常晨曦

厦门第二东通道A2标六桩联动下沉技术可行性分析

常晨曦

（中交第二航务工程局第二工程有限公司，重庆 400042）

厦门第二东通道A2标前期技术策划中提出钢护筒六桩联动下沉方案。在定位船上设置整体式导向架和大功率液压振动锤，对六根钢护筒同时振动下沉，以提高沉桩施工的总体精度和高效率，在土层分布极不均匀的情况下，同时插打后可以根据需要对单桩进行后期补充插打。要求打入完毕后的钢管整体位于承台底面处中心偏差小于100 mm，钢管之间的相对偏差小于50 mm，倾斜度小于1/250，主要从设备、工艺、环保等方面进行了相关分析研究。

复合钢管桩；六桩联动下沉；液压振动锤；液压冲击锤

1 工程背景

厦门第二东通道A2标海中桥梁全长1 830 m，包含西非通航孔桥、西通航孔桥、中通航孔桥。中通航孔跨径为2×150 m，其余跨径均为90 m，深水区工段23个桥墩基础采用无栈桥水上平台法进行施工，墩台采用预制安装，桩基采用复合钢管桩基础设计，中航道桥桩基最大桩径为2.5～2.15 m、长度65 m；90 m跨等宽段钢箱梁桥的桩基最大桩径2.05～1.8 m、长度74 m。钢护筒作为永久受力结构需打入强风化花岗岩，需采用大能量液压冲击锤进行护筒施沉。

2 沉桩技术要求

深水区23个墩台全部采用预制安装方式，6个预留孔分别与6根钢管复合桩对应，沉桩的定位要求极高。墩台与复合钢管桩连接如图1所示。

平面位置偏差的墩台安装轴测视图如图2所示。外圆轮廓线分别与墩台座孔内圆轮廓线相切，可能会导致墩台无法下放安装。

3 桩基可打性分析

分析地址条件最不利的H15号墩：钢管桩程28.8 m，桩径2.5 m，底端两米壁厚32 mm，其余段为25 mm；入土深度18.12 m，采用GRLWEAP分析钢管桩的可打性。根据《港口桩基工程规范》（JTS 167-4-2012）以及《厦门第二东通道工程施工图设计阶段工程地质勘察报告》，H15孔位的参考极限侧摩阻力和端承阻力标准值分别如表1所示。H15孔位软件地层参数设置如图3所示。

图1 墩台与复合钢管桩连接示意图

图2 平面位置偏差的墩台安装轴测视图

表1 H15孔位不同土层对应的极限侧摩和端承阻力标准值

土层描述极限侧摩阻力标准值qf/kPa极限端承阻力标准值qR/kPa土层顶-底标高/m 淤泥流塑450-15.18、-15.78 中砂稍密40～501 600-15.78、-20.28 含卵石粗砾砂中密50～8010 000-20.28、-27.88 强风化花岗岩（砂砾状）手捏易散，遇水易崩解，采芯率86%～89%80～16020 000-27.88、-35.18

图3 H15孔位软件地层参数设置

液压冲击锤效率取0.85，侧摩系数取0.7，由于是大直径桩，忽略桩塞效应的影响，2.5 m直径钢管桩的可打性分析结果如图4所示。可见终锤时每锤最小进尺约8.6 mm，桩身最大压应力约为200 MPa。

图4 H15位的可打性分析结果

4 创新六桩联动下沉工艺分析

4.1 六桩联动下沉

前期技术策划方案提出一个创新的钢护筒六桩联动下沉思路：采用在定位船上设置的整体式导向架和大功率液压振动锤使6根桩基同时振动下沉，以确保沉桩施工的总体精度和高效率，也有利于节约造价。在土层分布极不均匀的情况下，同时插打后可以根据需要对单桩进行后期补充插打。打入的钢管，其整体位于承台底面处中心偏差小于100 mm，钢管之间的相对偏差小于50 mm，倾斜度小于1/250。在施工的各环节应严格控制钢管的变形、卷边。沉桩时可以采用桩内取土等助沉措施。

4.2 施工步骤

此工法的核心要素是预先在定位船上将6根钢管桩按照预先定位好的双层框架结构预拼装成为一个整体，然后联动下沉，最大的优点是桩之间的平面位置偏差可以得到最佳的控制。空间粗定位如图5所示。定位船锚定桩施沉如图6所示。六根桩整体竖转如图7所示。浮式限位器就位如图8所示。平面偏差调整如图9所示。

图5 空间粗定位

图6 定位船锚定桩施沉

图7 六根桩整体竖转

图8 浮式限位器就位

图9 平面偏差调整

4.3 技术可行性分析

4.3.1 夹具设计制造

6桩联动施沉的思路是通过单个液压锤将激振力均匀分配至6根桩顶，不同于6锤联动施沉，其面对的是单根超大直径钢护筒，例如港珠澳岛隧人工岛的8台APE600液压振动锤联动。多锤对单桩夹具设计三维图如图10所示。

图10 多锤对单桩夹具设计三维图

多锤对单桩的夹具设计思路是在钢护筒圆周上均匀分配夹持点，结构简单，受力明确，锤之间通过液压回路连接，容易实现各夹持点激振力调节分配；反之若要实现单锤或多锤对多桩的同步下沉，必须设计一个相当复杂庞大的专用分配夹具，其外形轮廓尺寸基本与墩台的几何尺寸一致，且下层需带6套子分配液压夹具，与6根钢护筒一一对应，需要独立的带动力系统的液压单元系统。夹具设计如图11所示。

图11 夹具设计示意图

4.3.2 振动锤性能要求

考虑到A2标深水区钢护筒需嵌岩，结合施工海域地址条件，当前实现单桩施沉的液压振动锤初步选型为YZ-400，其额定激振力为4 185 kN；如果要实现6桩联动下沉，理论上需要的激振力为6×4 185 kN=25 110 kN，实际上为了克服非均匀沉降阻力，这个激振力还应乘上一个放大系数。可见如果要满足6桩联动下沉的需求，只能采用多锤联动的方式，采用2X或4X的方式，那么夹具也要对应增加一层，变为三层，力的传递路径被再一次加长，衰减进一步放大，夹具的设计难度与制造难度进一步加大。多锤联动+多桩联动夹具设计如图12所示。

图12 多锤联动+多桩联动夹具设计示意

4.3.3 施沉工况

由于6根桩基需嵌岩，在施沉的过程中，每根桩底端面遇到的阻力并不完全一致，最极端的不利情况是：中心2根桩快速下沉，两侧4根桩遇到较大阻力无法下沉，下层子分配夹具两端可能会产生严重翘曲变形，甚至导致夹具体从钢护筒上脱落，整个传递力系完全失效。下层分配夹具翘曲变形如图13所示。

图13 下层分配夹具翘曲变形

4.3.4 环保

因振动锤激振力超过25 000 kN，预计其产生的噪声将会非常巨大，可能会远远超过施工海域的噪声环保标准，将对在大海中自由游曳的白海豚产生严重的威胁。

5 主流工艺

5.1 打桩船直接定位施沉

测量定位采用GPS测量定位与常规测量相结合的测量定位方法。打桩流程：打桩船驻位→装桩方驳驻位→划桩号→捆桩→移船吊桩→移船就位→吊立桩入龙口→关闭下背板→替打→调整龙口垂直度→测量定位→桩自沉→微调偏位→拆除吊索→压锤→锤击沉桩→打桩记录→停止锤击→起吊锤和替打→测桩偏位。

此工法的优点是工效高，每根桩的定位方式采用绝对坐标定位，桩之间的平面位置相对偏差控制一般，垂直度可控。

为减小墩台装配难度，可考虑施沉完毕后重新复测桩位，坐标，将数据传递到墩台预制场，对应微调预留孔平面位置。

5.2 浮吊+振动锤辅助定位施沉

此工法在港珠澳大桥中得到广泛使用，核心要素是钢管桩在上下双层导向架中得到，，三个自由度的精确调整。

首根桩定位如图14所示。

图14 首根桩定位

此工法的优点是桩的平面位置相对偏差可以得到精确控制，无需重新复测桩位的，坐标传递到预制场，有效缩短工作路径。

6 结论

综上所述，建议在打桩船和浮吊+振动锤定位施沉工艺中二选一，而六桩联动下沉的创新工艺可作为一项后续课题继续开展持续研究。

TU753.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.008

2095－6835（2020）01－0028－03

常晨曦（1971—），男，本科，研究方向为工程机械。

〔编辑：严丽琴〕