大直径钢管桩在复杂地质条件下施工的探讨(最新版)

大直径钢管桩在复杂地质条件下施工的探讨周伟1吕剑1周维2（1．中交第四航务工程勘察设计院，广州510230；2．中交第二航务工程局，武汉430071）摘要：码头大直径钢管桩在复杂地质条件下的施工在国内并不多见，特别是采用钻打结合的方法进行施工更是少有。本文通过巴基斯坦QICT二期项目这个实例，分别对大直径钢管桩在复杂地质条件下的设备选型、施工方法和最终承载力复核进行了分析和探讨，希望对今后同类型的结构型式问题的解决提供可借鉴之处。关键词：QICT二期项目；大直径钢管桩；复杂地质；钻打结合InstallationofLargeDiameterSteelTubePileswithComplicatedGeologicalConditionsZhouWei1LvJian1ZhouWei2（1.CCCC-FHDIENGINEERINGCO.,LTD,Guangzhou,China5102302.CCCC-SNEBENGINEERINGCO.,LTD,Wuhan,China430071）Abstract:Itisraretouselargediametersteeltubepiles,inparticularwiththemethodofdrillinganddriving,fortheconstructionofterminalswithcomplicatedgeologicalconditionsinChina.Thisarticle,takenQasimInternationalContainerTerminal2ProjectinPakistanasanexample,shedslightontheselectionofconstructionequipment,methodstatementofconstructionandcheckingoftheultimatebearingcapacityforthelargediametersteeltubepilesinstalledthroughcomplicatedgeologicalconditionsinthehopeofprovidingexperienceforthesolutionofissuesintheconstructionofsimilarstructureinthefuture.Keywords:QICTTerminal2Project;largediametersteeltubepile;complicatedgeologicalcondition;drillinganddriving11问题提出的背景[1-2]1.1工程概况QICT二期项目位于巴基斯坦卡拉奇市QASIM港，为现有QASIM港国际集装箱一期码头的扩建工程，工程内容主要包括填筑16万m2后场场地建造成集装箱堆场、建造长727米的码头及将泊位疏浚至水深基准点下16米处以保证吃水深度14米船舶通航，通过以上改、扩建，将现有码头建造成吞吐量为117.5万个标准箱的新集装箱码头。码头胸墙桩基为外直径φ2016mm钢管桩和AZ26形钢板桩，钢管桩共228根，壁厚24mm，设计底标高-27m，长度30.1m，全部为直桩；AZ26型钢板桩共456根，2根合为1组，壁厚6mm，设计底标高-19m，长度22.1m，钢管桩和钢板桩通过锁扣进行连接如图1所示。图1钢管桩和钢板桩连接示意图1.2地质条件由于本项目基槽开挖到-12.0m再行施打钢管桩，所以沉桩受影响的地质条件由上到下主要如下：第一层为密实的，灰色的，粉质细砂(海洋沉积)。分布不均匀，大致分布在-13.1m～-13.7m区间，N=32。第二层为极密实的，偶含贝类、粗砾石和稀疏粉质粘土薄层的粉质细砂。分布不均匀，大致分布在-13.7m～-17.8m区间，N=72。第三层为极密实的，浅灰色的，偶含粉质粘土薄层的粉质细砂。分布不均匀，大致分布在-17.8m～-20.7m区间，N=82。第四层为极密实的，浅黄色的，带有细到中等砾石的砂性粉质粘土。分布不均匀，大致分布在-20.7m～-21.9m区间，标准贯入器击入土中70mm时的锤击数N=50。第五层为极密实的，浅黄色和棕黄色的，不规则的中粗砾石和大量砾岩碎片的粘性砾石性粗砂。分布不均匀，大致分布在-21.9m～-26.7m区间，标准贯入器击入土中70mm时的锤击数N=50。第六层为极密实的，带浅黄色斑点的亮灰色的，偶带细砂的粉质粘土。分布不均匀，大致分布在-26.7m～-31.0m区间，标准贯入器击入土中110mm时的锤击数N=50。由以上地质资料可知，钢管桩沉桩区域地质条件比较复杂，钢管桩沉桩时需要穿过较厚的坚硬地质层，标贯基本都在80击以上。1.3问题的提出从以上情况可以看出，直径2016mm的钢管桩穿透如此复杂的地层，施工难度2是显而易见的。(1)钢管桩与钢板桩组合板桩码头是一种新型码头结构，两者之间通过锁扣进行联接，施工难度大；(2)大直径钢管桩在复杂地质条件下的施工在国内并不多见，特别是穿透80击以上的极密实土层更是困难重重；(3)国外咨工要求设计和施工均采用英标控制。其中垂直度控制在1:75以内；桩顶偏差控制在100毫米以内；桩中心到桩中心的间距偏差控制在±80mm以内。2施工方法的选择[3-4]为确定合理的施工方法，采用GRLWEAP程序进行试打分析，从而了解不同地质参数对打桩过程的影响。模拟计算拟采用200t起重船挂40t液压锤进行φ2016mm钢管桩的沉桩，补充参数如下：（1）锤型：V400A；（2）锤垫材料：钢丝绳；（3）锤垫厚度：30cm；（4）锤垫面积：25600cm2；（5）锤垫弹模：1035MPa；（6）锤垫回弹系数COR：0.8；（7）替打重量：7.1t；（8）钢管桩弹模：200000MPa；（9）钢管桩桩顶面积：0.152m2；（10）钢管桩桩尖面积：0.152m2；（11）钢管桩周长：6.33m。根据以上参数计算出用V400A锤击打φ2016钢管桩的情况，即在桩入土深度为15m的情况下，当桩的阻力为8000kN到16000kN之间时，V400A都能进行有效的沉桩，桩的拉应力和压应力均在允许范围之内，桩的贯入度在每锤5.6mm以上，满足施工要求。通过以上理论计算，并进行适打性分析，也就是把实际的土层情况、桩和液压锤的有关数据输入到程序中去，并用程序进行沉桩模拟，以了解锤的适用性和沉桩过程中可能遇到的问题。就本项目的情况来看，由于地基密实、含砂、标贯击数大，需要考虑桩是否可以贯入到一定深度的问题。因此我们选择了比较密实的地基情况进行分析，以了解在这样的地基条件下的沉桩过程。从而建立一套完整的理论基础。但是，在实施过程中，根据现场施工进度和市场设备情况，V400A液压锤没有现货，且海外的采购、调遣、关税等费用较高。为此，在选择桩锤时，充分考虑桩的形状、尺寸、重量、入土长度、结构形式以及土质、气象等条件，并选择一种能够克服桩的贯入阻力，包括克服桩尖阻力、桩侧摩阻力和桩的回弹产生的能量损失等一种桩锤的夯击能量。鉴于以上原因，故选用了现有D128柴油锤，并根据该柴油锤特性制定出一套行之有效的施工方案。通过前期计算和以往沉桩施工的经验，对于直径为2016mm的大钢管桩在这3种地质条件下采用D128柴油锤大多数是不能一次性打到设计标高的。为此，参考钻孔桩的施工方法，对于不能打到设计标高的钢管桩，施工时将采用“钻打结合”的方法，即首先利用打桩船将钢管桩初沉到硬地质层（停锤时按照贯入度控制，停锤时最后30击贯入度在5mm左右），再利用旋挖钻机在钢管桩内钻孔掏渣至设计桩底标高左右，最后用打桩船复打至设计标高。那么，要完成用旋挖钻机在钢管桩内钻孔掏渣，必须解决其所需的工作条件，根据现场情况，采用搭设钢栈桥平台作为旋挖的施工平台，该施工平台又可作为沉钢板桩的设备工作平台。3施工机具性能根据工程勘察地质特性、设计要求和相关海外施工经验，选用航工桩4挂D128柴油锤施打钢管桩和采用YTR220旋挖钻机进行桩内旋挖，主要设备参数如下。3.1D128柴油锤技术参数（1）上活塞重：12800Kg；（2）每锤打击能量：426500Nm；（3）打击次数：36-45i/min；（4）最大爆发力：3600KN。3.2航工桩4性能参数（1）船体尺度（长×宽×深）：47.4m×20.6m×3.6m，龙口在外侧；（2）桩架至甲板:58.6m；（3）仰俯角度:±30°；（4）最大起重量：80t；（5）最大桩长：48m＋水深；（6）龙口至船首：3.65m。3.3YTR220旋挖钻机主要性能参数（1）最大钻孔直径、深度：2m、60m；（2）最大输出扭矩：220KN·m；（3）钻孔转速：7～28rpm；（4）最大反转甩土转速：145rpm；（5）桅杆前、后倾斜角度：50、150。4工艺流程胸墙桩基施工工艺流程：施工区域挖泥--钢栈桥搭设--钢管桩初沉--桩内旋挖--钢管桩复打--钢板桩施打--进入下一个工序。沉桩施工工艺流程如图2所示。图2沉桩施工工艺流程图施工准备测量网复核及施工基线布置运桩运桩方驳抛锚定位打桩船抛锚定位吊桩、立桩入龙口下一工序施工起锤移锚定位锤击沉桩测量定位移船起吊下一根桩施打下一根钢管桩45主要施工方法[5-6]5.1临时钢栈桥搭设为了便于在钢管桩初沉后，给旋挖钻机提供一个钻孔操作平台，在钢管桩施工前在钢管桩岸侧搭设临时钢栈桥。根据地质勘查资料，普遍约在-20m～-22m为地质突变区，所以考虑到钢管桩沉至该位置时顶标高为+8m～+10m，故考虑旋挖施工的方便及钢栈桥结构上的稳定，将钢栈桥顶标高定为＋7m，初步确定结构形式如下：栈桥由多联连续梁组成，每联结构为5×12m的贝雷桁，栈桥桥面宽9m。QICT二期项目施工钢栈桥结构包括三大部分：面层结构、贝雷梁及下部桩基排架。面层结构为主要包括：8mm钢面板、横向间距300mm的纵肋I14以及纵向间距1500mm的横肋I32a；共采用三组贝雷梁，栈桥施工一侧贝雷梁采用三排单层，其它为双排单层；桩基排架采用两根φ800×10钢管桩、下横梁2I56a和φ600×8钢管平联组成。通过对桥面钢板、纵向分配梁内力、横向分配梁内力、贝雷架计算、下横梁计算可知上部结构受力的各项指标均满足规范要求。通过对排架作用荷载计算、桩基嵌固点计算、排架计算工况、建模分析及计算结果均表明下部排架计算满足规范要求。从ANSYS计算中可得知桩的最大轴力标准值：N＝2×667=1334kN≈136T力（2为安全系数），确定桩长为27m，桩底标高为-20m。钢栈桥施工时沿着钢管桩施打的方向向前推进（由东向西），形成流水施工。栈桥基础用打桩船+柴油锤施打，然后在吊车的配合下进行上部钢结构的拼装。临时栈桥结构如图3所示。图3钢栈桥典型断面图钢栈桥的拼装材料利用200t方驳运输,100吨履带吊配合安装。钢栈桥施工时所有焊接构件的焊缝表面不得有虚焊、夹渣、裂纹等现象。钢栈桥在其每跨影响范围内的钢管桩和钢板桩沉设到位后拆除，向前推进（首次拆除在大约沉码头钢管桩15根，并完成相应的板桩施工后进行）。上部结构由100t履带吊配合拆除，吊装到停靠在码头钢管桩后方的方驳上。栈桥桩拔桩利用陆上的100t履带吊配150型振动锤进行。拔桩如图4所示。5图4拔桩示意图拔桩后要仔细检查桩的完整性，有破坏的地方要及时进行修补，在潮水变换区部分的油漆要及时补上，以保证下阶段钢栈桥的安全性。5.2钢管桩初沉钢管桩初沉由航工桩4配D128柴油锤施打,锤垫采用直径25mm以上的粗钢丝绳割成小段，纵横分层铺设制成。钢管桩初沉打入硬地质层，停锤时贯入度控制在5mm左右。打桩船沉桩如图5所示。图5打桩船沉桩示意图钢管桩初沉是质量控制的关键，主要内容如下所示：5.2.1打桩船定位(1)平面控制桩位平面位置控制采用GPS定位，全站仪校核。打桩时，利用打桩船上的GPS直接测出桩的平面位置坐标，与设计坐标相比较，指挥打桩船移动到设计位置.桩的垂直度用靠尺在互相垂直的两个方向上控制。第一根钢管桩沉桩需要做GPS定位复核，即GPS定位后，利用一