洋山港三期码头工程抛石区桩基施工技术

仇小桂，李聪

（广州南华工程管理有限公司，广东 广州 510230）

1 工程概况

洋山深水港区三期码头工程顺接已建一期码头的东部，位于镬盖塘岛与小岩礁岛之间[1]。三期码头第一分段为过渡段，长84 m，宽66 m，面层设计标高+8.1 m，桩基为φ1 800 mm钢管桩，设计桩长69 m，大部分区域为一期工程护岸抛石区，抛石底面标高-16.5～-5.5 m，厚度8～24 m。

为使钢管桩穿透抛石层，需在抛石层冲击成孔，冲孔直径≥2 000 mm。冲孔需基本穿透该抛石层（孔底预留3～4 m），冲孔完成后再相应分节逐根吊打φ1 800钢管桩，冲孔数量39根。

2 施工工艺方案

2.1 施工工艺流程

水下地形测量及探摸→局部清理抛石→抛填3～4 m袋装砂人工基床→施工平台钢结构加工→施打部分承台、码头钢管桩→拼装贝雷组合梁→钢套管焊接组装→安装钢套管支架、施打支撑桩→安装贝雷梁、铺设型钢及钢板等→钻机就位、冲击成孔→分节吊打钢管桩→拆除钢平台、转场施工承台桩，施工码头上部结构[2]。

2.2 局部水下削坡清石、袋装砂人工基床抛填

在不影响岸坡稳定和一期码头、接岸结构安全的前提下，适当削坡清石，清石后顶面标高为-15 m，将部分区域表层抛石置换成3～4 m厚袋装砂人工基床，减薄抛石层厚度，改善沉桩条件，可直接锤击沉桩增加6根，达到降低工程成本、加快施工进度的目的。同时也为后续冲孔施工平台的搭设（钢套管支架的支撑桩及第一级外护筒底部稳定）和冲击成孔（阻止泥浆透漏）创造条件，提高施工平台和钢护筒的稳定性。

2.3 钢平台施工

1） 钢平台设计

经水下地形测量和探摸，冲击成孔的钢施工平台搭建在具有双向斜坡（岸侧向海侧约1∶4，西向东约1∶6）的抛石层上，垂直支撑桩难以打入抛石层一定深度，钢平台的垂直支撑桩与水平横向支撑无法一次拼装成型后安装就位，因此采用钢套管支架方式建立钢平台的支撑系统。为减少钢套管支架的支撑桩长度，将钢套管支架顺码头前沿线方向布置在码头岸侧。为利于支撑桩和顶层型钢受力状况，钢平台的每榀钢套管支架设计为双层水平横向撑和9根支撑桩结构。根据设计高水位和台风期间波浪高度等指标，钢平台顶面高程为+6.0 m，宽45 m，长84 m，共3 780 m2。

2） 钢平台搭设

钢套管支架安装顺序：先安装靠近码头已沉钢管桩排架的1榀钢套管支架，用已沉钢管桩定位和加固，再逐榀安装钢套管及施打支撑桩。

钢套管支架和钢支撑桩安装工艺：根据第一榀钢套管支架平面位置，在已沉桩排架岸侧4根桩上焊接好钢套管定位和加固钢撑，在钢套管支架4个角部，分别临时搁置和电焊固定槽钢作临时工作平台。将4根角部支撑桩插入钢套管内，用钢抱箍固定支撑桩，起重船起吊钢套管支架暂置于水中（钢套管支架自身可浮在水中，上层钢水平撑有半个断面浮出水面），用已沉桩排架上的定位钢撑临时进行平面定位，放松支撑桩上钢抱箍将支撑桩直接落至人工抛填袋装砂顶面。振动锤分别施打4根支撑桩穿透袋装砂层，尽可能进入抛石层一定深度。起重船再次起吊钢套管支架到设计标高，调整平整度后及时与已沉桩排架的联系撑及钢支撑桩焊接牢固，再用起重船起吊和振动打入剩余5根钢支撑桩，并将支撑桩与钢套管焊接成整体。同样安装其它钢套管支架，支架之间采用钢板电焊连接，靠近一期码头的钢套管支架与预留防撞桩用钢支撑电焊连接，如图1。

图1 导管架安装Fig.1 Jacket installation

2.4 冲孔施工

1） 钢护筒设计

根据经验[3]，考虑在护筒与抛石的摩阻力等作用下，冲击成孔时每级钢护筒的跟进进尺一般约在3～4 m，为保证孔内水头和防止抛石浅层（5～6 m以上范围）内空隙串孔漏浆，需采用内外二级护筒。同时为防止冲孔过程中出现意外，冲孔桩各级护筒直径按三级护筒跟进工艺设置（一般采用二级护筒跟进，抛石厚度大于15 m的桩用三级护筒跟进）。由于冲孔桩桩径较大，为防止护筒底部在锤击跟进时出现卷边现象，钢护筒采用δ20 mm16Mn钢板制作。本工程抛石层下卧土层为软弱淤泥层，冲击成孔接近孔底时，下卧软土层在冲击作用下将会下沉，可能导致上层的桩孔出现塌孔现象，为此孔底需留3～4 m厚抛石层不冲击成孔，此后直接沉钢管桩穿透抛石层。

钢护筒配置与抛石厚度的关系确定：①抛石厚度在10 m以内的桩采用一级钢护筒，钢护筒跟进3～4 m，最大冲击成孔总深度6～7 m；②抛石深度在10～15 m的桩采用二级钢护筒，一、二级护筒跟进总进尺6～7 m，冲击成孔总深度7～12 m；③抛石厚度大于15 m的桩，首先仍用二级钢护筒，冲击成孔至抛石底部以上3～4 m时停止冲击。当出现塌孔或泥浆渗漏量大无法形成有效循环系统时，沉放第三级钢护筒跟进冲击3 m左右，孔底留3～4 m抛石层。每级钢护筒的第一节护筒长度L1、L2、L3和护筒数量根据局部削坡处理的标高确定，第一级、第二级、第三级钢护筒直径分别采用2 330 mm、2 200 mm、2 070 mm。冲孔时每节跟进接长的钢护筒分节制作，每节长度为1 m，跟进时现场焊接。

2） 钢护筒沉放

在钢平台的贝雷梁之间，设置两层导向架，用起重船将第一级钢护筒的第一节吊入定位孔内，调整护筒垂直度后，用振动锤锤击沉放，穿透袋装砂层，尽量进入抛石层，控制振动锤锤击能量，防止筒底卷边，同时要尽可能防止偏心受力，以保证护筒的垂直度。

第二级钢护筒的第一节仍用起重船吊入桩孔内，跟进接长的钢护筒（每节长度1 m）用吊车起吊就位后焊接，用振动锤振动跟进。

3） 护壁泥浆

本区域的抛石缝隙较大，为保证在冲孔时形成较为稳固的孔壁，以及防止泥浆流失，需对抛石间的缝隙进行注浆充填固结并进行护壁。

泥浆选用：①冲抓清渣阶段，用水泥黏土类浆液；②气举反循环或正循环清渣阶段，用重晶泥浆。冲孔全深度范围内均进行泥浆充填固结。

4） 冲击钻头

采用“五瓣特制”冲击钻头，钻头直径比相应的各级钢护筒内径小50 mm，定制加工、整体铸造，上设导向筒。该钻头设计构想：①五瓣钻头可提高冲击破石的工作效率；②在抛石顶层4～5 m范围内的桩孔护壁尚未稳固，极易产生透水塌孔现象，每进程冲击时钻头导向筒不全出钢护筒，如出现塌孔现象，仍可保证不会埋钻；③钻头底部直径比导向筒直径大200 mm，在冲击时达到扩孔效应，增加钢护筒跟进进尺。

在抛石深层钢护筒无法跟进时（或无钢护筒冲击成孔时），采用无导向筒的五瓣铸钢钻头，此时在一定区域内抛石的空隙基本得到填充，抛石之间得到固结，桩孔已能形成较为稳定的护壁。

5）冲击成孔和清渣

各深度范围内冲孔和清渣工艺如下：

①浅层冲击成孔和清渣工艺（冲击深度0～4 m）。第一级钢护筒（外护筒）沉放后，在浅层冲孔时泥浆处于大量渗透和注浆填充抛石空隙阶段，桩孔四周难以形成有效护壁，孔内泥浆无法起到浮渣作用，该阶段采用冲抓锤边冲击边抓捞石渣工艺进行冲击成孔和清渣。在该深度范围内用冲击挤压和渗透注浆工艺固结孔壁，即边冲击清渣边填充固结和护壁材料，使桩孔四周的抛石空隙内填充足够的凝结材料，形成一定的结构层，以保证桩孔顶层抛石的稳定。

②第二阶段冲击成孔和清渣工艺（冲击深度4～7 m）。当第一级护筒（外护筒）在各种阻力作用下无法跟进时，沉放第二级钢护筒（内护筒）。该深度仍处于容易出现塌孔阶段，此时采用五瓣带导向装置的钻头在护筒内冲击破石，每进程最大达到50～80 cm时，及时跟进护筒，确保钻头的导向筒不全出钢护筒，以防塌孔埋钻。该阶段采用气举反循环清渣工艺，重晶泥浆比重控制在1.7～1.9 g/cm3。如桩孔护壁已形成，且泥浆循环系统已建立，亦可采用正循环排渣冲击成孔（采用重晶泥浆）。第二级钢护筒内冲孔工艺如图2所示。

图2 钢护筒内冲击成孔示意图Fig.2 Sketch of impact hole in steel casing

③第三阶段冲孔和清渣工艺（冲击深度大于7 m）。当第二级钢护筒在锤击作用下仍无法跟进，且泥浆已充填入桩孔四周抛石层一定范围，上层抛石已基本固结，形成不透水层，孔内泥浆能起到护壁作用，正循环冲孔防漏浆条件基本具备，可用无导向筒的钻头直接冲击成孔，该阶段用正循环清渣工艺，泥浆比重仍控制在1.7～1.9 g/cm3（重晶泥浆），当泥浆中石渣含量达到25%左右时，需循环更换新浆，继续冲击成孔。

6） 护筒跟进

在第一和第二阶段，每冲击进尺50～80 cm，即进行护筒跟进。在钢护筒自重作用下已不能跟进时，用汽车吊起吊振动锤锤击钢护筒，将钢护筒沉放到孔底。每级钢护筒除第一节根据孔深加工制作，跟进接长的钢护筒每节加工长度1 m，采用汽车吊吊装后在孔口焊接接长。

7）冲孔过程出现主要问题的原因、预防及处理

①钢护筒无法跟进

产生原因：由于钻头直径小于钢护筒直径，遇大的探头石，钢护筒受阻后无法跟进。

处理方法：向孔内抛填块石，利用冲锥（8 t）冲击时产生的锲胀力，将探头石推到钢护筒壁以外或冲碎。

②斜孔

产生原因：由于抛石层的不均匀性，石块大小不一，强度不均，冲孔时极易产生斜孔现象。

处理方法：每次跟进钢护筒时，必须测量钢护筒垂直度，偏斜＞0.5%时，将钢护筒上提，向孔内抛填块石，重新冲孔纠偏。

③卡钻

产生原因：从孔壁向下掉石块。

预防措施：加强造壁，使孔壁密实、牢固，增大泥浆密度和胶体率，并采用钢护筒跟进冲孔工艺，即边冲击进尺、边沉放钢护筒。

处理方法：在钻头腰带上挂2～3只锚钩，强行上拔。

④漏浆、塌孔

产生原因：抛石间隙充填不密实，造壁不密实。

处理方法：向孔内抛填块状膨润土、碎石、水泥，用冲击钻头冲击挤压，封堵抛石缝隙、密实孔壁，同时采用“加重泥浆”悬浮石渣。如仍无法解决时，则采用灌注水下混凝土工艺填充漏浆和塌孔部位，等待3 d后再冲击成孔。

⑤钢护筒底部卷边产生原因：锤击能量过大，贯入度控制不好。处理方法：利用冲击钻头直接冲击磨碎，磁铁捞渣。

2.5 吊打钢管桩

由于受现场条件限制，打桩船无法就位直接沉桩，故采用起重船起吊打桩锤吊打钢管桩（简称吊打）。码头桩为φ1 800δ22（δ20）钢管桩，设计桩长69 m，根据起重船船型及工程地质情况，钢管桩分二节吊打。

1） 锤型选择

因桩尖需穿透3～4 m抛石层，用柴油锤锤击沉桩时邻近桩孔存在安全隐患。同时冲孔区靠近一期码头和承台结构，对抛石区岸坡稳定和结构安全不利，故选用SH30型液压锤（最大锤击能量约为360 kN·m）施打钢管桩，并配置专用替打和吊笼。

2）钢管桩分节吊打工艺

第一节桩施打工艺：当某一桩孔冲击成孔至预设的孔底标高时，起吊钢管桩垂直沉放至孔底，调整桩身垂直度及稳桩后，起吊和就位替打及液压锤，启动液压锤沉桩，桩顶标高达到+7.0 m时停止沉桩。钢管桩需打穿抛石层，施打钢管桩时由于桩尖滑动导致桩身侧向位移，需密切观察桩身对钢平台的侧向挤压作用，如挤压作用较大则需拆除钢护筒与钢平台的连接，避免钢平台在侧向力作用下发生整体位移。

第二节桩施打工艺：局部区域成批桩孔完成且第一节桩施打后，集中施打第二节桩，避免对冲孔桩施工的干扰。为利于上、下节管桩的对接，施打上节管桩前，在下节已沉管桩的顶部外侧焊接4个定位卡口。起吊上节钢管桩插入下节管桩的卡口内，使桩底与第一节管桩对接。根据设计要求，立即焊接上、下节钢管桩。经无损检测合格后，开始施打整根钢管桩直至设计标高。

2.6 施工期间结构安全监测

由于施工位于一期码头工程东围堤的护岸抛石区，削坡清石、冲击成孔和锤击沉桩期间，在东侧围堤和邻近码头、承台等结构上分别布设3～4个沉降位移观测点。在施工期间，严格按设计要求进行观测，并定期将观测资料报有关部门审核；同时对一期码头面层开裂、钢平台连接脱焊和抛石泥面变化等情况进行定期检查。施工期间均未发现异常情况。

3 结语

洋山港三期码头工程抛石区冲孔沉桩，工艺复杂，工况条件差，工期紧，施工难度大。冲孔吊打沉桩工艺遇到抛石层厚度之厚、桩径之大且数量之多也是首次。根据设计要求，现场对全数（39根）上、下节管桩焊缝进行超声波检测，结果符合相关技术要求；11根桩尖未达到设计标高的桩做高低应变动测，承载力满足设计要求，桩身完整性良好；说明本工程的冲孔吊打沉桩施工是成功的。但沉桩的正位率有待提高，吊打设备还需改进。

[1] 程骁.上海洋山深水港工程建设和施工技术[C]//2004年海峡两岸地工技术/岩土工程交流研讨会论文集.北京：中国建筑业协会深基础施工分会，2004：314-317.CHENG Xiao.Building and construction technology of Yangshan deepwater port project in Shanghai[C]//Cross-strait geotechnology of 2004/Proceedingsof geotechnical engineeringexchangeconference.Beijing：Deep Foundation Construction Branch of China Construction Industry Association，2004：314-317.

[2]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.洋山深水港一期工程码头结构设计[R].2003.CCCCThird Harbor Consultants Co.，Ltd.Wharf structuredesign of phase IYangshan deepwater port project[R].2003.

[3] 尹海卿，徐明贤.水上抛石区冲孔吊打桩施工技术[J].港工技术与管理，2006（6）：31-37，40.YIN Hai-qing，XUMing-xian.Punching pile beating and hanging construction technology at water riprap area[J].Technology＆Management of Port＆ Harbor Engineering，2006（6）：31-37，40.