大直徑鋼管樁在復(fù)雜地質(zhì)條件下施工的探討(最新版)

1、大直徑鋼管樁在復(fù)雜地質(zhì)條件下施工的探討周偉1 呂劍1 周維2（1中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院，廣州 510230；2中交第二航務(wù)工程局，武漢 430071）摘 要：碼頭大直徑鋼管樁在復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工在國(guó)內(nèi)并不多見，特別是采用鉆打結(jié)合的方法進(jìn)行施工更是少有。本文通過巴基斯坦QICT二期項(xiàng)目這個(gè)實(shí)例，分別對(duì)大直徑鋼管樁在復(fù)雜地質(zhì)條件下的設(shè)備選型、施工方法和最終承載力復(fù)核進(jìn)行了分析和探討，希望對(duì)今后同類型的結(jié)構(gòu)型式問題的解決提供可借鑒之處。關(guān)鍵詞：QICT二期項(xiàng)目；大直徑鋼管樁；復(fù)雜地質(zhì)；鉆打結(jié)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(xiàng)目位于巴基斯坦卡拉奇市QASIM港，為現(xiàn)有QASIM港國(guó)際集裝箱一期碼頭的擴(kuò)建工程，工程內(nèi)容主要包括填筑16萬(wàn)m2后場(chǎng)場(chǎng)地建造成集裝箱堆場(chǎng)、建造長(zhǎng)727米的碼頭及將泊位疏浚至水深基準(zhǔn)點(diǎn)下16米處以保證吃水深度14米船舶通航，通過以上改、擴(kuò)建，將現(xiàn)有碼頭建造成吞吐量為117.5萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)底標(biāo)高-27m，長(zhǎng)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(shè)計(jì)底標(biāo)高-19m，長(zhǎng)度22.1m，鋼管樁和鋼板樁通過鎖扣進(jìn)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(zhì)條件由于本項(xiàng)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(zhì)條件由上到下主要如下：第一層為密實(shí)的，灰色的，粉質(zhì)細(xì)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(shí)的，偶含貝類、粗礫石和稀疏粉質(zhì)粘土薄層的粉質(zhì)細(xì)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(shí)的，淺灰色的，偶含粉質(zhì)粘土薄層的粉質(zhì)細(xì)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(shí)的，淺黃色的，帶有細(xì)到中等礫石的砂性粉質(zhì)粘土。分布不均勻，大致分布在-20.7m-21.9m區(qū)間，標(biāo)準(zhǔn)貫入器擊入土中70mm 時(shí)的錘擊數(shù)N=50。第五層為極密實(shí)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(biāo)準(zhǔn)貫入器擊入土中70mm 時(shí)的錘擊數(shù)N=50。第六層為極密實(shí)的，帶淺黃色斑點(diǎn)的亮灰色的，偶帶細(xì)砂的粉質(zhì)粘土。分布不均勻，大致分布在-26.7m-31.0m區(qū)間，標(biāo)準(zhǔn)貫入器擊入土中110mm 時(shí)的錘擊數(shù)N=50。由以上地質(zhì)資料可知，鋼管樁沉樁區(qū)域地質(zhì)條件比較復(fù)雜，鋼管樁沉樁時(shí)需要穿過較厚的堅(jiān)硬地質(zhì)層，標(biāo)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(fù)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(jié)構(gòu)，兩者之間通過鎖扣進(jìn)行聯(lián)接，施工難度大；(2)大直徑鋼管樁在復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工在國(guó)內(nèi)并不多見，特別是穿透80擊以上的極密實(shí)土層更是困難重重；(3)國(guó)外咨工要求設(shè)計(jì)和施工均采用英標(biāo)控制。其中垂直度控制在1:75以內(nèi)；樁頂偏差控制在100毫米以內(nèi)；樁中心到樁中心的間距偏差控制在±80mm以內(nèi)。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(jìn)行試打分析，從而了解不同地質(zhì)參數(shù)對(duì)打樁過程的影響。模擬計(jì)算

9、擬采用200t起重船掛40t液壓錘進(jìn)行2016mm鋼管樁的沉樁，補(bǔ)充參數(shù)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(shù)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(zhǎng)：6.33m。根據(jù)以上參數(shù)計(jì)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(dāng)樁的阻力為8000kN到16000kN之間時(shí)，V400A都能進(jìn)行有效的沉樁，樁的拉

10、應(yīng)力和壓應(yīng)力均在允許范圍之內(nèi)，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(jì)算，并進(jìn)行適打性分析，也就是把實(shí)際的土層情況、樁和液壓錘的有關(guān)數(shù)據(jù)輸入到程序中去，并用程序進(jìn)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(xiàng)目的情況來(lái)看，由于地基密實(shí)、含砂、標(biāo)貫擊數(shù)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(shí)的地基情況進(jìn)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(chǔ)。但是，在實(shí)施過程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度和市場(chǎng)設(shè)備情況，V400A液壓錘沒有現(xiàn)貨，且海外的采購(gòu)、調(diào)遣、關(guān)稅等費(fèi)用較高。為此，在選擇樁錘時(shí)，充分考慮樁的形狀、尺寸、重量、

11、入土長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)形式以及土質(zhì)、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(cè)摩阻力和樁的回彈產(chǎn)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(xiàn)有D128柴油錘，并根據(jù)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(jì)算和以往沉樁施工的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于直徑為2016mm的大鋼管樁在這種地質(zhì)條件下采用D128柴油錘大多數(shù)是不能一次性打到設(shè)計(jì)標(biāo)高的。為此，參考鉆孔樁的施工方法，對(duì)于不能打到設(shè)計(jì)標(biāo)高的鋼管樁，施工時(shí)將采用“鉆打結(jié)合”的方法，即首先利用打樁船將鋼管樁初沉到硬地質(zhì)層（停錘時(shí)按照貫入度控制，停錘時(shí)最后30擊貫入度在5mm左右），再利用旋挖鉆機(jī)在鋼管樁內(nèi)鉆孔掏渣至設(shè)計(jì)樁

12、底標(biāo)高左右，最后用打樁船復(fù)打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。那么，要完成用旋挖鉆機(jī)在鋼管樁內(nèi)鉆孔掏渣，必須解決其所需的工作條件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用搭設(shè)鋼棧橋平臺(tái)作為旋挖的施工平臺(tái)，該施工平臺(tái)又可作為沉鋼板樁的設(shè)備工作平臺(tái)。3 施工機(jī)具性能根據(jù)工程勘察地質(zhì)特性、設(shè)計(jì)要求和相關(guān)海外施工經(jīng)驗(yàn)，選用航工樁4掛D128柴油錘施打鋼管樁和采用YTR220旋挖鉆機(jī)進(jìn)行樁內(nèi)旋挖，主要設(shè)備參數(shù)如下。3.1 D128柴油錘技術(shù)參數(shù)（1）上活塞重：12800 Kg；（2）每錘打擊能量：426500 Nm；（3）打擊次數(shù)：36-45i/min；（4）最大爆發(fā)力：3600KN。3.2 航工樁4 性能參數(shù)（1）船體尺度（長(zhǎng)×寬&#

13、215;深）：47.4m×20.6m×3.6m，龍口在外側(cè)；（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(zhǎng)：48m水深；（6）龍口至船首：3.65m。3.3 YTR220旋挖鉆機(jī)主要性能參數(shù)（1）最大鉆孔直徑、深度：2m、60m；（2）最大輸出扭矩：220KN·m；（3）鉆孔轉(zhuǎn)速：728rpm；（4）最大反轉(zhuǎn)甩土轉(zhuǎn)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(shè)-鋼管樁初沉-樁內(nèi)旋挖-鋼管樁復(fù)打-鋼板樁施打-進(jìn)入下一個(gè)工序。沉

14、樁施工工藝流程如圖2所示。施工準(zhǔn)備測(cè)量網(wǎng)復(fù)核及施工基線布置運(yùn) 樁運(yùn)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(cè)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(shí)鋼棧橋搭設(shè)為了便于在鋼管樁初沉后，給旋挖鉆機(jī)提供一個(gè)鉆孔操作平臺(tái)，在鋼管樁施工前在鋼管樁岸側(cè)搭設(shè)臨時(shí)鋼棧橋。根據(jù)地質(zhì)勘查資料，普遍約在-20m-22m為地質(zhì)突變區(qū)，所以考慮到鋼管樁沉至該位置時(shí)頂標(biāo)高為+8m+10m，故考慮旋挖施工的方便及鋼棧橋結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定，將鋼棧橋頂標(biāo)高定為7m，初步確定結(jié)構(gòu)形式如下：棧橋由多聯(lián)連續(xù)梁組成，每聯(lián)結(jié)構(gòu)為5×12m的貝

15、雷桁，棧橋橋面寬9m。QICT二期項(xiàng)目施工鋼棧橋結(jié)構(gòu)包括三大部分：面層結(jié)構(gòu)、貝雷梁及下部樁基排架。面層結(jié)構(gòu)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(cè)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(lián)組成。通過對(duì)橋面鋼板、縱向分配梁內(nèi)力、橫向分配梁內(nèi)力、貝雷架計(jì)算、下橫梁計(jì)算可知上部結(jié)構(gòu)受力的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。通過對(duì)排架作用荷載計(jì)算、樁基嵌固點(diǎn)計(jì)算、排架計(jì)算工況、建模分析及計(jì)算結(jié)果均表明下部排架計(jì)算滿足規(guī)范要求。從ANSYS計(jì)算中

16、可得知樁的最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值：N2×667=1334kN136T力（2為安全系數(shù)），確定樁長(zhǎng)為27m，樁底標(biāo)高為-20m。鋼棧橋施工時(shí)沿著鋼管樁施打的方向向前推進(jìn)（由東向西），形成流水施工。棧橋基礎(chǔ)用打樁船+柴油錘施打，然后在吊車的配合下進(jìn)行上部鋼結(jié)構(gòu)的拼裝。臨時(shí)棧橋結(jié)構(gòu)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(yùn)輸,100噸履帶吊配合安裝。鋼棧橋施工時(shí)所有焊接構(gòu)件的焊縫表面不得有虛焊、夾渣、裂紋等現(xiàn)象。鋼棧橋在其每跨影響范圍內(nèi)的鋼管樁和鋼板樁沉設(shè)到位后拆除，向前推進(jìn)（首次拆除在大約沉碼頭鋼管樁15根，并完成相應(yīng)的板樁施工后進(jìn)行）。上部結(jié)構(gòu)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(dòng)錘進(jìn)行。拔樁如圖4所示。圖4 拔樁示意圖拔樁后要仔細(xì)檢查樁的完整性，有破壞的地方要及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，在潮水變換區(qū)部分的油漆要及時(shí)補(bǔ)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(shè)制成。鋼管樁初沉打入硬地質(zhì)層，停錘時(shí)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(zhì)量控制的關(guān)鍵，主要內(nèi)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(shí)，

18、利用打樁船上的GPS直接測(cè)出樁的平面位置坐標(biāo)，與設(shè)計(jì)坐標(biāo)相比較，指揮打樁船移動(dòng)到設(shè)計(jì)位置.樁的垂直度用靠尺在互相垂直的兩個(gè)方向上控制。第一根鋼管樁沉樁需要做GPS定位復(fù)核，即GPS定位后，利用一臺(tái)經(jīng)緯儀和一臺(tái)全站儀交匯定位的方式進(jìn)行復(fù)核。為了保證施打的鋼管樁上的鎖口在設(shè)計(jì)軸線上，施工時(shí)在已有碼頭上架設(shè)經(jīng)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(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)的偏位。(2) 高程控制鋼管樁樁頂高程控制由GPS控制，必要時(shí)用水準(zhǔn)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(yùn)樁方駁在定位后，打樁船移位到運(yùn)樁駁起吊鋼管樁。打樁船移位的同時(shí)進(jìn)行立樁，同時(shí)將樁架立直。抱樁器抱住樁，

19、提升樁使樁頂套進(jìn)替打。5.2.3 鋼管樁定位采用GPS確定樁位。利用錨纜移動(dòng)船位。按照設(shè)計(jì)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(zhì)量，對(duì)鋼管樁的旋轉(zhuǎn)偏差控制在± 5 °（基于360 °圓）以內(nèi)。5.2.4 錘擊沉樁穩(wěn)樁后壓錘，待樁不再下沉后，復(fù)核樁位，樁在壓錘穩(wěn)定后開始沉樁。在沉樁過程中，如出現(xiàn)貫入度異常、樁身突然下降、過大傾斜、移位等現(xiàn)象，應(yīng)立即停止沉樁，及時(shí)查明原因，采取有效措施。5.2.5 停錘標(biāo)準(zhǔn)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(shí)基

20、槽底標(biāo)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(shí)認(rèn)真填寫“錘擊沉樁記錄表”，內(nèi)容包括入土深度、錘擊數(shù)、貫入度等。5.3 鋼管樁樁內(nèi)旋挖鋼管樁初沉后，YTR220旋挖鉆機(jī)在鋼棧橋上進(jìn)行樁內(nèi)旋挖取土，為避免降低樁端承載力，一般控制在設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高-500mm左右位置。旋挖時(shí)根據(jù)所在孔內(nèi)的土質(zhì)情況可先用1.2m鉆頭旋挖，然后再采用1.8m鉆頭擴(kuò)孔。同時(shí)，針對(duì)初打的偏位情況進(jìn)行區(qū)別性旋挖，以便有意識(shí)的改變土體情況而進(jìn)行糾偏，最大限度的保證正位率。旋挖如圖7所示。圖7 樁內(nèi)旋挖示意圖5.4 鋼管樁復(fù)打旋挖鉆機(jī)在鋼管樁內(nèi)掏渣到位后，樁船返回復(fù)打鋼管樁至設(shè)計(jì)底標(biāo)高。根據(jù)設(shè)計(jì)意見，

21、停錘標(biāo)準(zhǔn)按照標(biāo)高控制，允許偏差為+400mm-50mm。綜合本項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，從-22.0m-27.0m的復(fù)打過程中，錘擊數(shù)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(xiàng)（1）沉樁前對(duì)鋼管樁進(jìn)行逐根檢查，檢查樁身外觀質(zhì)量及運(yùn)輸中有否損傷。（2）樁船吊起鋼管樁至適當(dāng)高度后再立樁入龍口，沉樁前，應(yīng)掌握水深情況，防止樁尖觸及泥面，使樁身變形。為了保護(hù)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(hù)涂層遭到破壞，利用與防腐涂層相同的材料對(duì)破壞處進(jìn)行涂刷修補(bǔ)，涂層厚度不低于設(shè)計(jì)厚度。（3）打樁船進(jìn)退作業(yè)時(shí)，應(yīng)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(shí)，應(yīng)隨潮水的漲、落適時(shí)松、緊纜繩，以保持船位不變和防止個(gè)別錨纜受力過大。（5）吊樁時(shí)應(yīng)考慮樁駁平衡和吊樁順序，起吊時(shí)要平穩(wěn)對(duì)稱起吊，并防止相互碰撞。（6）下樁過程中，樁架宜與樁的設(shè)計(jì)傾斜度保持一致。錘擊沉樁時(shí)，樁錘、替打、樁身宜保持在同一軸線上，避免產(chǎn)生偏心錘擊。（7）在自沉或壓上錘和替打后，如發(fā)現(xiàn)樁基偏位較大，須將樁基拔起后，重新定位調(diào)整，禁止在沉樁過程中擠樁糾偏，以免因過大的調(diào)整而使樁身變形。（8）沉樁應(yīng)連續(xù)，不要中途停，以免土壤恢復(fù)而增加其對(duì)沉樁的阻力。（9）沉樁時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的水下地形，則需預(yù)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(rèn)真做好沉樁施工記錄，要準(zhǔn)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(yàn)證所用施工方法的效果，選取終錘平均貫入度最大的B100號(hào)樁通過樁動(dòng)力學(xué)方程檢驗(yàn)碼頭單樁承載力。由于本項(xiàng)目使用的是D128柴油錘，其技術(shù)參數(shù)如3.1所示，根據(jù)Hiley公式：對(duì)于D128柴油錘，可以假設(shè)為雙作用錘。因此，我們選擇這個(gè)方程的SF = 3。 eh=樁錘效率, 對(duì)于D128柴油錘，eh取0.85； Eh=制造商的錘能等級(jí)，按設(shè)計(jì)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(zhǎng)度，按設(shè)計(jì)取30100mm，A=樁橫截面積，按設(shè)計(jì)取0.152m2，E=彈性模量，按設(shè)計(jì)取200000000KPa；k3=土壤的彈性壓縮，也稱為波動(dòng)方程分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值3.5mm； n =恢復(fù)系數(shù)，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(qiáng)箍等重量，按設(shè)計(jì)取373.35KN； W=樁錘重量，包括錘殼重量，根據(jù)D128柴油錘參數(shù)取355.42KN。 作為第一個(gè)試算，假設(shè)Pu=12000kN： k2=按照Hiley公式代入前述取值，得出： 因?yàn)槲覀兗俣≒u=12