉樁施工。根據港口船期記錄情況，碼頭來往船只比較繁忙，一次沉樁窗口可能要等待很長時間。經過分析決定碼頭前后沿251根鋼管樁全部采用吊打沉樁施工工藝。

2.H軸沉樁方案分析

H軸沉樁的難點是樁位處存在一層厚3-5m裸露的回填塊石層，經過潛水探摸發現，表面高低不平，石塊形狀大小不一，樁位處泥面標高為-14.0m，老碼頭頂面標高為+5.0m，定位架安裝在老碼頭面層上，泥面以上定位架以下鋼管樁自由長度為19m，并且直接插在高低不平的塊石層上，立樁和穩樁及其困難，沉樁樁位和斜率很難保證。項目部制定了多套沉樁方案進行分析優選。

方案一：采用長臂挖機先對樁位處的塊石進行開挖清理，然后進行沉樁，經過仔細研究地質報告和潛水水下現場探摸，樁位位于回填塊石護坡坡腳處，開挖塊石勢必引起護坡的坍塌，造成更大的沉樁困難和護坡結構破壞，同時方駁載挖機進行開挖，仍然影響碼頭的正常運營。

方案二：在老碼頭面層上懸挑簡易平臺，利用沖擊鉆先沖孔穿透塊石層，后進行沉樁施工，考慮到碼頭的正常運營，碼頭前沿系纜時前沿不能進行施工，并且沖孔施工十分緩慢，占用較長的本已緊張的工期，此方案未被選用。

方案三：在樁位處回填3m厚的碎石層，作為沉樁穩樁層，但是H軸為碼頭前沿港池，沉樁完成后必須恢復至回填前的標高，回復港池原來的面貌，同樣存在開挖的難題。

方案四：不進行塊石層的處理，利用鋼管樁強行穿透碎石層，加工特殊定位架，定位架由貝雷架組裝而成，向下加長定位架的高度，增加定位架的整體高度，減小泥面以上鋼管樁的自由長度；加大定位架的整體剛度，貝雷架之間設置多道豎向和水平向剪刀撐，減小定位架自身的變形。限位滾輪由原來的橡膠滾輪全部采用鋼滾輪，強制限制鋼管樁位移。

最后項目部決定采用方案四，對塊石層不進行處理，優化定位架，在塊石層上直接立樁穿透塊石層，進行沉樁施工，通過典型施工，總結沉樁中出現的問題，不斷改進優化定位架系統，H軸沉樁十分成功，能夠保證沉樁樁位偏差和斜率要求。

3.E軸沉樁方案分析

E軸沉樁區主要是存在較厚的塊石回填層，其厚度為14-16m，塊石層標高為+2.0~-13m。本工程選用的柴油錘為D125，穿透塊石的能力大約為7-9m，保證鋼管樁能夠穿透塊石層，沉樁前需要減小塊石層的厚度，E軸老碼頭原有縱橫梁拆除后，利用長臂挖機對樁位進行開挖，開挖至-5.0m標高，然后在開挖好的樁位上回填3m厚的碎石（C軸開挖出的碎石、砂等廢料），作為沉樁穩樁層，然后安裝定位架進行沉樁施工。

4.C軸沉樁方案分析

C軸沉樁區為堆場區，面層面板拆除后，下方為回填的雜填土層，可以作為穩樁層，然后利用老碼頭擋墻作為支撐點，垂直于老碼頭后沿安裝沉樁定位架進行沉樁。由于C軸設計開挖高程為+2.0m，碼頭面層高程為+5.0m，貝雷架組成的定位架高度為4.5m，C軸樁長為31m，定位架立樁后，定位架固定的樁長長度為7.5m，定位架上部懸挑長度為23.5m，鋼管樁懸挑長度過長，套樁、沉樁中存在較大的傾覆隱患。兩種辦法解決懸挑過大帶來的安全隱患問題，一是加高定位架高度，二是降低地面高度，考慮到人員操作安全和定位的準確性，最后采取在樁位處利用長臂挖機進行局部開挖，開挖直徑約為2.5m的導向坑，標高開挖至-2.0m左右。

E、C軸的間距為6.6m,由于沉樁導向架需要在老碼頭及擋墻上植筋焊接安設，過程繁瑣且耗時長，所以采取C、E軸沉樁共用一套沉樁定位架的方案，對應于C、E軸距定位架上安裝兩套限位滾輪裝置，安裝一次沉樁定位架完成兩根鋼管樁沉樁施工，避免了打一根安裝一次導向架繁瑣的工藝，大大提高了沉樁效率。

5.施工工藝流程

圖1 施工工藝流程圖

6.施工準備

（1）施工機具選擇

本工程根據樁基極限承載力要求和入巖要求，以及樁徑、樁長、樁重等情況，綜合考慮后，柴油錘選用D125型號；起重吊機根據樁重、錘重及吊距要求，選用徐工250噸履帶吊機；鋼管樁從現場制樁場由炮車運至現場。

（2）定位架制作

H軸定位架由5層貝雷架組裝焊接而成，高度為7.5m，通長方向由4節拼接而成，長度為12m，寬度方向共6排貝雷片拼接而成，寬度為3.8m，貝雷架由豎向和水平向槽鋼剪刀撐焊接牢固。其中兩層貝雷架長度為12m，上部一層和下部兩層都為6排單節貝雷架焊接而成，限位滾輪利用絲扣可進行10cm調節。

E、C軸定位架由3層貝雷架焊接而成，高度為4.5m，通長方向由4節拼接而成，長度為12m，寬度方向共6排貝雷片拼接而成，寬度為3.8m，貝雷架由豎向和水平向槽鋼剪刀撐焊接加固牢固。其中兩層貝雷架長度為12m，上部一層搭設兩個操作平臺，同時沉設E、C軸鋼管樁。

以上定位架焊接成整體工具式定位架，周轉使用，采用整體式安裝及拆除，避免了一層一層安裝的繁瑣，極大地提高了施工工效。

圖2 定位架安裝側面圖

7.施工控制方法

（1）安裝定位架

定位架安裝前，測量人員在碼頭面層上標出定位架安裝控制點，根據定位架安裝控制點精確安裝定位架，定位架安裝到位后，利用在老碼頭面層上的植筋對定位架牢固焊接加固，并且對定位架立樁位置利用槽鋼斜拉桿牢固支撐，尤其是H軸定位架，在導向架兩側分別利用兩道槽鋼斜拉桿對定位架上端和下端進行焊接牢固支撐，保證沉樁過程中定位架不變形。

（2）樁位精確定位

定位架加固完成后，測量人員在定位架上部限位滾輪處精確放出樁軸線位置，通過調整限位滾輪的絲扣，限位滾輪精確定位樁位。上部限位滾輪精確定位完成后，通過吊線墜完成下部限位滾輪的精確定位。

（3）吊樁、立樁

鋼管樁由炮車運至沉樁現場，250t履帶吊駐位在老碼頭面層上，單點起吊鋼管樁，起吊前在吊環銷子上拴上足夠長的細纜繩，通過活結固定打節法，細纜繩把銷子牢固固定在卡環里，防止銷子在起吊過程中脫落，并且能保證立樁后細纜繩能夠順利抽出銷子脫離卡環。

（4）樁入定位架

鋼管樁插入限位滾輪前，保證鋼管樁的垂直度，穩定后方能插樁，禁止人工外力協助插樁，導致插樁時鋼管樁不垂直，立樁后斜率較大。起重人員指揮吊機調整樁位，使鋼管樁自然穩定狀態下插樁。插樁后鋼管樁如果斜率較大，重新起吊插樁，直到垂直度滿足要求為止，利用系在卡環銷子上的小纜繩，抽出銷子，鋼絲繩與鋼管樁脫離，完成吊樁。

（5）套錘壓樁

立樁完成后，吊機起吊柴油錘，移動柴油錘至鋼管樁頂部，起重人員指揮吊機使柴油錘準確對準鋼管樁，待柴油錘穩定后慢慢套樁，嚴禁柴油錘未穩定進行套樁，柴油錘劇烈碰撞鋼管樁極易導致鋼管樁頂部移位傾斜。

（6）空錘試打

套樁完成后下落錘籠，錘籠穩定后，柴油錘掛在空擋上，啟動柴油錘進行空錘試樁，至少要空錘試打兩次，根據灌入度情況，確定是否需要繼續空錘試打，確保無溜樁現象發生后，正常沉樁。

（7）沉樁

沉樁過程中，專人負責檔位繩，技術主辦全程監視沉樁過程，出現異常，及時通知停錘，避免出現事故。本工程以貫入度作為停錘標準，最后三陣的錘擊數為35擊/10cm、40擊/10、45擊/10。

四、施工重點和難點分析

1.回填層十分復雜

本工程為碼頭擴建工程，存在大量的人工填筑層，尤其是回填的大塊層，碼頭前沿的回填塊石為碼頭護坡塊石，裸露在泥面，碼頭后沿的塊石為填海造地塊石。并且大塊石厚度和標高變化大，給沉樁帶來極大的困難，這就要求沉樁前仔細研究地質報告，潛水員水下探摸，根據不同的地質情況，做到具體問題具體分析，采用不同的處理方法，先對回填塊石層進行處理，然后再安裝定位架進行吊打沉樁施工。

2.復打時懸挑長度大

H軸鋼管樁設計原樁長為33m，為了保證樁位偏差和斜率在誤差范圍內，順利穿透塊石層，貝雷架定位架高度加高至7.5m，移除定位架進行復打時，入泥深度為7.7m，上部懸挑25.3m，鋼管樁頂部套著42t重的柴油錘，柴油錘錘擊時，鋼管樁震動劇烈，土層液化范圍加大，7.7m的入泥深度無法支撐柴油錘的偏移荷載，復打過程中鋼管樁頂部極易傾斜偏位。為了增加土層對鋼管樁的水平支撐力，增加鋼管樁初次沉樁入土深度，已經焊接好的H軸鋼管樁全部加長至37m，保證了樁位偏差和斜率在設計誤差范圍內。

3.取消振動錘穩樁

沉樁中采用振動錘穩樁主要用在土質層中沉樁，先利用振動錘沉樁一定深度達到硬質土層，起到防止溜樁的作用，穩樁后再改用柴油錘沉樁。本工程部分樁位泥面為裸露的回填大塊石，鋼管樁立樁插在塊石上，振動錘工作原理是利用激振力液化土體，自重下沉，對塊石層沒有穿透力，振動力作用在塊石上，反易造成鋼管樁樁底順著塊石斜面滑移，起不到穩樁的作用。利用柴油錘瞬間的巨大的沖擊穿透力，把塊石擊破，反而不會引起樁體滑移，起到了很好的效果。

五、結語

在碼頭擴建沉樁施工中，由于各種限制因素，常規沉樁工藝可能無法開展施工，吊打沉樁施工工藝很好地解決了沉樁困難。本工程在吊打沉樁過程中，仔細分析地質狀況，采取合理的穩樁方式，制作合適的定位裝置，做到具體問題具體分析，吊打沉樁施工工藝在本工程復雜地質中的成功應用，對以后的碼頭擴建工程沉樁施工具有很好地指導意義。