黃海歐，周維

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目及碼頭主體結(jié)構(gòu)概況

巴基斯坦深水港集裝箱碼頭工程項(xiàng)目位于巴基斯坦卡拉奇港區(qū)，為新建集裝箱深水碼頭。碼頭共4個(gè)泊位，岸線全長約1 650 m，港區(qū)面積約為80.5 hm2，建成后年吞吐量預(yù)計(jì)達(dá)310萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱。

碼頭前板樁樁基為649根直徑2.50 m的鉆孔灌注樁，樁與樁之間通過壁厚20 mm永久護(hù)筒上的L形和T形鎖扣連接（見圖1），鎖扣凈距100 mm，設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高+1.50 m，設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高-36.00 m（3號(hào)、4號(hào)泊位區(qū)域） 和-28.00 m（1號(hào)、2號(hào)泊位區(qū)域）。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，樁基施工在泊位區(qū)挖泥至-18 m后進(jìn)行。

圖1 連鎖式混凝土鉆孔排樁結(jié)構(gòu)

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)業(yè)主提供的地質(zhì)勘察資料[1]和現(xiàn)場進(jìn)行的地質(zhì)補(bǔ)勘取樣分析，-18 m標(biāo)高以下的地質(zhì)層主要以堅(jiān)硬的泥巖層和砂巖層為主（無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu為13～53 kg/cm2），詳見圖2。

圖2 樁基施工區(qū)典型地質(zhì)柱狀圖

2 施工方法的選擇

2.1 施工難度分析

1）從以上地質(zhì)資料可知，本項(xiàng)目地質(zhì)條件比較復(fù)雜，海床面以下基本為泥巖和砂巖層，且碼頭區(qū)挖泥至-18 m標(biāo)高后海床面幾乎無軟質(zhì)覆蓋層，樁基護(hù)筒施工及海上鉆孔施工難度較大。施工過程中如何確保鋼護(hù)筒能夠有足夠的嵌固深度以滿足連鎖護(hù)筒穩(wěn)定要求，以及合理的鉆孔平臺(tái)及鉆孔設(shè)備選擇是本方案研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

2） 鉆孔樁是連鎖排樁，施工精度要求高。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鋼護(hù)筒連鎖鉆孔樁施工后平面位置偏位不允許超過50 mm，垂直度偏差不允許超過1/100。所以，連鎖鋼護(hù)筒的加工及施工精度尤為重要。

3） 鉆孔樁鋼筋籠總長39.1 m，主筋為132根φ40 Gr.460鋼筋分3層布置，重約64 t。由于該鋼筋籠整體重量大、長度長，如果采用整體運(yùn)輸、吊裝的工藝，那么對(duì)運(yùn)輸及吊裝設(shè)備要求高，吊裝施工難度大。如果采用分節(jié)制作孔口對(duì)接的方法進(jìn)行施工，可減少運(yùn)輸及吊裝難度，但由于鋼筋籠特殊的內(nèi)、中、外三層設(shè)計(jì)（每層44根），現(xiàn)場兩鋼筋籠間機(jī)械連接將非常困難（根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，鋼筋不允許焊接搭接）。

2.2 主要施工方案選擇及確定

1）根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)，確定連鎖鉆孔樁鋼護(hù)筒最小入土深度。課題研究小組委托專業(yè)設(shè)計(jì)公司進(jìn)行連鎖鋼護(hù)筒整體結(jié)構(gòu)建模有限元驗(yàn)算，得出，在單根護(hù)筒入土（巖） 深度大于或等于3.75 m時(shí)，連鎖護(hù)筒整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在最不利風(fēng)浪作用下護(hù)筒頂部最大位移17.82 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）打樁及鉆孔設(shè)備選型。根據(jù)護(hù)筒入土深度要求并結(jié)合地勘資料，鋼護(hù)筒沉設(shè)配備2臺(tái)ICE V360-1100E型液壓振動(dòng)錘，其最大激振力為3 212 kN，偏心力矩130 kg·m，最高振動(dòng)頻率1 500 r/min，最大振幅37 mm。如果在實(shí)際施工過程中1臺(tái)ICEV360型液壓振動(dòng)錘激振力無法滿足護(hù)筒沉設(shè)要求，則考慮將2臺(tái)ICEV360液壓振動(dòng)錘并聯(lián)施工，從而增強(qiáng)振動(dòng)錘近1倍的沉樁能力。

鉆孔施工配備2臺(tái)SH36型旋挖鉆進(jìn)行，回轉(zhuǎn)扭矩360 kN·m，最大鉆孔直徑2.5 m，深度60 m，鉆進(jìn)加壓力30 t，配備專用鉆頭，可用于巖層鉆孔施工。

3） 打樁及鉆孔平臺(tái)的確定[2]。根據(jù)巴基斯坦市場缺少大型施工甲板駁船的實(shí)際情況，該地區(qū)的板樁碼頭樁基一般都采用搭設(shè)鋼平臺(tái)或鋼棧橋作為護(hù)筒沉設(shè)及鉆孔施工平臺(tái)的方案進(jìn)行施工。但是，由于本項(xiàng)目施工海域海床無軟質(zhì)覆蓋層的特殊性，臨時(shí)鋼平臺(tái)鋼管樁可能無法一次施打到位，需采用“鉆打結(jié)合”的方法進(jìn)行（即初沉后，上鉆機(jī)進(jìn)行護(hù)筒內(nèi)旋挖取土（巖）至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高，再復(fù)打到位），其施工復(fù)雜程度堪比主體工程，難以保證施工工期。所以本項(xiàng)目施工時(shí)，擬打破巴基斯坦市場施工常規(guī)，從中國調(diào)遣2艘3 000 t方駁分別作為鋼護(hù)筒沉設(shè)和鉆孔施工“浮式施工平臺(tái)”。

兩艘方駁平臺(tái)的具體參數(shù)如下：鉆孔方駁（浙嘉工駁1號(hào)） 長度75.8 m，寬度18 m，型深4 m，運(yùn)載能力3 000 t；護(hù)筒施打方駁（亞星8號(hào)） 長度64.6 m，寬度24 m，型深3.6 m，運(yùn)載能力3 000 t。

鋼護(hù)筒沉設(shè)和鉆孔施工時(shí)，船體剛度及定位精度要求較高，所以，方駁在正式施工前，還需進(jìn)行一系列的船體加固及錨機(jī)系統(tǒng)改造。特別是鉆孔方駁平臺(tái)，由于平臺(tái)上的旋挖鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生較大扭力，如果方駁平臺(tái)的穩(wěn)定性不夠，鉆進(jìn)過程中就可能導(dǎo)致水上平臺(tái)大幅晃動(dòng)、失穩(wěn)。因此，方駁穩(wěn)定性是決定水上旋挖施工成敗的關(guān)鍵因素。為此，課題研究小組采取了以下兩點(diǎn)保障措施：

①為了抵消旋挖鉆機(jī)產(chǎn)生的扭力，在船頭船尾原有4臺(tái)25 t錨機(jī)的基礎(chǔ)上各增加1臺(tái)10 t錨機(jī)，按旋挖扭力反方向布置抗扭錨；

②為了提高水上平臺(tái)的抗風(fēng)浪能力，增強(qiáng)穩(wěn)定性，增加壓艙水以降低平臺(tái)重心，按干舷高度2 m控制。

4）鋼護(hù)筒及鎖扣加工。經(jīng)過對(duì)巴基斯坦國內(nèi)市場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該國的螺旋焊管生產(chǎn)線較為落后，且加工精度普遍較差，而鋼護(hù)筒和鎖扣的加工精度直接影響著連鎖樁的施工精度，為保證鋼護(hù)筒和鎖扣的加工質(zhì)量，決定從國內(nèi)引進(jìn)一條現(xiàn)代化的螺旋焊管生產(chǎn)線，在現(xiàn)場建設(shè)鋼護(hù)筒加工廠房，并從國內(nèi)專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)加工廠進(jìn)口優(yōu)質(zhì)鋼鎖扣，安排熟練的中國鋼結(jié)構(gòu)加工人員進(jìn)行鋼護(hù)筒的加工及鎖扣焊接。

5）鋼護(hù)筒沉設(shè)精度控制措施。為保證連鎖護(hù)筒沉設(shè)精度滿足技術(shù)規(guī)格書要求，結(jié)合大型橋梁樁基施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)加工了可快速裝卸的騎跨式液壓定位導(dǎo)向系統(tǒng)，見圖3。鋼護(hù)筒在沉設(shè)過程中通過該定位裝置配合前樁鎖扣，可達(dá)到精確定位的目的。

6） 鋼筋籠運(yùn)輸及吊裝。由于3層鋼筋籠的設(shè)計(jì)在海外工程中尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可循，為驗(yàn)證由132根40 mm主筋組成的3層鋼筋籠孔口對(duì)接難度，進(jìn)行了現(xiàn)場對(duì)接試驗(yàn)，經(jīng)過2 d努力，鋼筋籠未能成功對(duì)接。所以，只能考慮鋼筋籠整體加工、運(yùn)輸、吊裝的工藝進(jìn)行鉆孔樁鋼筋籠施工。

為解決鋼筋籠整體運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備問題，研發(fā)了適用于本項(xiàng)目鋼筋籠運(yùn)輸?shù)某L牽引拖車。

為解決大直徑鋼筋籠整體吊裝難題，根據(jù)3層鋼筋籠整體剛度較大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出利用單臺(tái)300 t履帶吊水上整體吊裝鋼筋籠的施工方案。

圖3 騎跨式液壓定位導(dǎo)向架

3 施工工藝流程

連鎖式混凝土鉆孔排樁施工工藝流程如圖4所示。

圖4 施工工藝流程

4 主要施工方法

4.1 施工總體部署

施工時(shí)，兩艘浮式施工平臺(tái)均布置在板樁墻海側(cè)，護(hù)筒施工平臺(tái)在前，鉆孔及鋼筋籠安裝平臺(tái)在后。其他施工船舶，如護(hù)筒運(yùn)輸船、鋼筋籠運(yùn)輸船、棄渣收集開底駁船等，均在浮式平臺(tái)海測靠泊，如圖5。

圖5 施工總體部署

護(hù)筒施工平臺(tái)（浙嘉工駁1號(hào)）上配備的主要設(shè)備為：2臺(tái)ICE V360型液壓振動(dòng)錘、1臺(tái)210 t固定吊。鉆孔及鋼筋籠安裝平臺(tái)（亞星8號(hào)） 上配備的主要設(shè)備為：2臺(tái)SH36型旋挖鉆機(jī)、1臺(tái)300 t履帶吊（鋼筋籠整體吊裝設(shè)備），1臺(tái)裝載機(jī)（棄渣處理）。

4.2 鋼護(hù)筒加工

鋼護(hù)筒由現(xiàn)場建設(shè)的專業(yè)螺旋焊管生產(chǎn)線生產(chǎn)，該機(jī)組可卷制鋼板厚度為8～25.4 mm，直徑為426～2 540 mm的螺旋鋼管。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目采用厚度為20 mm，等級(jí)為43A的鋼卷板進(jìn)行2 500 mm直徑鋼護(hù)筒加工。鋼護(hù)筒加工精度要求見表1。

表1 鋼護(hù)筒外形尺寸允許偏差

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，鋼護(hù)筒單根長度按25 m控制。該生產(chǎn)線加工效率為2根/d，滿足現(xiàn)場需求。

鋼鎖扣焊接。鎖扣為雙L型80 mm×75 mm×20 mm及T型150 mm×75 mm×20 mm互鎖形式，在國內(nèi)專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)加工廠定制，現(xiàn)場焊接，鎖扣結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 鎖扣結(jié)構(gòu)圖

從圖6可以看出，在樁軸線方向，T形與兩側(cè)的L形鎖扣凈間距僅15 mm。如果鎖扣焊接線形偏差過大，就有可能出現(xiàn)鎖扣間互相卡死，導(dǎo)致護(hù)筒無法順利下沉的情況。

為此，鎖扣加工誤差按照±3 mm，初拼裝誤差±5 mm，焊接完成后誤差±10 mm進(jìn)行控制。

鎖扣與鋼護(hù)筒采用間斷手工電弧焊的方式進(jìn)行焊接。焊接時(shí)，首先將2 500 mm直徑鋼護(hù)筒吊至鎖扣安裝胎架上，精確標(biāo)識(shí)出鎖扣安裝位置，然后沿著標(biāo)識(shí)線將鎖扣點(diǎn)焊固定在鋼護(hù)筒上，并檢查鎖扣安裝線形及垂直度，合格后，采用分段方式進(jìn)行鎖扣焊接，以減小鎖扣焊接的變形量。

為防止鋼護(hù)筒在鎖扣焊接過程中局部受熱，在自重作用下變形（主要為橢圓度超標(biāo)），鎖扣點(diǎn)焊安裝完成后，利用門機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)鋼護(hù)筒，使單側(cè)鎖扣位于護(hù)筒頂部以后，再進(jìn)行最終焊接。單側(cè)焊接完成后，翻轉(zhuǎn)，進(jìn)行另一側(cè)的鎖扣焊接。此工序雖然較為繁瑣，但按此方式加工的鎖扣鋼護(hù)筒，加工精度均滿足設(shè)計(jì)要求（經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，水平方向焊接鎖扣，雖然可以雙側(cè)同時(shí)焊接，但是焊接后，護(hù)筒變形嚴(yán)重，橢圓度超出設(shè)計(jì)允許值10～30 mm，不滿足加工精度要求）[3-4]。

4.3 鋼護(hù)筒施工

帶鎖扣鋼護(hù)筒在加工場制作完成后，由平板車運(yùn)送至臨時(shí)碼頭裝船，運(yùn)輸方駁將護(hù)筒運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，靠泊護(hù)筒施工平臺(tái)。

施工時(shí)[5]，首先利用方駁上的210 t吊機(jī)將導(dǎo)向架擱置在已施工的鋼護(hù)筒上，對(duì)導(dǎo)向架前端鎖扣限位槽進(jìn)行微調(diào)、定位。定位完成后夾緊導(dǎo)向架液壓夾鉗，并再次對(duì)導(dǎo)向架定位點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，復(fù)測無誤后，導(dǎo)向架解鉤，210 t吊車起吊鋼護(hù)筒，將護(hù)筒插入導(dǎo)向架龍口，并套入上1根鋼護(hù)筒鎖扣，緩慢下落，直至沉入海床穩(wěn)樁，測量檢測鋼護(hù)筒垂直度及平面位置，滿足設(shè)計(jì)要求后，鋼護(hù)筒解鉤。

210 t吊車起吊ICE V360振動(dòng)錘。振動(dòng)錘起吊過程中要慢、穩(wěn)，避免碰撞鋼護(hù)筒。振動(dòng)錘壓錘后測量人員再次進(jìn)行垂直度復(fù)測，確認(rèn)垂直度滿足要求后方可起振。振動(dòng)錘啟動(dòng)后先采取低轉(zhuǎn)速點(diǎn)振，使鋼護(hù)筒平穩(wěn)進(jìn)入海床巖層，避免出現(xiàn)因鋼護(hù)筒急速下沉、跳動(dòng)而引起垂直度變化。隨著鋼護(hù)筒入巖深度的增加，貫入度下降明顯時(shí)，逐漸提高振動(dòng)錘轉(zhuǎn)速，增加振動(dòng)錘擊力，直至護(hù)筒沉設(shè)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。整個(gè)錘擊持續(xù)時(shí)間根據(jù)巖層硬度情況變化，一般為10～30 min。

由于地質(zhì)的特殊性，部分鋼護(hù)筒即使在2臺(tái)ICEV360型振動(dòng)錘并聯(lián)，高轉(zhuǎn)速錘擊后，也不能打至設(shè)計(jì)穩(wěn)樁標(biāo)高。對(duì)此，需安排鉆孔平臺(tái)船上的旋挖鉆機(jī)對(duì)護(hù)筒內(nèi)旋挖取土至設(shè)計(jì)護(hù)筒底標(biāo)高，再利用振動(dòng)錘將護(hù)筒復(fù)打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。由于該工序涉及到兩艘大型船舶的往復(fù)調(diào)遣，施工時(shí)需合理安排時(shí)間，統(tǒng)一指揮、調(diào)度。

4.4 鉆孔施工

浮式平臺(tái)定位完成后，2臺(tái)SH36型旋挖鉆機(jī)就位，為保證成孔安全，相鄰鉆孔點(diǎn)間隔3根樁距。鉆孔時(shí)，旋挖鉆機(jī)根據(jù)自身的調(diào)節(jié)功能進(jìn)行精確定位，調(diào)整鉆桿垂直度，鉆頭中心對(duì)準(zhǔn)樁位中心，然后開始下鉆，旋挖，鉆進(jìn)過程中通過底部帶活門的筒式鉆頭回轉(zhuǎn)，利用合金斗齒切削破碎巖土，并通過動(dòng)力頭的液壓系統(tǒng)施加壓力，將破碎的巖土裝入鉆頭內(nèi)，儀表顯示有較深的進(jìn)尺時(shí)，關(guān)閉鉆頭底部，由鉆機(jī)提升裝置和伸縮鉆桿將鉆頭提出孔外卸渣，如此循環(huán)往復(fù)，不斷地取土卸渣，直至鉆到設(shè)計(jì)深度。

在鉆進(jìn)過程中根據(jù)地質(zhì)情況及時(shí)更換適用的鉆頭，在卵石層或砂巖層鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭采用直徑2.4 m底部焊有合金斗齒的撈沙斗；當(dāng)挖至堅(jiān)硬的地質(zhì)層時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)進(jìn)尺緩慢或在動(dòng)力頭加壓后進(jìn)尺不明顯，可更換直徑1.2～1.5 m雙層取芯鉆頭，該鉆頭特點(diǎn)是無底門，加壓后能切入巖層，再利用動(dòng)力頭反轉(zhuǎn)，提升鉆桿將巖芯取出。在切入巖層過程中直徑1.20 m內(nèi)層取芯鉆頭先接觸巖面開始削切巖石，隨著內(nèi)層鉆頭的進(jìn)尺，直徑1.50 m外層鉆頭也開始接觸巖面擴(kuò)孔。穿透堅(jiān)硬巖層或旋挖至樁底標(biāo)高后，更換直徑2.40 m桶鉆進(jìn)行擴(kuò)孔。

鉆渣通過平臺(tái)上的裝載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至泥駁后拋棄到業(yè)主指定的棄渣海域。

4.5 鋼筋籠施工

鋼筋籠在后場制作完成后，采用2臺(tái)40 t/24 m龍門吊進(jìn)行抬吊，并移放至長36 m的特制平板拖車上。平板車將鋼筋籠運(yùn)至現(xiàn)場，2臺(tái)100 t履帶吊抬吊裝船，鋼筋籠運(yùn)輸船將鋼筋籠運(yùn)輸至施工現(xiàn)場?？坎淬@孔及鋼筋籠安裝平臺(tái)船。

鋼筋籠水上起吊采用1臺(tái)固定在方駁平臺(tái)上的300 t履帶吊及鋼筋籠運(yùn)輸方駁上的10 m長翻板進(jìn)行整體起吊。起吊時(shí)，300 t吊機(jī)布置在方駁平臺(tái)縱向中心軸線上，翻板布置在鋼筋籠運(yùn)輸方駁船頭位置，兩艘駁船通過纜繩連接。300 t吊機(jī)吊起鋼筋籠頂部吊點(diǎn)，緩慢提升，隨著起吊幅度的變化，翻板操作手利用卷揚(yáng)機(jī)控制翻板的轉(zhuǎn)向角度及速度，直至鋼筋籠完全豎立，然后旋轉(zhuǎn)吊機(jī)，將鋼筋籠轉(zhuǎn)至孔位處，吊放入孔。

4.6 混凝土灌注施工

混凝土由2臺(tái)HZ60攪拌站拌和供應(yīng)，由混凝土運(yùn)輸罐車運(yùn)送至現(xiàn)場?；炷镣ㄟ^布設(shè)在簡易棧橋及連鎖鋼護(hù)筒上的泵管道泵送至斗容為10 m3的集料斗，再經(jīng)由斗容為2 m3的小料斗和300 mm的導(dǎo)管進(jìn)行水下灌注。

4.7 施工工效

方案實(shí)施過程中，鋼護(hù)筒沉設(shè)施工工效每天2～3根，鉆孔、鋼筋籠吊裝及混凝土澆注綜合工效每天1.2～1.5根，滿足并超過每天1根成樁的計(jì)劃工效，且施工精度完全滿足技術(shù)規(guī)格書要求，有效的保障了項(xiàng)目施工工期。施工完成的板樁墻見圖7所示。

圖7 施工完成的板樁墻

4.8 成樁質(zhì)量檢測

由于本碼頭為集裝箱碼頭，碼頭前沿需要安裝大型集裝箱吊機(jī)（STS），吊機(jī)前軌道布置于板樁墻頂部的胸墻上，所以，碼頭樁基在抗彎的同時(shí)還有一定的承載力要求。為驗(yàn)證樁基施工質(zhì)量，進(jìn)行了水上靜載試樁，試樁荷載20 400 kN。

經(jīng)試驗(yàn)，樁基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

隨著國內(nèi)外大型碼頭建設(shè)的不斷增多，海港工程日益向深水化和大型化方向發(fā)展，為滿足工程需要，傳統(tǒng)的三大碼頭結(jié)構(gòu)之一的板樁碼頭也重新調(diào)整結(jié)構(gòu)，使其適用于大型深水碼頭的建設(shè)，組成板樁墻的連鎖式混凝土鉆孔樁也向著大直徑方向發(fā)展。

本項(xiàng)目通過水上浮式施工平臺(tái)、鋼護(hù)筒騎跨式液壓定位導(dǎo)向架、單吊車配合翻板整體起吊鋼筋籠等新型和改進(jìn)型施工技術(shù)的運(yùn)用，克服了無軟弱覆蓋層海域平臺(tái)布設(shè)，連鎖鋼護(hù)筒快速精確定位，超長、超大直徑、超重鋼筋籠整體安裝等施工技術(shù)難題，成功實(shí)施了2.5 m直徑連鎖式混凝土鉆孔樁施工。通過實(shí)踐證明，整套施工工藝是科學(xué)、合理的。它的成功實(shí)施也為同類型樁基結(jié)構(gòu)施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并提供參考和借鑒。

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