大直徑鋼管樁在復雜地質條件下施工的探討(最新版)

1、大直徑鋼管樁在復雜地質條件下施工的探討周偉1 呂劍1 周維2（1中交第四航務工程勘察設計院，廣州 510230；2中交第二航務工程局，武漢 430071）摘 要：碼頭大直徑鋼管樁在復雜地質條件下的施工在國內并不多見，特別是采用鉆打結合的方法進行施工更是少有。本文通過巴基斯坦QICT二期項目這個實例，分別對大直徑鋼管樁在復雜地質條件下的設備選型、施工方法和最終承載力復核進行了分析和探討，希望對今后同類型的結構型式問題的解決提供可借鑒之處。關鍵詞：QICT二期項目；大直徑鋼管樁；復雜地質；鉆打結合Installation of Large Diameter Steel Tube Piles wit

2、h Complicated Geological ConditionsZhou Wei1 Lv Jian1 Zhou Wei2（1. CCCC-FHDI ENGINEERING CO.,LTD, Guangzhou, China 5102302. CCCC-SNEB ENGINEERING CO.,LTD, Wuhan, China 430071）Abstract: It is rare to use large diameter steel tube piles, in particular with the method of drilling and driving, for the c

3、onstruction of terminals with complicated geological conditions in China. This article, taken Qasim International Container Terminal 2 Project in Pakistan as an example, sheds light on the selection of construction equipment, method statement of construction and checking of the ultimate bearing capa

4、city for the large diameter steel tube piles installed through complicated geological conditions in the hope of providing experience for the solution of issues in the construction of similar structure in the future.Key words: QICT Terminal 2 Project; large diameter steel tube pile; complicated geolo

5、gical condition; drilling and driving 91 問題提出的背景1-21.1 工程概況QICT二期項目位于巴基斯坦卡拉奇市QASIM港，為現有QASIM港國際集裝箱一期碼頭的擴建工程，工程內容主要包括填筑16萬m2后場場地建造成集裝箱堆場、建造長727米的碼頭及將泊位疏浚至水深基準點下16米處以保證吃水深度14米船舶通航，通過以上改、擴建，將現有碼頭建造成吞吐量為117.5萬個標準箱的新集裝箱碼頭。碼頭胸墻樁基為外直徑2016mm鋼管樁和AZ26形鋼板樁，鋼管樁共228根，壁厚24mm，設計底標高-27m，長度30.1m，全部為直樁； AZ26型鋼板樁共456根

6、，2根合為1組，壁厚6mm，設計底標高-19m，長度22.1m，鋼管樁和鋼板樁通過鎖扣進行連接如圖1所示。圖1 鋼管樁和鋼板樁連接示意圖1.2 地質條件由于本項目基槽開挖到-12.0m再行施打鋼管樁，所以沉樁受影響的地質條件由上到下主要如下：第一層為密實的，灰色的，粉質細砂 (海洋沉積)。分布不均勻，大致分布在-13.1m-13.7m區(qū)間，N=32。第二層為極密實的，偶含貝類、粗礫石和稀疏粉質粘土薄層的粉質細砂。分布不均勻，大致分布在-13.7m-17.8m區(qū)間，N=72。第三層為極密實的，淺灰色的，偶含粉質粘土薄層的粉質細砂。分布不均勻，大致分布在-17.8m-20.7m區(qū)間，N=82。第四

7、層為極密實的，淺黃色的，帶有細到中等礫石的砂性粉質粘土。分布不均勻，大致分布在-20.7m-21.9m區(qū)間，標準貫入器擊入土中70mm 時的錘擊數N=50。第五層為極密實的，淺黃色和棕黃色的，不規(guī)則的中粗礫石和大量礫巖碎片的粘性礫石性粗砂。分布不均勻，大致分布在-21.9m-26.7m區(qū)間，標準貫入器擊入土中70mm 時的錘擊數N=50。第六層為極密實的，帶淺黃色斑點的亮灰色的，偶帶細砂的粉質粘土。分布不均勻，大致分布在-26.7m-31.0m區(qū)間，標準貫入器擊入土中110mm 時的錘擊數N=50。由以上地質資料可知，鋼管樁沉樁區(qū)域地質條件比較復雜，鋼管樁沉樁時需要穿過較厚的堅硬地質層，標貫基

8、本都在80擊以上。1.3問題的提出從以上情況可以看出，直徑2016mm的鋼管樁穿透如此復雜的地層，施工難度是顯而易見的。(1)鋼管樁與鋼板樁組合板樁碼頭是一種新型碼頭結構，兩者之間通過鎖扣進行聯接，施工難度大；(2)大直徑鋼管樁在復雜地質條件下的施工在國內并不多見，特別是穿透80擊以上的極密實土層更是困難重重；(3)國外咨工要求設計和施工均采用英標控制。其中垂直度控制在1:75以內；樁頂偏差控制在100毫米以內；樁中心到樁中心的間距偏差控制在±80mm以內。2 施工方法的選擇3-4為確定合理的施工方法，采用GRLWEAP程序進行試打分析，從而了解不同地質參數對打樁過程的影響。模擬計算

9、擬采用200t起重船掛40t液壓錘進行2016mm鋼管樁的沉樁，補充參數如下：（1）錘型：V400A；（2）錘墊材料：鋼絲繩；（3）錘墊厚度：30cm；（4）錘墊面積：25600cm2；（5）錘墊彈模：1035MPa；（6）錘墊回彈系數COR：0.8；（7）替打重量：7.1t；（8）鋼管樁彈模：200000MPa；（9）鋼管樁樁頂面積：0.152m2；（10）鋼管樁樁尖面積：0.152m2；（11）鋼管樁周長：6.33m。根據以上參數計算出用V400A錘擊打2016鋼管樁的情況，即在樁入土深度為15m的情況下，當樁的阻力為8000kN到16000kN之間時，V400A都能進行有效的沉樁，樁的拉

10、應力和壓應力均在允許范圍之內，樁的貫入度在每錘5.6mm以上，滿足施工要求。通過以上理論計算，并進行適打性分析，也就是把實際的土層情況、樁和液壓錘的有關數據輸入到程序中去，并用程序進行沉樁模擬，以了解錘的適用性和沉樁過程中可能遇到的問題。就本項目的情況來看，由于地基密實、含砂、標貫擊數大，需要考慮樁是否可以貫入到一定深度的問題。因此我們選擇了比較密實的地基情況進行分析，以了解在這樣的地基條件下的沉樁過程。從而建立一套完整的理論基礎。但是，在實施過程中，根據現場施工進度和市場設備情況，V400A液壓錘沒有現貨，且海外的采購、調遣、關稅等費用較高。為此，在選擇樁錘時，充分考慮樁的形狀、尺寸、重量、

11、入土長度、結構形式以及土質、氣象等條件，并選擇一種能夠克服樁的貫入阻力，包括克服樁尖阻力、樁側摩阻力和樁的回彈產生的能量損失等一種樁錘的夯擊能量。鑒于以上原因，故選用了現有D128柴油錘，并根據該柴油錘特性制定出一套行之有效的施工方案。通過前期計算和以往沉樁施工的經驗，對于直徑為2016mm的大鋼管樁在這種地質條件下采用D128柴油錘大多數是不能一次性打到設計標高的。為此，參考鉆孔樁的施工方法，對于不能打到設計標高的鋼管樁，施工時將采用“鉆打結合”的方法，即首先利用打樁船將鋼管樁初沉到硬地質層（停錘時按照貫入度控制，停錘時最后30擊貫入度在5mm左右），再利用旋挖鉆機在鋼管樁內鉆孔掏渣至設計樁

12、底標高左右，最后用打樁船復打至設計標高。那么，要完成用旋挖鉆機在鋼管樁內鉆孔掏渣，必須解決其所需的工作條件，根據現場情況，采用搭設鋼棧橋平臺作為旋挖的施工平臺，該施工平臺又可作為沉鋼板樁的設備工作平臺。3 施工機具性能根據工程勘察地質特性、設計要求和相關海外施工經驗，選用航工樁4掛D128柴油錘施打鋼管樁和采用YTR220旋挖鉆機進行樁內旋挖，主要設備參數如下。3.1 D128柴油錘技術參數（1）上活塞重：12800 Kg；（2）每錘打擊能量：426500 Nm；（3）打擊次數：36-45i/min；（4）最大爆發(fā)力：3600KN。3.2 航工樁4 性能參數（1）船體尺度（長×寬&#

13、215;深）：47.4m×20.6m×3.6m，龍口在外側；（2）樁架至甲板: 58.6m；（3）仰俯角度:±30°；（4）最大起重量：80t；（5）最大樁長：48m水深；（6）龍口至船首：3.65m。3.3 YTR220旋挖鉆機主要性能參數（1）最大鉆孔直徑、深度：2m、60m；（2）最大輸出扭矩：220KN·m；（3）鉆孔轉速：728rpm；（4）最大反轉甩土轉速：145rpm；（5）桅桿前、后傾斜角度：50、150。4 工藝流程胸墻樁基施工工藝流程：施工區(qū)域挖泥-鋼棧橋搭設-鋼管樁初沉-樁內旋挖-鋼管樁復打-鋼板樁施打-進入下一個工序。沉

14、樁施工工藝流程如圖2所示。施工準備測量網復核及施工基線布置運 樁運樁方駁拋錨定位打樁船拋錨定位吊樁、立樁入龍口下一工序施工起錘移錨定位錘擊沉樁測量定位移船起吊下一根樁施打下一根鋼管樁圖2 沉樁施工工藝流程圖5 主要施工方法5-65.1 臨時鋼棧橋搭設為了便于在鋼管樁初沉后，給旋挖鉆機提供一個鉆孔操作平臺，在鋼管樁施工前在鋼管樁岸側搭設臨時鋼棧橋。根據地質勘查資料，普遍約在-20m-22m為地質突變區(qū)，所以考慮到鋼管樁沉至該位置時頂標高為+8m+10m，故考慮旋挖施工的方便及鋼棧橋結構上的穩(wěn)定，將鋼棧橋頂標高定為7m，初步確定結構形式如下：棧橋由多聯連續(xù)梁組成，每聯結構為5×12m的貝

15、雷桁，棧橋橋面寬9m。QICT二期項目施工鋼棧橋結構包括三大部分：面層結構、貝雷梁及下部樁基排架。面層結構為主要包括：8mm鋼面板、橫向間距300mm的縱肋I14以及縱向間距1500mm的橫肋I32a；共采用三組貝雷梁，棧橋施工一側貝雷梁采用三排單層，其它為雙排單層；樁基排架采用兩根800×10鋼管樁、下橫梁2I56a和600×8鋼管平聯組成。通過對橋面鋼板、縱向分配梁內力、橫向分配梁內力、貝雷架計算、下橫梁計算可知上部結構受力的各項指標均滿足規(guī)范要求。通過對排架作用荷載計算、樁基嵌固點計算、排架計算工況、建模分析及計算結果均表明下部排架計算滿足規(guī)范要求。從ANSYS計算中

16、可得知樁的最大軸力標準值：N2×667=1334kN136T力（2為安全系數），確定樁長為27m，樁底標高為-20m。鋼棧橋施工時沿著鋼管樁施打的方向向前推進（由東向西），形成流水施工。棧橋基礎用打樁船+柴油錘施打，然后在吊車的配合下進行上部鋼結構的拼裝。臨時棧橋結構如圖3所示。圖3 鋼棧橋典型斷面圖鋼棧橋的拼裝材料利用200t方駁運輸,100噸履帶吊配合安裝。鋼棧橋施工時所有焊接構件的焊縫表面不得有虛焊、夾渣、裂紋等現象。鋼棧橋在其每跨影響范圍內的鋼管樁和鋼板樁沉設到位后拆除，向前推進（首次拆除在大約沉碼頭鋼管樁15根，并完成相應的板樁施工后進行）。上部結構由100t履帶吊配合拆除

17、，吊裝到?？吭诖a頭鋼管樁后方的方駁上。棧橋樁拔樁利用陸上的100t履帶吊配150型振動錘進行。拔樁如圖4所示。圖4 拔樁示意圖拔樁后要仔細檢查樁的完整性，有破壞的地方要及時進行修補，在潮水變換區(qū)部分的油漆要及時補上，以保證下階段鋼棧橋的安全性。5.2 鋼管樁初沉 鋼管樁初沉由航工樁4配D128柴油錘施打,錘墊采用直徑25mm以上的粗鋼絲繩割成小段，縱橫分層鋪設制成。鋼管樁初沉打入硬地質層，停錘時貫入度控制在5mm左右。打樁船沉樁如圖5所示。圖5 打樁船沉樁示意圖鋼管樁初沉是質量控制的關鍵，主要內容如下所示：5.2.1打樁船定位(1) 平面控制樁位平面位置控制采用GPS定位，全站儀校核。打樁時，

18、利用打樁船上的GPS直接測出樁的平面位置坐標，與設計坐標相比較，指揮打樁船移動到設計位置.樁的垂直度用靠尺在互相垂直的兩個方向上控制。第一根鋼管樁沉樁需要做GPS定位復核，即GPS定位后，利用一臺經緯儀和一臺全站儀交匯定位的方式進行復核。為了保證施打的鋼管樁上的鎖口在設計軸線上，施工時在已有碼頭上架設經緯儀，撥角到和鎖口同一直線的方向上，控制鎖口軸線不出現超過標準的偏位。(2) 高程控制鋼管樁樁頂高程控制由GPS控制，必要時用水準儀校核。具體如圖6所示。圖6 打樁船定位示意圖5.2.2 吊樁運樁方駁在定位后，打樁船移位到運樁駁起吊鋼管樁。打樁船移位的同時進行立樁，同時將樁架立直。抱樁器抱住樁，

19、提升樁使樁頂套進替打。5.2.3 鋼管樁定位采用GPS確定樁位。利用錨纜移動船位。按照設計要求控制垂直度、樁頂偏差控制和樁中心的間距偏差。而且由于鋼管樁施打是帶鎖口一同施工，以方便后續(xù)鋼板樁施工，因此為保證后續(xù)鋼板樁施工質量，對鋼管樁的旋轉偏差控制在± 5 °（基于360 °圓）以內。5.2.4 錘擊沉樁穩(wěn)樁后壓錘，待樁不再下沉后，復核樁位，樁在壓錘穩(wěn)定后開始沉樁。在沉樁過程中，如出現貫入度異常、樁身突然下降、過大傾斜、移位等現象，應立即停止沉樁，及時查明原因，采取有效措施。5.2.5 停錘標準由于本次是初打，只要鋼管樁沉到-20-22m，具有一定入土深度（此時基

20、槽底標高-12.0m），滿足后續(xù)旋挖施工條件即可。5.2.6 沉樁記錄 沉樁時認真填寫“錘擊沉樁記錄表”，內容包括入土深度、錘擊數、貫入度等。5.3 鋼管樁樁內旋挖鋼管樁初沉后，YTR220旋挖鉆機在鋼棧橋上進行樁內旋挖取土，為避免降低樁端承載力，一般控制在設計樁底標高-500mm左右位置。旋挖時根據所在孔內的土質情況可先用1.2m鉆頭旋挖，然后再采用1.8m鉆頭擴孔。同時，針對初打的偏位情況進行區(qū)別性旋挖，以便有意識的改變土體情況而進行糾偏，最大限度的保證正位率。旋挖如圖7所示。圖7 樁內旋挖示意圖5.4 鋼管樁復打旋挖鉆機在鋼管樁內掏渣到位后，樁船返回復打鋼管樁至設計底標高。根據設計意見，

21、停錘標準按照標高控制，允許偏差為+400mm-50mm。綜合本項目的施工經驗，從-22.0m-27.0m的復打過程中，錘擊數一般在6001800之間，最終貫入度一般在26mm之間。6 鋼管樁施工注意事項（1）沉樁前對鋼管樁進行逐根檢查，檢查樁身外觀質量及運輸中有否損傷。（2）樁船吊起鋼管樁至適當高度后再立樁入龍口，沉樁前，應掌握水深情況，防止樁尖觸及泥面，使樁身變形。為了保護鋼管樁的防腐涂層，龍口與樁接觸的部分安裝橡膠墊。如果保護涂層遭到破壞，利用與防腐涂層相同的材料對破壞處進行涂刷修補，涂層厚度不低于設計厚度。（3）打樁船進退作業(yè)時，應注意錨纜位置，盡量避免纜繩拌樁而破壞防腐涂層。（4）漲、

22、落潮時，應隨潮水的漲、落適時松、緊纜繩，以保持船位不變和防止個別錨纜受力過大。（5）吊樁時應考慮樁駁平衡和吊樁順序，起吊時要平穩(wěn)對稱起吊，并防止相互碰撞。（6）下樁過程中，樁架宜與樁的設計傾斜度保持一致。錘擊沉樁時，樁錘、替打、樁身宜保持在同一軸線上，避免產生偏心錘擊。（7）在自沉或壓上錘和替打后，如發(fā)現樁基偏位較大，須將樁基拔起后，重新定位調整，禁止在沉樁過程中擠樁糾偏，以免因過大的調整而使樁身變形。（8）沉樁應連續(xù)，不要中途停，以免土壤恢復而增加其對沉樁的阻力。（9）沉樁時，根據現場的水下地形，則需預留出打樁偏位的提前量，確保最終的沉樁偏位滿足規(guī)范要求。（10）認真做好沉樁施工記錄，要準確

23、反映停錘前幾陣的貫入度。7 鋼管樁承載力分析7-8為驗證所用施工方法的效果，選取終錘平均貫入度最大的B100號樁通過樁動力學方程檢驗碼頭單樁承載力。由于本項目使用的是D128柴油錘，其技術參數如3.1所示，根據Hiley公式：對于D128柴油錘，可以假設為雙作用錘。因此，我們選擇這個方程的SF = 3。 eh=樁錘效率, 對于D128柴油錘，eh取0.85； Eh=制造商的錘能等級，按設計取426500Nm； k1 =樁墊和樁帽彈性壓縮（mm），由于鋼管樁直接作用端部，取值為0； k2=樁的彈性壓縮形式PuL/AE，其中L =樁長度，按設計取30100mm，A=樁橫截面積，按設計取0.152m2，E=彈性模量，按設計取200000000KPa；k3=土壤的彈性壓縮，也稱為波動方程分析，根據經驗取值3.5mm； n =恢復系數，鋼管樁取0.5； Pu=極限承載力（KN）； S =每錘貫入度，取值為終錘平均貫入度最大的7.6mm； Wp=樁重量，包括加強箍等重量，按設計取373.35KN； W=樁錘重量，包括錘殼重量，根據D128柴油錘參數取355.42KN。 作為第一個試算，假設Pu=12000kN： k2=按照Hiley公式代入前述取值，得出： 因為我們假定Pu=12