固定导向架高精度沉桩技术的研发与应用

张铁军，徐波，史虎彬（中交一航局第一工程有限公司，天津　300456）

固定导向架高精度沉桩技术的研发与应用

张铁军，徐波，史虎彬
（中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

摘要：针对外海桥梁桩基施工，研发一套具有固定基础的平台导向架。该导向架在沉桩过程中不受风浪影响，能够对钢管桩桩位和桩身垂直度进行实时监测并通过液压抱桩臂进行调整。沉桩结果表明，满足设计桩位偏位不大于10 cm，桩身综合垂直度不大于1/400的要求。该工艺具有在沉桩过程中不受外海风浪影响的特点，并能在沉桩过程中随时进行纠偏。

关键词：固定导向架；外海；高精度；沉桩；振动锤；纠偏

1　工程概况

港珠澳大桥CB03合同段总长8.67 km，非通航孔共有68个桥墩，每个桥墩基础由6根钢管复合桩组成，桥墩为埋置式墩台[1-2]。为保证桥墩质量，采用整体预制整体安装的施工工艺，墩台预留孔与钢管桩之间间隙仅为10 cm，精度高，难度大。

由于埋置式墩台预留孔与钢管桩之间间隙仅为10 cm，沉桩偏位过大或者垂直度不满足要求会给墩台安装和灌注桩施工带来很大困难。不大于10 cm的沉桩偏位和不高于1/400的垂直度是常规打桩船施工无法达到的。根据地勘资料显示，地层变化较大，沙层厚薄不均，并存在夹层，桩在自沉过程中极易出现溜桩、跑桩等对桩位和桩身垂直度造成严重影响的情况[2]。外海施工风浪较大，给高精度沉桩工作提出更高的要求。

为确保预制墩台的预留孔顺利套入6根桩基础，达到墩台安装垂直度h/3 000的精度要求，通过大量施工前期研究论证，研发一套适用于外海施工的固定导向架沉桩施工工艺。

2　固定导向架组成

2.1支撑桩

在工程桩的周围打设6根支撑桩，作为导向系统的支撑结构。支撑桩横桥向布置3排，间距20.2 m，顺桥向布置2排，间距16.2 m。

2.2钢抱箍

抱箍托架是安放在支撑桩上部，临时支承并调平固定平台用的装置。钢抱箍分两瓣加工，使用12个8.8s级高强螺栓连接成整体，钢抱箍与钢管桩之间设置橡胶带，通过橡胶带与钢管桩之间的摩擦抱紧钢管桩。钢抱箍可重复使用，高强螺栓只可使用1次。

2.3固定平台

平台采用双主梁平面框架结构，外缘尺寸为24 m伊20 m。主梁使用0.8 m伊0.6 m箱梁形结构，在支撑桩处形成方格，套入支撑桩后支承在钢抱箍的平板上，并用加强板与桩焊接，以此作为上部导向架支撑、调节的操作平台，同时将6根支撑桩连为整体，保证在风浪、水流作用下的稳定。

2.4导向架

导向架为立体框架结构，平面尺寸为17.6 m伊13.6 m，高12.9 m。导向架顶面和底面为上下2层平台，其杆件布置相同，在工程桩处形成方格，以便设置液压抱桩器。

主梁采用0.6 m伊0.4 m箱型梁，上下2层平台的外框用12根立柱连接支撑，立柱为箱梁结构，断面尺寸为0.4 m伊0.4 m[3]。导向架的4个侧立面通过腰梁及斜撑连接成空间框架，导向架立面图见图1。

图1 导向架立面图Fig.1　Guide frame elevation

3　固定导向架沉桩系统的应用

3.1施工流程

采用固定导向架沉桩的施工流程如图2所示。

3.2船机设备

3.2.1浮吊选型

支撑桩定位船及固定平台导向架安装船为中交一航局700 t全旋转“天威号”起重船，打桩船为1 600 t浮吊“起重27号”，最大吊高95 m，最大跨距43 m，能够满足最重103.6 t，最长78.1 m的钢管桩沉桩要求。

3.2.2锤组选型

对68个墩位逐墩进行沉桩阻力计算分析，初打采用2台APE400液压振动锤联动振沉[4-5]，当液压振动锤初打不能振沉至设计标高时，采用MHU800S液压冲击锤复打至设计标高。

3.3施工过程

3.3.1打设支撑桩

图2 施工流程图Fig.2　Construction flow chart

支撑桩共设3个吊点，钢管桩立桩后，副钩配合主钩吊起呈直立状态的钢管桩移桩进入定位船上已开启的液压抱桩器内，闭合液压抱桩器，钢管桩自沉。自沉结束后，副钩吊起放置在定位船上的液压振动锤，使用2伊APE400双锤联动液压振动锤组振沉至标高。

3.3.2安装固定平台及导向架

首先在支撑桩上统一使用水准管确定标高，按照测出的标高将钢抱箍安装至指定位置。

用“起重27号”起吊固定平台吊放在钢抱箍上，实测固定平台方格框架与各支撑桩的间隙，相应加工连接加劲板，再施焊将固定平台与支撑桩连接固定为一体。

固定平台与钢管桩形成整体后，采用GNSS静态测量方法，在固定平台上精确测放导向架安装线，在平台主梁的直角边上根据安装线焊接限位钢板，将所有导向架上液压抱桩器调整为闭合状态后，“天威号”起吊导向架安放到固定平台上。

根据放置在固定平台上的限位钢板精确控制导向架的安装位置，控制标准为垂直度偏差不大于1/2 000，平面位置偏差不大于10 mm。调整结束后，将导向架和固定平台焊接固定，从而使支撑桩、固定平台与导向架形成牢固的整体空间框架结构。

3.3.3导向架在沉桩过程中应用

“起重27号”将钢管桩起吊立桩后，将桩插入导向架的方格内，关闭液压抱桩器，根据测量人员测量数据调整抱桩臂，使桩身处于铅垂状态下自沉。

单根桩自沉完毕后，使用上下层液压抱桩臂临时抱紧钢管桩限位，“起重27号”副钩吊起APE-400振动锤，在导向架抱桩臂的限位状态下振沉，同时使用架设在平台上的全站仪对钢管桩垂直度进行实时监测，根据测量数据实时调整液压抱桩臂开合角度与位置以调整桩身垂直度。振沉过程中，实时监控系统发现桩身垂直度偏差过大时，采取延长留振时间、交替上拔和振沉等方式，使桩周边土体液化，确保钢管桩垂直下沉。振沉过程中遇到地质较硬，振动锤振沉困难情况，则停锤并移开振动锤组，更换“天威号”吊持MHU800S液压冲击锤复打至设计标高（图3）。

图3 振沉完的钢管桩Fig.3　Vibration of steel pipe pile

3.4沉桩精度分析

使用固定导向架高精度沉桩技术进行了首件31号墩的钢管桩沉桩，对未振沉到位的钢管桩在导向架拆除后使用液压冲击锤复打至设计标高。沉桩完毕后对已复打至设计标高的钢管桩进行测量，测量数据如表1。

表1 桩位偏差及桩身垂直度汇总Table 1　Summary of pile position deviation and pile verticality

根据表1可以看出，6根桩设计桩位处的偏差和桩身垂直度均满足设计要求。

4　结语

固定导向架高精度沉桩技术的研发与应用在港珠澳大桥钢管桩基础施工中取得了成功，通过设置固定平台，减小了风浪对沉桩的影响，成功验证了外海高精度沉桩的可能性和可操作性，为今后类似工程提供了相关的经验积累，也为今后外海桩基施工提供了一种新的思路。

参考文献：

[1]中交公路规划设计院有限公司联合体.港珠澳大桥主体工程桥梁DB01标段施工图设计[R].2012. CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Joint Venture.Construction drawing design of DB01 section of main bridge project in the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2012.

[2]张连江，孙建波，徐波.移动导向架高精度沉桩技术在外海桥梁工程中的应用[J].中国港湾建设，2015，35（6）：46-50. ZHANG Lian-jiang,SUN Jian-bo,XU Bo.Application of moving guide frame method for high precision pile-sinking in offshore bridge engineering[J].China Harbour Engineering,2015，35（6）: 46-50.

[3]中交天津港湾设计院有限公司.工程桩沉桩导向架与固定支撑平台结构计算书[R].2012. CCCC Tianjin Harbor Design Institute Co.,Ltd.Engineering pile guide frame and fixed platform structure calculation[R].2012.

[4]中交第一航务工程局有限公司.大直径钢圆筒振动下沉设备及工艺的研究与应用[R].2002. CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.Study and application of vibratory sinking equipment and technology for steel cylinder with large diameter[R].2002.

[5]范期锦.多台大型液压振动锤联动工作的同步性问题[J].中国港湾建设，2003（2）：1-4，25. FAN Qi-jin.Synchronization of large hydraulic vibrators when wor king together[J].China Harbour Engineering,2003(2):1-4,25.

E-mail：xuxu12223@163.com

中图分类号：U655.55；U445.55

文献标志码：B

文章编号：2095-7874（2016）01-0059-04

doi：10.7640/zggwjs201601014

收稿日期：2015-06-24修回日期：2015-07-25

基金项目：国家科技支撑计划项目港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范（2011BAG07B00）

作者简介：张铁军（1969— ），男，天津市人，高级工程师，总工程师，港口航道与海岸工程专业。

Development and application of high precision sinking pile technology of fixed guide frame

ZHANG Tie-jun，XU Bo，SHI Hu-bin
（No.1 Eng.Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

Abstract：Based on the bridge pile foundation construction in open seas,we developed a set of platform guide frame with a fixed base,the guide frame is not affected by the wind and waves in the process of sinking pile,it can monitor steel pipe pile position and pile verticality in real-time,and adjustment through hydraulic arm.The sinking pile results show that the steel pipe pile can meet the requirements of pile design deviation is not more than 10 cm and pile comprehensive vertical is less than 1/400.This technology is not affected by open seas wind and waves,and rectifying at any time during the process of sinking pile.

Key words：fixed guiding frame;open seas;high precision;sinking pile;vibration hammer;rectifying