大直径PHC 管桩施工技术在海上的应用

2022-11-03许谷星谢玉磊

工程建设与设计 2022年19期

许谷星，谢玉磊

（江西省地质工程（集团）公司，南昌 330030）

1 引言

大直径PHC 管桩（直径≥1 m）具有结构强度高、刚度大、结构承载力大、耐锤击能力强、抗弯能力高、可贯入性好、抗渗性能好等特点[1]。随着工程建设技术的快速发展，大直径PHC管桩从工业建设发展到海上码头和桥梁的应用。由于在海上施工环境的特殊性，潮汐使海水平面起伏不定，洋流对桩身的破坏等问题的影响，需要在施工过程中综合考虑，严格控制施工质量。本文通过福州港沙埕港区某作业区项目的大直径PHC 管桩施工，对施工过程进行严格控制并提出关键施工技术，确保了施工质量及工期。

2 工程概况

2.1 项目概况

福州港沙埕港区某作业区为一个5×104t 级通用泊位，装卸的主要货种为红土矿、建筑用砂和石板材，设计年通过能力为1.9×106t。码头总长275.0 m，宽24.0 m，共分4 个结构段，长度分别为66.5 m、66.5 m、66 m、76 m。码头平台北侧两个结构段桩基采用直径1 200 mm PHC 管桩（C 型）结构：单个排架布置7 根桩，其中有两对叉桩，PHC 桩持力层为强风化凝灰熔岩。连接码头平台是3 座栈桥，其中两座栈桥长80 m，另一座长25 m，栈桥宽度均为13.25 m。栈桥排架由3 根直径1 000 mm PHC 桩（B 型）组成，PHC 桩持力层为强风化凝灰熔岩。桩顶现浇C40 横梁，上设空心板、现浇层及磨耗层。

2.2 岩土特征

根据勘察野外钻探报告显示本工程地层分为8 个工程地质层。

①素填土：顶板标高24.68 m，层厚7.60 m，土层呈灰黄色，成分主要由凝灰熔岩风化砂土组成，松散，稍湿～湿。

②碎石：顶板标高-0.55～15.71 m，层厚0.80～4.70 m，土层呈深灰色，碎石含量约占60%，岩性主要以中风化凝灰熔岩为主，稍密，稍湿～饱和。

③淤泥：顶板标高-19.70～-0.44 m，层厚1.45～33.60 m，土层呈深灰色、浅灰绿色，成分主要粉黏粒，流塑，饱和。

③-1 粉砂：顶板标高-44.16～-33.15 m，层厚2.20～8.05 m，成分主要为粉砂，松散～稍密，饱和。

③-2 碎石：顶板标高-43.55～-26.76 m，层厚0.73～5.37 m，碎石含量约占50%～60%，松散～稍密，饱和。

④粉质黏土：顶板标高9.14～80.28 m，层厚0.50～5.60 m，成分主要为粉黏粒及少量砂粒，可塑～硬塑，稍湿～饱和。

④-1 含碎石粉质黏土：顶板标高31.06～66.18 m，层厚1.50～6.30 m，成分主要由粉黏及砂粒组成，可塑～硬塑，稍湿～饱和。

⑤含碎石粉质黏土：顶板标高-51.90～-6.33 m，层厚0.70～7.00 m，成分主要由粉黏及砂粒组成，硬塑，饱和。

⑥全风化凝灰熔岩：顶板标高-49.05～78.48 m，层厚1.10～4.90 m，矿物成分基本风化破坏，岩芯砂土状，砂感强，湿水易软化。

⑦砂土状强风化凝灰熔岩：顶板标高-53.90～76.68 m，层厚0.80～15.40 m，砂感强，湿水易软化，崩解。

⑧碎块状强风化凝灰熔岩：顶板标高-58.68～-8.00 m，层厚0.60～4.45 m，岩石坚硬程度为软岩，为破碎状态，等级为Ⅴ级。

2.3 水文情况

工程水域受地形控制，湾内基本上是往复流，深槽部分涨落潮流向基本上与槽向一致，而浅滩和湾沃部位流向略有分散，潮流呈旋转流性质。本海区涨潮历时与落潮历时相差不大，涨、落潮潮差也相差不大，呈正规半日潮的特性。

3 施工工艺

打桩船驻位→运桩方驳就位→划桩→移船吊桩→桩入龙口、套替打→沉桩就位→桩和替打自沉→压锤→锤击施工→夹桩施工→截、接桩。

4 施工控制要点

4.1 平面控制

PHC 管桩定位采用GPS 仪器进行测量放样，沉桩前期，岸上设1 台全站仪、2 台经纬仪按前方任意角交会法[2]进行初步复核无误后，再采用GPS 进行最终定位。在使用过程中定期用GPS 静态测量的方法进行复核校正。控制点测量尽量采用一个固定的测量方法，避免系统误差，确保轴线顺直。

4.2 高程控制

在码头布设水准观测点，观测点采用铜芯制作，施工过程中做好保护措施。标高测量采用高精水准仪测量，根据施工需要可在合适区域增加临时水准观测点。

4.3 预制桩装船

装船过程中，按照沉桩顺序表以及桩驳图进行落驳，遵循“以先施工后装，后施工先装”的驳桩原则[3]，避免后期施工出现翻桩。叠放层数≤3 层，且同一层内，先施工的摆放在两侧，后施工的摆放在中间。 PHC 管桩重量不超过驳船装载限重的70%，保证航行安全。装船过程中，对每根桩进行严格的质量检查。主要检查项目：长度、直径、轴线偏差、桩头垂直度、吊点、合格证、数量等，表格填写相应情况。

装桩时，底层下设置4 个支点进行搁置，搁置处设在桩端2 个吊点附近，垫块水平度需要符合平整度要求，每层之间采用方木隔垫，每层隔垫安放在同一位置并加塞木楔确保管桩堆放稳固，无活动现象，最后采用紧固绳进行固定，以免在航运中PHC 管桩相互碰撞而损坏，如图1 所示。

图1 运桩船上桩的固定示意

4.4 试桩

在正式施工之前，进行试桩施工，确定各项施工参数。

1）确定试桩区各土层的桩侧摩阻力和桩端极限阻力的两个标准值，确定桩端闭塞效应系数及选择码头区域基桩的合理持力层，为确定桩长提供根据。

2）根据各打入桩的沉桩情况，为正式施工的锤型和停锤标准提供参考资料。

3）通过高应变动力测验，为以后工程桩检测并确定桩基承载力提供依据。

4.5 沉桩设备的选择

4.5.1 打桩船

打桩船的桩架高度应满足最大桩长与水深之和的要求，其动力系统能适应本工程的海上施工条件。使用的打桩船主要参数见表1。

表1 打桩船主要性能参数表

4.5.2 桩锤选择

本工程桩基为φ1 200mm、φ1 000mm PHC 管桩。根据试桩施工参数，锤型采用D128 型柴油锤，D128 型柴油锤性能主要参数见表2。

表2 D128 型柴油锤性能参数表

4.5.3 沉桩停锤标准

沉桩停锤标准以标高控制为主，贯入度仅作校核[4]。当桩尖未达到设计标高，采用D128 型，油门三挡，贯入度已小于5 mm/ 击，应继续锤击，锤击30～50 击或锤击100 mm，若此时，平均贯入度仍小于5 mm/ 击，且高程相差小于1 m 时，可停锤，若大于1 m 时，应另行研究处理。

5 沉桩施工工艺

5.1 打桩船驻位

打桩船顺流抛八字锚、前后抽心锚、上游打桩船施工段辅助锚共7 根锚缆，端部安装锚重12 t 的海军锚6 口，缆长约500 m，缆径47.5 mm，两口12 锚备用，施工过程中应根据潮位等施工环境变化可调整锚缆的长短。

5.2 运桩方驳就位

为便于起吊，运桩方驳在打桩船左前定位（打桩船主钩在桩顶一侧），如图2 所示。

图2 打桩船锚缆布设示意图

5.3 划桩

桩顶以下10 m 范围采用红色油墨按10 cm 的间距进行半圈刻画标线，其余范围采用间距为50 cm 划线。

5.4 移船吊桩

待桩驳驻位后，打桩船松前进缆同时绞后锚和一侧边锚使打桩船以最快速度靠近桩驳，船头转到运桩驳一侧进行吊桩，采用四点吊起吊（采用四点吊时，下吊索长度取0.5～0.6L（L 为桩长），吊桩高度H' 不宜小于0.8L），进龙口采用桩头2点吊。

管桩起吊时，先平稳起吊到一定高度，再进行上部大钩回收，起主要提升作用，下部大钩缓缓放松起辅助作用，以免管桩无序晃动，最后进行立桩。

5.5 桩入龙口、套替打

立桩完毕，通过调整桩架的垂直度和替打的高度使管桩上口嵌入替打装置，完成桩入龙口，此时将下部大钩落下并卸除，然后关闭抱桩器。

5.6 沉桩定位

打桩船通过采用RTK GPS 模式的3 台GPS 站和2 台倾角传感器进行调整船体的位置、方向和姿态，通过调整直至桩位符合设计要求后进行沉桩。图3 和图4 分别为船上定位仪和定位控制室。

图3 船上定位仪

图4 定位控制室

5.7 桩和替打自沉

桩定位完毕，启动电动机，控制锤和替打的钢丝绳缓慢下降，使桩和替打缓慢下沉，自动下沉至海底面。

5.8 压锤

桩自沉至不能再下沉后，逐步减少钢丝绳的拉力采用桩锤进行压锤[5]，在压锤过程中需要不断观察桩的偏位和垂直度的情况，如果出现偏差过大情况，应停止压锤并提升桩锤，通过调整打桩船锚缆和桩架垂直度已满足设计要求后重新压锤。

5.9 锤击施工

压锤结束后，先替打，同步采用GPS 和倾角传感器观测桩的偏位及垂直度，当桩位及垂直度满足设计要求时，可以开始锤击。管桩施工顺序为平行后退法施工。桩顶标高及贯入度由岸上水准仪和桩架上的高程监测系统实时控制及校核。打桩贯入度可以通过桩身划线测量下沉量和配备“锤击计数器”记录的打桩锤击数进行计算，满足设计要求后停止锤击结束施工。