高桩码头超长钢管桩沉桩施工技术

(中交四航局第五工程有限公司，福州350000)

高桩码头超长钢管桩沉桩施工技术

■陈航付亮

(中交四航局第五工程有限公司，福州350000)

本文以福州港可门14#泊位工程钢管桩沉桩施工为例，介绍码头超长钢管桩(最长96m)沉桩施工的工艺技术及控制经验，为今后类似工程提供借鉴。

超长钢管桩沉桩施工技术经验

1 前言

罗源湾港区由罗源和连江两个半岛合抱而成，海湾曲折，口窄腹大，形似葫芦，港区南北两岸群山环绕，形成天然屏障。港区岩面起伏较大，覆盖层厚，所建码头泊位以高桩梁板式结构为主，桩基形式多以钢管桩为主，本文以福州港可门14#泊位工程钢管桩沉桩施工为例，介绍码头超长钢管桩沉桩的施工技术。

2 工程简介

福州港罗源湾港区可门作业区14#泊位码头及栈桥工程拟建设1个5万吨级通用散货泊位，水工建筑物包括5万吨级(水工结构兼顾10万吨级)通用散货码头1座和栈桥1座，采用高桩梁板结构，年设计通过能力为288万吨。码头长250m，宽32m；栈桥长430.035m，宽16m。

图1 工程平面图

该工程共需施打钢管桩368根，单桩最大重量58.2t，最长96m。其中码头平台全部采用φ1200mm钢管桩，共238根，桩长71.5m～96m。栈桥在现浇墩台34#、35#排架采用8根φ1200mm钢管桩，其他排架均采用φ1000mm钢管桩，共122根，栈桥钢管桩桩长55m～79m。钢管桩规格、数量如表1所示。

表1 钢管桩规格、数量及相关参数表

3 工程重点、难点

3.1 桩长较长，施工难度大

该项目钢管桩长度超长，最大长度为96m，对钢管桩制作、运输、起吊及施打等各方面的施工能力均提出了较大挑战。

3.2 桩基平面布置复杂，桩距密，不利于施工

码头平台排架间距5～10m，各排架均布置有对桩，东西两个结构段各布置4组叉桩，码头与栈桥交接处基桩分布较多，间距最小为3.5m左右，大部分为斜桩，基桩在平面或立面上的位置存在较多相互交叉施工，对沉桩精度要求极高。

3.3 施工场地条件受限较多

栈桥原泥面标高较高，尤其近岸处，沉桩施工时间极短，船舶抛锚带缆困难；相邻13#泊位已经建成投产，交界处的船舶摆位、锚缆的抛设、桩基的定位等均存在较大困难。特别是少部分斜桩从与13#泊位交界处下部对桩中间穿过，其桩基的实际施打情况未知，给施工带来一定的不确定性。

3.4 地质条件较复杂

根据地质勘探情况，地层分布如下：表层为第四系全新统长乐组冲海积层，流塑状淤泥(厚度在5～8m之间)、淤泥质粘土(厚度在14～32m之间)，其下为可塑～硬塑状粉质粘土及稍密～中密状砂砾层(厚度在23.4～48.7m之间)；下伏基岩为燕山晚期中粗粒-中细粒花岗岩及其风化层，局部见后期脉岩辉绿岩侵入。其中中粗砂层其标贯击数最高可达64击，个别区域砂土状强风化辉绿岩脉侵入，标贯击数可达122击，两者将对钢管桩桩尖穿过构成极大阻力；栈桥区域局部有较厚的卵石层，接岸侧表层还存在厚度不一的抛石层，将沉桩带来较大困难。砂土状强风化花岗岩、中风化花岗岩分布稳定，力学性质良好，为设计桩基持力层。

4 施工应对措施

4.1 优化施工组织

为有效应对桩长较长，施工难度大的特点，考虑提高施工效率，项目在施工策划阶段即确定按照“一次成型”的形式组织施工，即“整桩制作、整桩运输、整桩施打”，避免现场进行二次对接。相应的，按照“一次成型”施工的要求，选定了主要施工船舶。如下表：

表2 钢管桩沉桩的主要船机设备配置表

表3 “航工桩168”船舶性能表

图2 沉桩总体顺序安排

4.2 确定合理的沉桩顺序

4.2.1 总体施工顺序

根据工程整体进度安排、设计图纸以及已运营的13#泊位码头现状，钢管桩沉桩施工划分为三个施工段，按照先码头与栈桥交接处，后栈桥，再码头的总体顺序组织施工。

4.2.2 具体沉桩顺序

在具体每根桩的施打顺序考虑上，施工前利用打桩船的准确参数在CAD里绘制出船型，采用图上模拟对位，逐根验证桩基平面扭角的施工可行性，并通过计算校核桩基纵向倾角是否会发生立面上的交叉碰桩，最后考虑打桩船起锚移位的频率及方驳喂桩的位置。

如图3所示，左图169与167号桩施工存在互相干扰，无论先施工哪根桩都会造成另一根桩施工时打桩船无法扭到设计扭角；右图161号桩按设计扭角施工时，打桩船受到已建成的13#泊位妨碍，无法扭到指定角度，且161号桩按设计角度施工时，将从13#泊位下已施工的对桩中间穿过，对施工精度要求极高。通过详细核验，部分桩基扭角及倾角存在互相干扰而无法施工，计算出可施工的扭角及倾角后报请设计单位确认变更，再详细规划沉桩顺序并将最终能够施工的打桩顺序交底给制桩厂按顺序制桩。

图3 桩位校核的方法示意图

4.3 开挖沉桩临时航道

栈桥区域为确保沉桩水深条件足够，打桩前进行临时航道疏浚，待疏浚至指定标高后再进行沉桩作业。

设计低水位为-3.34m，打桩船吃水2.7m，取0.3m富余水深，则如不趁潮作业时，临时航道需要开挖至底标高为：-3.44-2.7-0.3=-6.44m，开挖量将过大。所以考虑趁潮施工，取开挖底标高-5.0m，每天白天可作业时段为潮水位-2.0m以上时段，时间约为4～8小时(因潮汐时间变换而差异)。

为保证近岸处堤身稳定，故近岸处(堤岸前沿80m范围内)采取最少开挖量。设计高水位+3.04m，沉桩1根所需时间2小时，故取趁潮施工水位+1.5m，则所需开挖底标高为1.5-2.7-0.3=-1.5m。故近岸处考虑趁潮单根沉桩作业，开挖底标高-1.5m。

为避免退潮后运桩船搁浅，运桩船定位在码头与栈桥连接处附近，接岸侧排架每个潮水作业时间最少仅有3个小时左右，施工时安排打桩船提前吊桩做好准备，吊桩后需绞缆300m左右，趁潮缓慢移至待沉桩区域。

如图4所示，地牛的布置受场地条件限制，只能在离堤脚一定距离外就地开挖布置。为了能满足桩基设计扭角需求，桩船扭至如上图所示的角度，造成桩船与地牛的距离过近，地牛2与右前锚卷扬机距离仅有15m左右，因此地牛的设置需加大受力考虑。通过计算及经验确定在抛石层上开挖安放1m3大小的预制块后，钢丝绳从预制块上预留铁件的孔洞牵引出来，再用大块石对预制块堆高约3m，地牛受力能够满足需求。

5 施工过程控制技术

5.1 施工工艺流程及质量评定标准

沉桩总体工艺流程为：制桩→运桩→桩船定位→桩船移位吊桩→移船立桩→测量定位→立桩稳桩→锤击沉桩→水上夹桩(检桩)。

沉桩以贯入度控制为主，桩顶设计高程作为校核。贯入度要求，最后一阵锤击(10击)平均贯入度≤3mm，最后一米的总锤击数不少于250击，总锤击数控制在3500击以内。如果沉桩满足上述要求，桩端仍未达到设计标高时，需继续锤击贯入100mm或锤击50击，其平均贯入度不应大于控制贯入度。若标高与设计标高相差较大(＞3m)时，应及时与设计单位联系。

高应变动力检测桩基数量原定为桩基总数的5%，共19根，其中码头桩基(为Φ1200mm钢管桩)12根，栈桥桩基(为Φ1000mm钢管桩)6根，(为Φ1200mm钢管桩)1根，以上桩基动力检测数量不包括沉桩出现异常情况的桩，若沉桩时发现异常，则需增加检测量。

5.2 试桩

根据设计要求，在正式施工前试沉桩7根以确定最终技术参数。从试桩结果来看，地质情况基本与前期地质勘察报告相符，当沉桩进入到中粗砂层时贯入度明显减少，由15mm骤减至5mm以内，并均匀下沉5～8m，最终贯入度达到收锤标准(小于3mm)后停锤。在中粗砂层施工时，贯入度小，锤击数大，施工时间长，桩锤磨损大，给施工带来一定困难。检测结果表明，试桩单桩极限承载力能够满足设计要求。详见表4。

图4 栈桥打桩船临时航道疏浚平面示意图

表4 试桩数据汇总表

5.3 钢管桩制作及运输

为了保证钢管桩的制作进度和速度，所有钢管桩由专业厂家按照施打的先后顺序进行制作，全部采用螺旋焊缝钢管。钢板材质均采用Q345B镇静钢，桩身采用牺牲阳极阴极保护与涂层的联合防腐蚀措施。

钢管桩制作完成并通过各项验收合格后由专用码头吊桩装驳。采用2500t驳船从制桩厂家运到施工现场。2500t驳船仓宽25m，两侧用32工字钢钢架每间隔10m设一道封仓架，封仓架高1.5m。钢管桩之间采用150mm× 200mm×800mm的木方支垫，最底层钢管桩采用200mm× 200mm×2000mm的木方作支垫，底层钢管桩用木楔固定，钢管桩装驳示意图如下图所示：

图5 钢管桩装驳示意图

图6 驳船抵达现场定位

图7 桩身防腐涂层保护

5.4 防腐涂层保护

在钢管桩防腐涂层保护方面，从多个细节入手：为避免钢管桩桩身防腐涂层在运输过程中与桩身固定钢丝绳摩擦造成防腐涂层脱落，采用土工布包裹钢丝绳；在上层钢管桩装船时，要求吊桩安放时对准下层桩缝隙准确轻放，避免上层桩吊耳对下层桩防腐涂层造成剐蹭磨损；打桩船抱桩器与钢管桩接触部位采用滑动导向轮；安排专人全程跟踪检查桩身防腐涂层，发现磨损部位及时的补刷。通过上述措施最大程度降低桩身防腐涂层的摩损。

5.5 定位、吊桩及沉桩

5.5.1 运桩船定位

由于施工区域所处的罗源湾潮差大，施工期间季候风盛行，加之运桩驳船定位时与涨退潮水的方向基本均为垂直摆向。为增强驳船定位稳定性，将船尾定位锚从1.0t加大至1.5t，锚缆从100m加长至300m，由此驳船通过自身抛锚定位便能满足卸桩施工需求，无需采用其它辅助定位船舶。打桩船定位完成后，留下左前锚或右前锚不抛，待运桩船定位完成后再将左前锚或右前锚抛出压住运桩船的锚缆，即可开始下一步的吊桩作业。

5.5.2 吊桩

考虑桩基较长，为确保吊桩的可操作性与安全性，通过与设计沟通，优化吊点布置，将原设计的两点吊改为四点吊，吊索钢丝绳直径为φ46mm。由于大部分桩长度均超过运桩船甲板面长度，起吊时，需先吊起船头这一端后再将船尾悬空的一端吊起，以防桩端横移撞击船头建筑物。

吊桩完毕，移船至拟施打位置后，桩船收紧各锚缆，防止锚缆在吊桩过程中刮泥而造成的缆绳已紧的假象,随后再进行精确测量定位。码头后沿钢管桩长度超过90m以上的，部分需趁潮作业，潮水过低桩尖会插到淤泥里而无法移船定位(钢管桩水面以上的极限长度约80m)。因此，吊桩移船需谨慎并注意观察桩身的变化，根据潮水情况合理调配施打顺序。

5.5.3 桩身定位

沉桩测量定位采用“双控”方式，即GPS定位，全站仪复核。打桩船安装三台GPS(RTK)接收机(流动站)、一台倾斜仪及桩架角度板以确定船体的位置和姿态，进而可以确定船体上桩的位置，从而实现对桩的定位和定向，桩身位置斜度及沉桩锤击数在左下图显示屏界面上实时显示(锤击数采用声音感应器进行读取，取代以往的人工手动记录)，方便船长及时的指挥控制。高程通过岸上架设的全站仪进行测控，同时也对钢管桩定位及倾斜度进行测控。船上与岸上双控定位数据达到一致时，方能下桩，若出现定位数据不一致时应及时分析偏差原因，解决偏差问题后方能下桩(双控定位出现数据偏差通常有以下几个原因：钢管桩桩身不直、天气或其它原因造成GPS信号不稳或异常、斜桩观测点不一致或不在设计标高上)。

图8 吊点布置示意图

图9 吊桩

斜桩沉桩定位需考虑提前或落后量，控制在10～15cm左右，依桩相对桩船的仰俯向而定，直桩不预留。并对已沉桩进行偏位测定，及时总结出更准确的提前和落后量，从而不断提高沉桩正位率。

5.5.4 替打设置

由于码头的桩基直径为Φ1200mm，栈桥含Φ1000mm与Φ1200mm两种规格，不同桩径桩基存在混合交叉施工，为方便施工，避免采用两个规格不同的替打(替打顶设置锤垫，锤垫由废旧钢丝绳制成)互相切换而影响施工进度，经过详细考虑并确定只采用Φ1200mm的替打，但在Φ1200mm的替打底部采用钢板条焊接出Φ1000mm桩的十字形限位内撑。该方法方便好用，在施工中也得以证明，但在施工间歇时间里需检查十字撑是否因长时间锤击而脱焊，有脱焊现象应及时补焊。

5.5.5 锤击沉桩

下桩过程中注意观察桩锤、替打和桩是否在同一轴线上，且需不断带紧桩船锚缆，通过带紧锚缆对桩锤中心线进行微调。开始锤击后，不得用移船方法纠正桩的偏位，特别是斜桩，以防背板蹩桩造成断桩。在锤击沉桩过程中注意观测贯入度，等桩穿过淤泥层或黏土层后再加大锤击能量。

栈桥接岸侧3根桩所处位置淤泥层上部分布着大小不一的块石，从地勘资料显示厚度约5m～10m左右。沉桩时，锤击150至250锤后打穿抛石层进入淤泥层，钢管桩随之以较快速度下沉。

5.6 超高桩处理

码头有3根超高桩，即F8、F9、F10桩，在达到设计收锤标准后桩顶标高分别高出设计标高20.4m，19.07m以及17.08m。该异常情况，经设计单位研究决定，对该区域进行补勘。同时，对这三根桩进行单桩承载力动力检测。经过后续的沉桩、补勘及检测结果来看，异常超高的原因是由于该区域的粗砂层密实程度较高，厚度较厚，标贯击数大造成的，是局部区域的地质异常。后续，仍然按原设计施工，桩长不作调整，将附近区域钢管桩桩尖予以割除，减少沉桩阻力。经承载力检测，该三根异常桩承载力全部满足要求，可正常使用。

图10 GPS与全站仪双控定位

图11 接岸侧排架施工

图12 接桩处理示意图

考虑由于桩顶标高提高过多，桩身局部外露部分未进行油漆防腐，故在后续阴极保护施工时，对这三根桩各增加一块阳极块，确保符合钢管桩防腐要求。

栈桥数根桩达到设计收锤标准后桩顶标高较高，结合周围桩基沉桩正常，综合地质勘查报告来看，研究判定是钢管桩未能穿透该区域较厚的卵石层。根据承载力检测，该部分桩基承载力均满足设计要求，可正常使用。

5.7 低桩处理

栈桥C5、G4两根桩达到设计标高后，贯入度未达到停锤标准，随后按设计要求继续锤击至贯入度达到收锤标准，最终分别低于设计标高1.39m和0.99m。接桩焊工从制桩厂派专人到场进行接桩，焊接前将下节桩管进行修整,焊接坡口及其附近20～30mm范围内的铁锈、油污、水气和杂物清除干净。焊缝型式采用单边V形坡口，上节桩的坡口角度采用45°～55°，下节桩不开坡口，环焊缝尺寸满足设计图纸要求。

吊接上节桩,使其坡口搁在焊道上,使上下桩对口间隙为2～4mm,用全站仪校正垂直度合格后,再进行焊接，焊接采用二氧化碳气体保护自动焊，并把陶瓷衬垫放在坡口背面，从正面焊，双面一次成形，背面焊缝成型饱满，焊迹整齐。经一级探伤检测合格后修复桩身防腐涂层。

6 结语

(1)由于钢管桩桩长超长，施工前充分的考虑了制作、运输及吊桩的可行性，并根据桩基总体布置情况、场地条件及打桩船施工需求，进行纸上推演，规划布置出最合理的沉桩顺序及工作安排。例如与13#泊位交接处施工的C1桩在前期调整倾角后，实际施工时桩船受13#泊位影响仍然无法定位到位，给施工带来较大影响，及时与设计沟通后，最终将该桩调整为直桩。因此，在沉桩施工前，需考虑充分，过程中与监理及设计单位保持流畅沟通，出现异常情况及时交流解决，减少船机窝工时间。

(2)由于地质情况复杂，施工中出现较多桩顶标高高于设计标高，且妨碍下一根临近桩的施工，该情况需在现场及时与监理及设计单位沟通并进行割桩处理。考虑其它工作船无法第一时间到达施工区域且动用工作船则延误其它工作点的施工进度，打桩船船员在操作上也比其他人熟练快速，所以大部分有妨碍施工的超高桩都交由打桩船船员进行及时的切割转运处理，有效的在不利条件下加快了施工进度。

(3)出现类似因异常超高桩而进行补勘作业的，需要大范围调整沉桩顺序，既有的钢管桩生产及沉桩顺序需要进行调整，应第一时间与制桩厂沟通交底，调整制桩及运桩顺序。对于已生产已装驳的桩，按照“以长替短”的原则尽早重新组织施工，并积极与业主及设计单位沟通，尽快完成补勘工作，降低由此带来的影响。

(4)由于中粗砂层厚而密实，在砂层较厚区域沉桩时，锤击数普遍达到1500锤以上，最大锤击数达到3110击(总锤击数最少为336击，最大为3110击)。锤击进尺小(＜5mm/击)，对设备磨耗大，桩锤时常因温度太高而出现停锤的情况，最大单桩施工时长长达4至5小时，造成桩锤活塞开裂而不得不换锤。建议在类似工程中，充分考虑在中粗砂层或卵石层中沉桩施工的一些不利因素。

(5)根据该工程的情况，钢管桩水上运输时间约3天左右，两艘运桩船基本能够满足施工进度，在有可能出现耽误的情况下，积极与制桩厂沟通，临时增加一艘运输船以保障施工进度。在施工有可能出现施工间断的情况下，及时安排进行检桩工作，确保打桩船施工任务较为饱满，船机利用率达到最大化。

(6)该工程桩基动力检测共检测28根，含9根超高或过低的异常桩，单桩极限承载力均达到11000kN至13500kN，满足设计要求，桩身完整性判定全部为完整桩。

(7)该工程沉桩施工于2016年1月1日正式开工，2016年5月4日结束。扣除春节放假，平均每日沉桩约3.3根，单日最多完成沉桩8根。因栈桥靠岸侧排架施工需趁潮作业且长距离吊桩，以及码头区域厚实中粗砂层的不利因素，较大的延缓了施工进度。建议按照工程量计量的方式进行施工组织，能够较大程度上提高施工船组的积极性，有利地保障施工进度。

[1]福建省交通规划设计院.福州港罗源湾港区可门作业区14#泊位工程施工图设计文件.2016.

[2]福州港罗源湾港区可门作业区14#泊位码头及栈桥工程施工组织设计.