海上钢管桩嵌岩施工技术

盘世集 中交第四航务工程勘察设计研究院有限公司

桩基码头适用于软弱的地基，但在风化岩基上施工时，因打桩后岩基过浅，嵌岩深度不足，导致桩基抗弯、竖向承载力及抗拔力均达不到设计要求。针对这类问题，目前普遍采用的是嵌岩桩施工技术。

1.工程概况

该工程是惠州港东马港区重件码头项目工程，该码头桩基为高桩墩式码头，钢管桩共116 根，其中引桥31-38 轴钢管桩32根，桩径1000mm，桩长17.0～19.5m；码头丁靠钢管桩40根，桩径1000mm，桩长17.0～18.5m；靠船墩钢管桩36根，桩径1200mm，桩长18～22.5m；系缆墩钢管桩8根，桩径1000mm，桩长20.5～21.5mm。钢管桩在厂家制作完成后运至施工现场。因施工现场的中风化岩面较高，本工程桩基采用预制型芯柱嵌岩桩，以中风化岩为持力层，嵌岩深度4～8m，钢管桩与芯柱结合成组合桩为码头提供承载力。

2.方案选择及施工工艺

2.1 工艺基本原理

用打桩船按设计进行桩位、桩孔、桩身等进行钢管桩沉桩的施工，位置选在最大风化和中风化的岩石界面；然后以钢管桩为护筒，在钢管桩中冲孔至设计要求的嵌岩深度，再进行芯柱嵌岩混凝土灌注。钢管桩的功能是：（1）可作为桩基承受施工钢平台荷载；（2）嵌岩施工时可作护筒使用，起到引孔定位作用；（3）在成桩后，与钢筋混凝土芯柱共同承担上部荷载。

表1 打桩船主要技术参数

表2 运桩船主要技术参数

2.2 设备选型

2.2.1 钢管桩沉桩设备选择

针对施工区的水域情况，采用打桩船配D-128柴油锤进行沉桩，采用1000t平板驳进行钢管桩运输。

2.2.2 嵌岩桩施工设备选择

考虑地层岩性特点，靠船墩、系缆墩位置首选JKL-8式冲孔打桩机，对地层岩进行嵌岩施工。辅助设备上要选用至少一台22kW的泥浆泵进行交换浆液，一台12m空压机进行吹气清理。JKL-8式冲击钻机的主要性能参数：①标准拉力：80kN；②拖拽速率：额定速度33m/min；③绳筒规格：直径520mm，长度720mm，容绳量300m，传动比61.5；④钢丝绳规格：直径28mm；⑤动力参数：ZQ-650型减速器，电动机功率55kW，总重4.8t。

根据施工钢平台大小及承载力设计，丁靠结构及引桥位置选用SR155型号旋挖钻机进行施工，可提高施工效率，辅助设备为50t履带吊一台辅助吊运，斗容0.5m³小型挖掘机一台辅助转运挖出的岩土，带架子卷扬机一台负责灌注混凝土，SR155型号旋挖钻机主要性能参数：①额定输出扭矩：155KN·m；②加压力155KN，起拔力160KN；③主卷扬：钢丝绳直径26mm，最大速度80m/min,提升力160KN；④副卷扬：钢丝绳直径14mm，最大速度80 m/min，提升力60KN；⑤钻孔直径：φ600mm～φ1500mm；⑥工作重量：48t。

2.2.3 钻头设计

按最大嵌岩深度8m的规定，冲孔打桩机采用梅花形钻头，旋挖钻机选用三叉戟截齿筒钻，截齿筒钻和清孔钻斗。因钻头比钢管桩内径小50mm～100mm，为保证钢管桩内壁附着的淤泥及泥块能清除，终孔后必须进行扫孔，通过在钻头周围焊接钢丝绳束头，可达到扫孔的效果，如图1所示。

图1 钻头周围加设钢丝绳束头扫孔

3.钢管桩嵌岩施工

3.1 钢管桩施工

本工程打桩船利用GPS进行沉桩位置定位。而传统的放样方式，需要两台全站仪或经纬仪进行夹角定位并且角度在60°～120°之间，还需要第三台全站仪或经纬仪进行校核。

钢管桩由18～20mm厚度的钢板制成，并作防腐涂层，两种型号分别为φ1000mm和φ1200mm，制成的钢管桩由驳船运输至工地。为了保证桩身质量，采用了如下方法，克服了潮汐、风浪等因素对桩身施工的影响。

（1）选择桩基沉桩的打桩船。在水流湍急、激流大的情况下，这种打桩船能够保证船位的稳定和正常的位移，适用于海上打桩。

（2）在每日的海况较好的时间段内进行沉桩。由于桩船使用GPS进行定位，夜间作业不会受到影响，因此可以利用加班加点的方式来补偿等候时间。

（3）在桩基施工期间，应在地面安装一套全站仪，对桩顶和桩顶的标高进行检验。在吊桩过程中，吊桩的钢丝绳应加麻布等进行包裹防止刮坏钢管桩防腐涂层。在沉桩过程中，船顺流抛八字锚、前、后穿心锚索，在沉桩过程中应尽量避免锚索对已沉入的钢管桩造成刮伤。

（4）沉桩（钢管桩）的施工工艺包括：桩身定位、插桩、锤击沉桩、停锤、复测桩位。沉桩停锤的控制方法是：以标高为基准，以贯入度控制为主要指标。

3.2 施工平台搭设

引桥和丁靠结构施工平台的搭建是依靠钢管桩为基础，使用型钢搭建作业平台，平台顶面高程＋3.00m。在钢管桩上焊接牛腿，平台上部主梁选用双拼I45b型工字钢，主梁搁置于钢管桩牛腿上，通过腹板与钢管桩凹槽弧板接触满焊连接；次梁选用I30a工字钢，间距40cm（重型设备工作位置间距30cm），面板采用10mm厚压纹防滑钢板，平台周围设置栏杆，平台前沿加设3根辅助桩，保证设备上平台的稳定性。

靠船墩施工钢平台的尺寸为15m×13.2m，系缆墩施工钢平台尺寸为13m×10.6m。结构形式为钢结构高桩梁板式结构，平台顶面高程＋4.00 m。平台的桩基采用φ 529×8 mm 钢管桩做临时支撑桩，桩基采用全直桩形式。上部结构采用型钢结构，钢结构主梁选用双拼I 45 b 型工字钢，主梁搁置与φ529mm钢管桩凹槽上，通过上腹板与钢管桩凹槽弧板接触满焊连接，次梁选用I30a工字钢，间距40cm。面板采用10mm厚压纹防滑钢板，周围设置栏杆。

施工钢平台采用带有150t履带吊的平板驳进行搭设，靠船墩、系缆墩钢平台支撑桩采用船履带吊配DZ60振动锤进行打桩。主次梁工字钢开料加工在近岸区加工场进行，并用50t履带吊负责转运上船运输至现场进行施工。

3.3 嵌岩施工工艺流程

在钢管桩施工及钢平台搭设完成后，进行嵌岩段的施工。整个工程的施工过程：施工前的准备→钻机定位→冲孔→扫孔和清孔→下钢筋笼→灌注混凝土成桩。

3.3.1 钻机安装及定位

钻机、钻头、泥浆泵等设备由带150t履带吊的平板驳运至施工平台进行组装，旋挖钻机、挖掘机及50t履带吊利用平板驳运输至施工平台前沿直接开上施工平台。钻机上平台组装后，按照施工方案确定的打桩顺序进行施工，桩机就位时确保桩机平衡，冲击锤吊绳的中心与桩位中心在同一轴线上，防止钻到钢管桩底部出现卡锤现象。

3.3.2 冲击钻进成孔

根据现场条件，泥浆采用原土造浆。泥浆箱采用Q235钢板焊制，钢板厚8mm，制作成尺寸为5×3×2的封闭式无盖铁盒。泥浆箱放置于钢平台上，根据冲孔位置情况可进行移位，成孔过程中产生的泥浆及时排放至储浆箱，再由运输船运至弃置点；不得在施工场地内或向海中任意排放，以避免污染环境。在冲孔期间，必须持续进行作业，并对岩石样品进行检验。冲孔施工采用梅花型冲击钻头，直径比孔径小20mm，采用小冲程开孔，并应使初成孔的孔壁坚实、竖直、圆顺，能起到导向作用，待孔内正常后才能进行正常冲进。成孔过程中根据土质的软硬程度调整冲程，最大冲程不宜超过4～6m，并应防止空锤；冲孔过程中应保持孔内水位高于孔外水位，一般保持孔内水位高于海面1.5m～2.0m以防桩底岩层出现渗水，影响冲孔的正常进行。

泥浆循环采用正循环工艺，施工中钻渣随泥浆沿孔壁向上排出处理（在钢管桩周围用钢板设置一个接泥浆的泥浆盘，与钢管桩衔接部分采用橡胶条止水），泥浆的循环通过泥浆泵将桩内泥浆抽送至泥浆箱内，再由泥浆泵将泥浆从泥浆箱抽送至施工桩孔底内形成循环系统。如图2所示。

图2 泥浆正循环示意图

3.3.3 旋挖钻进成孔

丁靠结构及引桥部分因施工钢平台空间足够大，因而采用旋挖钻进及干法施工技术，为保证平台稳定性，旋挖钻机先对四周的桩进行施工，并采取隔桩布置。为合理利用空间，设置两个4m×4m×1.5m钻渣收集箱，旋挖钻钻出的渣土装在箱中，并通过小型挖掘机进行清理装袋上船，上岸后利用渣土车运输至弃置点。旋挖钻施工前，用泥浆泵将护筒内的水抽干，表面淤泥清除后排放至泥浆箱内。钻机开至桩位处后，调整桅杆垂直度，使钻具的中心正对桩位中心。在钻进过程中，根据现场情况，对于较软的土层，直接用截齿筒钻钻进，取渣，遇到较硬土层时可用筒式钻头钻进取渣，遇到坚硬岩层时，先用螺旋钻头将其搅碎，再用旋挖筒取渣。钻进施工时随时观察旋挖机操作室中的深度显示仪，并对钻渣进行取样判定，达到终孔标准后停止钻进。在达到终孔标准后，用清孔钻斗进行扫孔和清孔，把孔底沉渣取出，沉渣厚度控制在5cm内。

3.3.4 下钢筋笼

冲孔达到设计要求的深度后，按规范对成孔进行质量检查、孔深、孔径符合要求后进行清孔，清孔时采用泥浆循环的工艺排渣，孔底沉渣厚度不得大于5cm（如孔内有泥浆，需将泥浆排出）。否则应进行二次清孔。严禁采用加深钻孔深度方法代替清孔，经监理工程师验收合格后，方可进行钢筋笼下放。钢筋笼在岸边进行集中加工。在完成后，由工作船将其分批运送至对应的施工平台，然后由带150t履带吊的平板驳进行吊装。钢筋笼主筋以套管形式联结，在钢筋笼外侧设适当的保护层垫块，以保证钢筋笼的中心位置。钢筋笼加设吊筋进行安装，待钢筋笼安装好后吊筋与钢管桩顶部焊接，防止钢筋笼上浮。

3.3.5 混凝土灌注成桩

混凝土采用管道灌浆，导管采用壁厚δ=5mm直径φ300的无缝钢管制作，每节长2～4m，采用快拆管器连接，并用胶圈密封。吊装前导管必须严格检查，导管使用之前应试拼试压。试验压力不应小于孔内水深压力的1.3倍，且不应小于导管可能承受灌注混凝土时最大管内压力的1.3倍，即P=1.3＊（24＊25.5-11＊25.5）=0.43Mpa。变形导管严禁使用，管内不得留有残渣，接头处不能使用已断裂的橡皮垫圈，接头的螺栓要均匀拧紧。导管安装时对准桩孔垂直放入，以下端下放至距孔底30～50cm为宜。在混凝土浇筑施工过程中，要严格按规范要求，控制导管的埋管深度，首批混凝土的埋管深度不得小于1.0m，混凝土浇筑过程中，埋管深度宜为2.0～6.0m。

混凝土浇筑前，应对泥浆性能进行检查，并符合要求：泥浆的相对密度宜取1.1～1.2，含砂率宜取4%～6%，稠度宜取20S～22S。

现场使用商品混凝土，7.0 m的水泥罐车运输到临时码头直接上1000t的带履带吊的平板驳船，运输至施工平台；靠船墩及系缆墩嵌岩桩由驳船上吊机用料斗配合导管浇筑。引桥及丁靠结构嵌岩桩通过运输船将混凝土运输就位后由平台上的50t履带吊，用料斗及导管配合进行浇筑（平台设计已考虑50t履带吊荷载，履带吊上平台时，选择合适潮位，抛锚定位后，通过甲板驳上的搭板行驶至平台上）。在混凝土灌注过程中要防止混凝土从漏斗顶溢出，注意观察管内混凝土下降和孔内水位升降情况，随时测量孔内混凝土高度，由专人指挥导管的提升和拆除。导管提升应保持轴线竖直和位置居中，逐步提升。防止埋入过深，难以提升或埋置过浅，因提拔过快造成混凝土脱空影响成桩质量。并随时计算该桩的混凝土灌入方量及充盈系数，了解孔内有无缩颈或坍孔、扩孔现象，做好施工记录。施工过程中，严禁不按规程将混凝土直接灌入孔中，混凝土应连续浇筑不得中断。混凝土灌注完成后，及时抽出钢管桩内的泥浆和水，防止泥浆沉淀后影响后期桩基检测和吊筋切割。

4.结语

综上所述，过去嵌岩桩的施工技术局限在设备上，现阶段通过更先进的旋挖钻设备，可以实现嵌岩桩更安全可靠的施工，从而提高施工进度，降低工程成本，对以后的嵌岩桩施工有一定的借鉴意义。