鋼護筒海上施工工藝與質量控制研究

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摘要：巴基斯坦深水港碼頭前擋墻樁基施工克服了樁基總算多，直徑大，海上施工及地質條件復雜等困難，通過不斷實踐，針對連排式含鎖扣鋼護筒施工總結出行之有效的控制方法。

關鍵詞：鋼護筒；無覆蓋層；騎跨式導向架

1工程概況

1.1概述

巴基斯坦深水港碼頭項目位卡拉奇港keamari防波堤東側，為新建集裝箱深水碼頭，采用連續(xù)錨定板樁碼頭的結構形式。前擋墻長1.6km，基礎由637根帶鎖扣的鋼護筒鉆孔灌注樁。樁與樁間通過鎖扣連接，間距為2600mm，鋼護筒外徑為2500mm，壁厚20mm，長25m。

1.2工程地質條件

前擋墻鋼護筒施工在碼頭區(qū)域挖泥至-18m之后進行，地質層主要以堅硬的泥巖層和砂巖層為主（無側線抗壓強度qu為13~53（kg/cm2））。

1.3工程水文條件

水位：最高天文潮位+3.4m；平均最高高潮位+2.4m；平均最低高潮位+2.3m；平均海平面高度+1.6m；平均最高低潮位+1.1m；平均最低低潮位+0.4m；最低天文潮位-0.6m。

1.4工程特點

①前擋墻鋼護筒之間采用L型和T型鋼咬合的鎖扣連接，鎖扣間隙小，使得鋼護筒之間相互制約影響，樁身垂直度及平面樁位具有累加性，可調整空間小，對質量控制精度要求高。

②施工區(qū)域挖泥到-18.0m后，海床面只有30~50cm厚的回淤細泥沙，以下為堅硬的巖層。在沉樁過程中鋼護筒會直接遇到堅硬巖層，沉樁過程中樁身穩(wěn)定性差。

③平均海平面高度+1.6m，海床面為-18.0m，加之受導向架遮擋影響，長25m的鋼護筒在樹樁調整階段平均觀測長度僅有3-4m，對垂直度調整造成極大干擾。

④本項目鋼護筒采用機械半自動卷制螺旋焊管。在卷制過程中受人工微調及卷制誤差影響。鋼護筒樁身每道鋼板之間會出現0~5mm的錯位，產生局部的突起或凹陷，在觀測長度短的情況下對樁身垂直度判斷造成極為不利的影響。

2施工方案

2.1施工方案簡述

2.1.1階梯型騎跨式液壓導向架的定位及固定

將導向架放置在上一根已沉設鋼護筒上，在測量工程師的協(xié)助下對導向架前端鎖扣限位槽進行定位確保鋼護筒的沉設在前排樁前進軸線上。定位完成后夾緊導向架液壓夾鉗，并對導向架定位點進行復測，控制誤差在垂直前進軸線±10mm。

2.1.2鋼護筒的起吊與豎樁

鋼護筒運抵現場時，首先須檢查鋼護筒及鎖扣的線性、直徑，初步判斷鋼護筒是否大小頭、局部突起或凹陷，一并作為鋼護筒垂直度控制的調整依據。起吊之前鋼護筒底口處廢輪胎，防止在起吊過程中因鋼護筒自重使底口變形。豎立后，割除底口的十字內撐放入導向架，避免鋼護筒碰撞導向架。

2.1.3鋼護筒垂直度、樁位調整

在測量工程師的觀測配合下，通過在樁身頂端與底端鎖扣處焊接調節(jié)墊塊及兩端調節(jié)頂輪對鋼護筒的垂直度進行調整，確保沉樁后滿足樁基施工技術要求，平面位置偏差小于50mm，垂直度偏差不允許超過1/100。

2.1.4鋼護筒初沉

振動錘在起吊過程中要慢、穩(wěn)，避免碰撞。壓錘后復測垂直度，垂直度滿足要求后開始。振動錘啟動后先采取低轉速點震，使鋼護筒平穩(wěn)穿過海床回淤層，避免出現鋼護筒急速下沉的情況。隨著鋼護筒遇到堅硬巖層或如入深度較多而導致貫入度下降時，才逐漸提高振動錘轉速。當貫入度連續(xù)3分鐘低于5cm/min或鋼護筒頂口距導向架空間不足時停錘，當入土深度滿足穩(wěn)樁要求時便可進行下一根鋼護筒的沉設。

2.1.5鋼護筒復沉

在鋼護筒內旋挖過后進行，進行鋼護筒復沉，振動錘采用低轉速起震，再逐漸增加振動錘轉速至鋼護筒開始下沉。當貫入度突然增大或鋼護筒接近設計標高時應立即降低振動錘的轉速，并用采用點震的方式沉設到位。在復沉的過程中，如果貫入度連續(xù)3分鐘為0cm/min時應及時停錘，避免造成鋼護筒或振動錘的損傷。

3質量控制方法

3.1垂直度控制

垂直度控制是鋼護筒沉設質量控制的核心，分為豎樁調整、沉樁預防和整體預估三個方面。

3.1.1豎樁調整

當鋼護筒自然豎立在導向架中時，依據測量工程師提供的兩個軸線方向的垂直偏量分別可調節(jié)滾輪和在樁身頂端與底端鎖扣的焊接調節(jié)墊塊對鋼護筒的垂直度進行調節(jié)。在垂直度符合規(guī)范要求后，吊裝振動錘并在壓錘穩(wěn)定后再次檢測鋼護筒垂直度，確保沉樁前垂直度小于1/200。

3.1.2沉樁預防

由于海床面無覆蓋層，地質堅硬，在沉設過程中鋼護筒的穩(wěn)定性極差，樁身會出現劇烈的反彈和搖擺，從而使垂直度發(fā)生變化。應根據不同地質情況調整豎樁的垂直度精度。同時在沉設過程中及時調節(jié)振動錘的震動頻率，降低不利影響。

3.1.3整體預估

鋼護筒海上沉設施工采用鋼護筒全長25m，海床標高-18m，平均海平面高度+1.6m，加之受導向架遮擋、鋼護筒頂口變形的影響，鋼護筒在樹樁調整階段平均有效觀測長度僅有3-4m，對鋼護筒的局部凹陷或凸起，在如此短的觀測長度下幾乎無法發(fā)現，可能造成對樁身垂直度的誤判，甚至出現同一軸線兩側垂直偏量方向相反的自相矛盾的情況。

因此需對鋼護筒的垂直度控制還需采取整體預估的方法。鋼護筒的垂直度會受到前一根的影響，形成累計誤差。沉設鋼護筒在自然豎立的情況下垂直度應呈現出之前已沉設鋼護筒總體垂直度狀態(tài)，當觀測結果自相矛盾或與已沉設鋼護筒整體垂直偏量方向有沖突時以整體偏量方向為判斷依據，由此可排除對垂直度的誤判，確保沉樁質量。

3.2鋼護筒平面位置控制

平面位置控制可分為初沉、復沉階段控制和連排式鋼護筒總體長度控制。

3.2.1初沉階段控制

鋼護筒初沉階段主要依靠騎跨式階梯型液壓導向架控制樁位，通過導向架前端鎖扣限位槽控制鋼護筒的樁位。但是在鋼護筒沉設過程中，受基槽開挖不平、振動錘油管自重以及海床經無覆蓋層、地質堅硬所造成的樁身現劇烈的反彈和搖擺引發(fā)的樁位位移，情況嚴重時甚至引起的導向架發(fā)生錯位。為克服以上不利情況，初沉過程中樁位位移方向具有階段的一致性。根據已沉設鋼護筒的樁位位移情況對導向架前端鎖扣限位槽的定位進行反方向調整，同時在初沉過程中避免強震，從而對樁位進行控制。

3.2.2復沉階段控制

在鋼護筒復沉的過程中，強震是必須手段的。為了避免對鋼護筒樁位造成不利影響，可以通過以下兩種方式進行控制：①護筒初沉后，入土深度不滿足穩(wěn)定性要求時需復沉，當鋼護筒與導向架發(fā)生劇烈晃動時應立即調整振動錘震動頻率。②護筒初沉后，入土深度滿足穩(wěn)定性要求但樁頂距離導向架沒有足夠空間進行復沉，應繼續(xù)施打下一根鋼護筒，待需復沉鋼護筒兩端被已沉設鋼護筒固定后方可經行復沉。③護筒初沉后，入土深度不滿足穩(wěn)定性要求且樁頂距離導向架沒有足夠空間進行復沉，應進行護筒內旋挖后方可復沉。

3.2.3連排式鋼護筒總體長度控制

前擋墻鋼護筒共637根，鋼護筒的沉設后實際總體長度決定了碼頭的整體長度。在鋼護筒沉設過程中，受鋼護筒直徑誤差及鎖扣焊接誤差的影響，軸線長度誤差不斷累積變化。在優(yōu)先確保垂直度的前提下，通過鎖扣處焊接調節(jié)墊塊增大或減少鎖扣之間的間隙，從而對樁位軸線總長度做出微調，確保其在可接受的區(qū)間內，處于可控狀態(tài)。

4工程進展中出現的問題及解決方案

4.1騎跨式階梯型液壓導向架焊縫開裂

在沉樁過程中導向架始終處于劇烈震動狀態(tài)，搖晃和抖動對導向架產生極大的影響，日積月累造成導向架的焊縫出現開裂，甚至脫焊。為避免導向架的過度損壞，在鋼護筒樹樁調整的過程中嚴禁將兩端的可調節(jié)滾輪頂死，預留少量間隙以防止在沉樁過程中鋼護筒帶動導向架發(fā)生共振。如果在沉樁過程中由于地質層堅硬造成鋼護筒劇烈搖擺跳動所引發(fā)的導向架劇烈擺動，當立即降低振動錘的震動頻率，以避免對導向架造成過多損害。在沉樁完成后對導向架進行全面檢查，發(fā)現問題及時修補，防止問題擴大造成導向架無法使用或發(fā)生安全事故。

4.2鋼護筒頂口開裂

鋼護筒頂口開裂可分為三種情況：其一，護筒在沉設過程中在貫入度較低的情況下累積施打時間過長，造成鋼護筒頂口夾鉗處鋼板產生金屬疲勞而發(fā)生撕裂。應視沉樁貫入度的大小而定，當累積沉樁時間達到20-30分鐘后發(fā)生頂口撕裂屬于正常情況，在地質條件較好時應避免強震以減少此類情況發(fā)生。其二，護筒累積施打時間短，貫入度較大（15-20cm/min），且振動錘整體出現不正?；蝿樱撟o筒頂口夾鉗處鋼板整體斷裂，斷裂處向內凹陷。此類情況是由于振動錘夾鉗齒板無法夾緊或夾鉗整體松動引起的鋼護筒頂口夾鉗處鋼板溫度急速上升并受拉斷裂引起。更換夾鉗齒板或檢修夾鉗后可避免此類情況發(fā)生。其三，鋼護筒累積施打時間短，貫入度較?。?-15cm/min），且振動錘動力頭發(fā)生劇烈跳動，鋼護筒頂口夾鉗處鋼板發(fā)生整體斷裂，該情況在排除上述第二種情況之后仍繼續(xù)發(fā)生。應是地質堅硬造成振動錘整體反彈，使得頂口夾鉗處鋼板溫度急速上升并受拉斷裂引起。可在鋼護筒頂口夾鉗處焊接加強板避免此類情況發(fā)生。

4.3鋼護筒垂直度及樁位在沉設過程中發(fā)生較大變化

鋼護筒在沉設過程的傾斜和位移將對質量控制造成不利影響。主要原因如下：地質堅硬和無覆蓋層導致鋼護筒在沉設過程中穩(wěn)定性差；基槽不平，造成鋼護筒底部受力不均勻；鋼護筒頂口不平，造成擊振力無法垂直向下傳達。以上因素會造成鋼護筒的垂直度及樁位發(fā)生變化，可通過在樹樁調整過程中在鎖扣處焊接調節(jié)墊塊預防垂直度可能出現的變化，并提高垂直度控制要求至1/200。而對于樁位的變化可通過將導向架鎖扣限位槽進行反方向預留1-2cm進行預防。當發(fā)現在沉設過程中出現較大的變化時，應立即停止施打。如果滿足入土深度要求停止；如果不滿足入土深度要求，則重新夾緊導向架夾鉗后復沉，復沉時注意調節(jié)振動錘的震動頻率，避免強震。

4.4鋼護筒鎖扣在沉設過程中發(fā)生熔化

在沉樁過程中，鋼護筒始終處于震動狀態(tài)，使其與鄰近鋼護筒和鎖扣摩擦、熔化，最終導致鋼護筒相互連接無法復沉，甚至護筒內壁出現瘤狀物無法旋挖成孔。為了預防以上現象，可以通過焊接調節(jié)墊塊將相鄰鋼護筒的鎖扣相互分離，減少摩擦面，并在沉樁過程中采取噴水降溫的方式防止鋼護筒和鎖扣發(fā)生熔化。

4.5鋼護筒大小頭、中部突起或凹陷

鋼護筒受加工誤差影響，會有少量鋼護筒出現大小頭、中部突起或凹陷。此類鋼護筒可通過鋼護筒內徑驗收數據或目測發(fā)現。大小頭型鋼護筒可根據現場已沉設鋼護筒垂直度修正方向決定其大頭向上或向下，妥善運用可加大單根鋼護筒對垂直度的糾正效果，有益于連排式鋼護筒垂直度調節(jié)、控制。而中間突起或凹陷型鋼護筒則需要提前記錄其位置，避免在樹樁調整階段造成垂直度的誤判，同時鎖扣焊接調節(jié)墊塊應避開問題部位，防止鋼護筒下放的過程中出現鎖扣卡死的情況。

4.6沉設完成后鋼護筒底口變形

個別鋼護筒沉設完成后旋挖成孔過程中，在鋼護筒底口處發(fā)生卡鉆。經過鋼護筒內抽水后對鋼護筒內檢查發(fā)現，鋼護筒垂直度滿足1/100要求，但底口失圓變形嚴重，無法滿足旋挖鉆頭直徑要求，該情況是由于相鄰兩根鋼護筒鎖扣方向的垂直偏量方向相反造成的，使得鋼護筒底口部位相互擠壓變形，造成鎖扣方向內徑變小。由此得出，連排式鋼護筒沉設垂直度控制需逐步糾正，不可單次大幅度調整，嚴禁相鄰鋼護筒軸線先進方向垂直偏量方向相反。

5結束語

該項目前擋墻樁基鋼護筒沉設施工克服了樁基總數多，直徑大，海上施工及地質情況復雜等諸多困難。通過不斷是實踐，針對連排式含鎖扣鋼護筒施工總結出行之有效的質量控制方法。由于連排式鋼護筒彼此相連、相互影響、相互制約，以其獨有的特性對鋼護筒沉設的質量控制提出了更高的要求。在施工過程用要勤觀察、勤測量、勤總結，堅決不可麻痹大意，力求穩(wěn)妥，切忌求快。只有在保證質量的基礎上才能保證進度。

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作者：胡仁華 單位：中交二航局五分公司