复杂地质条件下液压振动锤陆上打设大直径钢管桩

李胜，周维，徐立强

（1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040）

1 工程概况

1.1 项目概况

卡贝略新集装箱码头项目位于委内瑞拉卡贝略市卡贝略港西北部。主要建设内容包括：长度为850 m的连续锚锭式钢管板桩码头及230 m同结构后期预留接口，总面积约57万m2的集装箱堆场，966 m长防波堤，港池及航道等。建成后可同时靠泊1艘13万吨级和1艘10万吨级集装箱货轮，年吞吐能力达100万标箱。

码头前墙桩为φ2.3 m钢管桩和AZ26型钢板桩组合结构。钢管桩共296根，设计桩顶标高+1.1 m，底标高-38 m，长39.1 m，壁厚24 mm。钢管桩桩间距3.62 m，之间用AZ26型钢板桩通过锁口连接，共计296组，板桩设计底标高-23 m，桩长24.1 m。

1.2 工程特点

1） 水文特点

拟建码头直接面对加勒比海，除远处一小岛外，无任何掩护，施工海域海况恶劣，长周期涌浪海况特征明显，不利水上打桩作业。

2） 地形特点

在总长1 080 m的码头岸线中，约有60%位于陆上（东侧），40%位于水深约1～6 m的海中（西侧），且平均水深仅3 m。

3） 地质特点

根据项目勘察报告[1]，工程区土层主要为砂和少量黏土，自上而下交替分布。-17～-22 m有珊瑚和珊瑚礁灰岩；-23～-28 m、-32～-35 m分布有不连续透镜体状的砂质胶结层。珊瑚礁灰岩无侧限抗压强度为3.2～30.8 MPa，胶结试样无侧限抗压强度为20.8～32.88 MPa。典型地质钻孔图见图1。

图1 典型地质钻孔图Fig.1 Typical geotechnical boring

4） 沉桩精度

钢管板桩组合结构，对钢管桩的定位精度要求较高。根据技术规格书要求，钢管桩的平面偏位需控制在±10 cm以内，垂直度不大于1/100，桩顶标高误差不超过±5 cm。

5） 沉桩深度

项目地处委内瑞拉地震5区，设计地震峰值加速度0.3g（介于8~9级地震之间）。为保证港池开挖至-17.2 m后，地震过程中桩基的稳定性，桩基设计底标高达到-38 m，入土深度远远超过同类项目。

2 施工方法的选择

2.1 施工方案确定

根据本项目的水文及地形特点，选择陆上施工工艺进行沉桩施工，以避开恶劣海况影响，水上部分考虑修筑围堰后填砂形成陆域施工条件[2-3]。

因工程地处重盐强腐蚀海域，桩基防腐涂层的完整性要求高。经对多种防腐涂层磨损保护方案比选，最终选定最具操作性的物理防磨方案：桩基施工前，先打设钢护筒（φ2.6 m）至防腐涂层底标高（-19.2 m）以下，然后利用旋挖钻对护筒内土体进行旋挖，最后施打桩基。这样不但保证了桩基防腐涂层的完整性，同时也降低了沉桩难度。

2.2 设备选择

根据桩基施工工艺及入土深度要求并结合地勘资料，利用美国GRLWEAP打桩分析软件对沉桩可行性进行分析后得出，在护筒内旋挖至-24～-28 m，即挖除第一层珊瑚、珊瑚礁灰岩或胶结层后，选用美国ICE公司生产的双联ICEV360型液压振动锤可施打到-38 m设计桩底标高。

该设备单台最大激振力3 203 kN，偏心力矩150 kg·m，最大上拔力2 224 kN，系统振幅2.1 mm，重量16 363 kg。并联后，考虑共振系数，最大激振力可达7 380 kN。

旋挖施工配备1台ZR360C型旋挖钻。该钻机回转扭矩360 kN·m，最大钻孔直径2.8 m，深度60 m，钻进加压力30 t，配备专用钻头，可用于珊瑚礁及胶结层等岩层钻孔施工。

起重设备根据吊高、吊重，配置1台260 t履带吊作为主吊（吊桩、打桩），1台130 t履带吊作为辅吊（配合立桩）。

2.3 施工精度控制措施

1）护筒施工精度控制

为保证后续钢管桩施工精度的要求，钢护筒的平面偏位控制在±5 cm以内，垂直度偏差控制在1/400以下。

护筒平面位置控制采用平面定位架，垂直度控制利用1台经纬仪和1台全站仪，采用十字交汇法进行控制。

护筒平面定位架利用8个螺旋千斤顶把护筒定位架固定在2根已施打的钢护筒上。利用已施打的护筒，定位待施打护筒。护筒平面位置采用定位架上的定位滚轮进行限定。

2）钢管桩施工精度控制

钢管桩定位采用骑跨式定位导向架。将定位导向架通过液压钳固定在已施工的钢管桩上，利用已施工的钢管桩为基础定位施工下一根钢管桩。

定位导向架结构见图2。

2.4 土体承载力恢复措施

因护筒内土体旋挖深度达到-24～-28 m，为保证桩基施工后承载力满足要求，采用如下措施恢复土体承载力。

1） 桩外部分

本项目地质层以密实砂为主，且含有丰富的地下水。施工时可充分考虑双联ICE-V360液压振动锤强大的激振力，使土体在桩基振沉和护筒拔除过程中振动密实。

图2 钢管桩定位架Fig.2 Positioning frame of steel pile

2） 桩内部分

桩基施工到位后，在桩内填入含泥量小于10%的细砂，利用ZCQ132kW振冲器对桩内填砂进行振冲密实，密实后砂土标贯要求大于20击。

3 施工工艺流程

桩基施工流程为：施工准备→施打护筒→护筒内旋挖→安装导向架→初打至导向架顶部→移除导向架→复打至设计标高→桩内回填砂→拔除护筒→回填砂振冲密实→继续施工下根桩基。

4 主要施工方法

4.1 护筒施打

钢护筒直径2.6 m，壁厚2 cm，长25 m。施打前利用130 t履带吊安装护筒平面定位导向架，利用千斤顶将护筒定位架固定在已施打的2根钢护筒上[4]。再利用260 t履带吊吊双联ICE V360振动锤施打至预定标高。施打过程中测量人员实时观测钢护筒的偏位及垂直度，现场施工负责人根据测量数据指挥吊车动态调节护筒垂直度。

4.2 护筒内旋挖

护筒施打到位后，利用ZR360C型旋挖钻机进行筒内旋挖。钻头直径为2.2 m，旋挖至-26 m（挖除第1层胶结层及珊瑚礁层）。

旋挖过程中，实时观察旋挖出来的渣样，并做好记录，发现与地质资料不符时，要及时调整。

4.3 钢管桩初打

旋挖到预定深度并安装好液压定位导向架后，即开始钢管桩施工（图3）。

图3 钢管桩定位施打Fig.3 Position and piling of steel pile

为方便后续钢板桩施打，钢管桩施工前在锁口位置涂抹黄油，在锁口底部塞入螺栓以防止沉桩过程中坚硬异物卡入锁口导致锁口堵塞。

钢管桩采用两点起吊，以260 t履带吊为主吊，130 t履带吊为辅吊。立桩后，在定位导向架约束下，缓慢吊钢管桩入导向架龙口，下放至护筒内，通过测量初步调整钢管桩的偏位，定位且稳桩后，松钩，利用吊篮将工人吊至桩顶解除立桩用的钢丝绳，高空作业必须佩带安全带。

插桩后，260 t履带吊起吊并联ICE V360型液压振动锤至桩顶，用望远镜观察振动锤的4个液压钳是否平稳紧密的贴紧钢管桩，无误后，加压夹紧液压钳。通过测量人员观测，动态调整钢管桩的平面位置及垂直度，此过程，平面位置控制在5 cm以内，垂直度控制小于1/300。

钢管桩施打时，先点振，以调整钢管桩垂直度。待钢管桩入土5～6 m后，测量人员再次观测平面偏位及垂直度情况，指挥人员根据观测结果对钢管桩再进行细微调整。待稳定后施打钢管桩至导向架顶部。

钢管桩振动沉桩的整个过程，桩周5 m范围内及吊车拔杆下严禁站人，防止落物伤人。

4.4 钢管桩复打

钢管桩初打至定位导向架顶部后，停锤，移除导向架，继续复打至设计标高。

复打阶段要注意调节锁口位置，以便后期钢板桩插入。

钢管桩如不能复打到位，则根据具体情况采取以下措施：

1）如桩顶标高高于设计标高2 m以内，先用旋挖钻机桩内旋挖，再采用钻打结合方式复打。

2）如桩顶标高高于设计标高2 m以上，旋挖钻机钻孔困难时，应首先利用空气吸泥器对桩内进行吸砂、排渣，将密实砂、小直径砾石及振碎的胶结砂岩块体通过空气吸泥器抽出，破坏桩内摩擦阻力，再进行复打。

3）如吸泥后仍不能满足沉桩要求，则搭设施工平台，利用YCJF-25全液压冲击反循环钻对桩内冲孔，破坏胶结层等沉桩障碍物之后，将桩沉设至设计标高。

4.5 钢护筒拔除

钢管桩施打到位后，利用260 t履带吊悬吊双联ICE-V360振动锤拔除钢护筒。

护筒拔除过程中，应缓慢上提，充分利用振动锤对桩周砂土进行振动密实。

4.6 桩内填砂及振冲

护筒拔除后，利用自卸车配合反铲进行桩内填砂，填至设计桩头混凝土底标高以上2 m左右，再利用130 t履带吊配ZCQ132型振冲器进行回填砂的振冲密实。振冲过程中，砂体因逐步密实而下沉。待振冲完成并检测合格后，利用旋挖钻机配合人工将多余砂体移除，并进行后续的桩头混凝土施工。

5 施工方案优化

5.1 钢管桩定位优化

钢管桩定位导向架定位效果虽好，但安装、调整、拆除耗时较长，在陆上施打钢管桩时，由于不存在水上施工的波浪影响，且25 m的钢护筒施打后，本身也具有导向作用，所以，经过现场多次尝试，在现场指挥人员、吊车操作手和测量人员配合密切的情况下，可以仅利用全站仪、经纬仪交汇，以及护筒上的简易限位即可控制桩基施工垂直度和平面位置，且能满足定位精度要求。

5.2 护筒顶部结构优化

为避免护筒对钢管桩施工的影响，沉桩前钢护筒应低于桩顶标高，这导致护筒拔除时，液压锤因空间不足无法夹持钢护筒。施工初期考虑的是焊接加长段钢护筒的方式进行护筒拔除，该方法费时费力。经过现场实践，最终通过护筒开凹口的方式解决了护筒拔除难题。通过护筒顶部开设凹口，钢管桩施打时，振动锤可刚好通过护筒凹口将钢管桩振沉至设计标高，而凹口以外高出部分高于钢管桩顶标高；护筒拔除时，振动锤可轻松夹持护筒高出部分。

上述2个优化措施的运用，极大提高了现场施工工效。

6 施工效果

方案实施过程中，特别是方案优化后，钢管桩沉设施工综合工效为1根/d，高峰期可达到1.5根/d，满足进度计划要求，且施工精度完全满足技术规格书要求，保证了项目工期和质量。

为验证桩基施工质量，按照技术规格书要求开展了静载试桩，桩基承载力达到13 918 kN，满足设计要求。

7 结语

本项目利用液压振动锤配合外套护筒预钻孔的施工工艺，成功解决了钢管桩施打过程防腐涂层破坏、密实胶结砂层沉桩难、桩基偏位较大时冲击锤拔起难等施工难题。

通过采用钢管桩定位和钢护筒顶部结构施工方案优化措施，极大提高了施工效率。

在复杂地质条件下，卡贝略新集装箱码头项目利用液压振动锤进行大直径钢管桩陆上施工整套的施工工艺是科学、合理的，可为同类型桩基结构施工参考和借鉴。