吊打沉樁施工工藝在碼頭擴建工程復(fù)雜地質(zhì)中的應(yīng)用

王春兵

隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)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(xù)發(fā)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(guī)的沉樁工藝無法實施，吊打沉樁施工工藝的應(yīng)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(fù)雜地質(zhì)條件下的成功應(yīng)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(yù)制樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)，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(nèi)，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(nèi)。

二、地質(zhì)條件

本工程沉樁區(qū)域地質(zhì)較復(fù)雜，主要存在回填的塊石層，塊石層的厚度和埋設(shè)深度變化較大，給沉樁帶來很大的困難。

1.H軸地質(zhì)條件

碼頭前沿H軸沉樁區(qū)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(guī)則；-19~-26m為粉質(zhì)砂層；-26~-29m為風化巖層；-29m以下為沉積巖層。

2.E軸地質(zhì)條件

碼頭后沿E軸沉樁區(qū)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(zhì)砂層；-24~-27m為風化巖層；-27m以下為沉積巖層。

3.C軸地質(zhì)條件

碼頭后沿C軸沉樁區(qū)處于碼頭擋墻后面的堆場內(nèi)，路面標高為+5.0m，+4.8~+3.8m為級配碎石穩(wěn)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(zhì)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(yōu)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(yōu)先權(quán)，施工建設(shè)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(jù)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(jīng)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(jīng)過潛水探摸發(fā)現(xiàn)，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(wěn)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(yōu)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(jīng)過仔細研究地質(zhì)報告和潛水水下現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(wěn)樁層，但是H軸為碼頭前沿港池，沉樁完成后必須恢復(fù)至回填前的標高，回復(fù)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(shè)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(yōu)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(jié)沉樁中出現(xiàn)的問題，不斷改進優(yōu)化定位架系統(tǒng)，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(qū)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(wěn)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(qū)為堆場區(qū)，面層面板拆除后，下方為回填的雜填土層，可以作為穩(wěn)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)向架需要在老碼頭及擋墻上植筋焊接安設(shè)，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(yīng)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(dǎo)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(jù)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(jù)樁重、錘重及吊距要求，選用徐工250噸履帶吊機；鋼管樁從現(xiàn)場制樁場由炮車運至現(xiàn)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(jié)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(jié)貝雷架焊接而成，限位滾輪利用絲扣可進行10cm調(diào)節(jié)。

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(jié)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(shè)兩個操作平臺，同時沉設(shè)E、C軸鋼管樁。

以上定位架焊接成整體工具式定位架，周轉(zhuǎn)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(cè)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(jù)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(dǎo)向架兩側(cè)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(diào)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(xiàn)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(huán)銷子上拴上足夠長的細纜繩，通過活結(jié)固定打節(jié)法，細纜繩把銷子牢固固定在卡環(huán)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(huán)。

（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(wěn)定后方能插樁，禁止人工外力協(xié)助插樁，導(dǎo)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(diào)整樁位，使鋼管樁自然穩(wěn)定狀態(tài)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(huán)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(wěn)定后慢慢套樁，嚴禁柴油錘未穩(wěn)定進行套樁，柴油錘劇烈碰撞鋼管樁極易導(dǎo)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(wěn)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(jù)灌入度情況，確定是否需要繼續(xù)空錘試打，確保無溜樁現(xiàn)象發(fā)生后，正常沉樁。

（7）沉樁

沉樁過程中，專人負責檔位繩，技術(shù)主辦全程監(jiān)視沉樁過程，出現(xiàn)異常，及時通知停錘，避免出現(xiàn)事故。本工程以貫入度作為停錘標準，最后三陣的錘擊數(shù)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(fù)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(zhì)報告，潛水員水下探摸，根據(jù)不同的地質(zhì)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(fù)打時懸挑長度大

H軸鋼管樁設(shè)計原樁長為33m，為了保證樁位偏差和斜率在誤差范圍內(nèi)，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(fù)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(fù)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(jīng)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(shè)計誤差范圍內(nèi)。

3.取消振動錘穩(wěn)樁

沉樁中采用振動錘穩(wěn)樁主要用在土質(zhì)層中沉樁，先利用振動錘沉樁一定深度達到硬質(zhì)土層，起到防止溜樁的作用，穩(wěn)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(wěn)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(jié)語

在碼頭擴建沉樁施工中，由于各種限制因素，常規(guī)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(zhì)狀況，采取合理的穩(wěn)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(fù)雜地質(zhì)中的成功應(yīng)用，對以后的碼頭擴建工程沉樁施工具有很好地指導(dǎo)意義。