复杂地基下双定位沉桩系统应用

罗泽 中交四航局第三工程有限公司

钢管板桩组合结构充分利用钢管桩抗弯能力强的特点，作为组合体系中的主要受力构件，承受码头后方全部的土压力、水压力，另外作为基础结构，还可以承受较大的竖向荷载。钢板桩通过锁扣与钢管桩相连，钢板桩承受管桩之间土拱范围内的土体压力，并通过锁扣将土压力传递到钢管桩，钢板桩可较短，进入墙前冲刷土层下即可。钢板桩的刚度相对于钢管桩较小，两者通过锁扣连接协调变形，钢板桩分担的弯矩非常有限，钢板桩具有较低的抗弯性能即能满足要求，即“强柱弱梁”。1963年在日本首次运用以来，在世界各地深水码头都进行了使用，例如土耳其的YARIMCA15 万吨级集装箱码头、德国汉堡港15万吨级No.7集装箱泊位及比利时Zeebrugge Wielingen Dock &Albert II Dock等。钢管组合板桩体系也应用到各类城市土木的挡土止水围护工程和桥梁基础工程等方面，比如蔡甸汉江公路大桥的施工围堰，日本的帷子川桥、东京港联络桥和古宇利大桥等。尼日利亚项目码头前墙桩采用管板组合桩结构。

尼日利亚项目前墙桩最大桩径2.3m，桩长41m，施工区存在不同深度硬质夹层，项目通过改进定位系统，有效解决复杂地基下管板组合桩高精度施打难度的问题。

1.工程概况

尼日利亚项目工程采用钢管桩+钢板桩组合结构型式，码头前沿设计水深-16.5m，码头面高程5.45m，建成后可停靠最大船型18000TEU集装箱船，年设计通过能力120万标箱的大型集装箱码头。前墙部分设计使用的是管板组合桩，桩体的规格设计为Φ2300mm+AZ26-700、Φ2000 mm+A Z 26-700。轨道梁部分的钢管桩规格为Φ1150mm。后锚墙部分采用的钢管桩规格为Φ1400mm。前墙与后锚钢管桩之间通过φ1400mm GLG550钢拉杆连接，间距3.76m和3.46m，1组2根，具体如表1所示。

表1 钢管桩情况

2.地质条件分析

结合地质勘察报告数据来看，施工区域的地质以砂性土为主，具体包括：中砂层、粗砂层、细砂层、黏性土层等。顶部为松散砂层，其下至约-7.5m左右为密实至非常密实的中粗砂层，标贯击数多大于50N，最大可达150N。-10.0m～-11.0m左右开始出现粘土层，粘土标贯击数在20N以内。粘土层底部至设计桩底标高-38.0m之间局部存在1～10m密实砂层，其标贯击数50N以上。

根据前墙钻孔剖面图，以ZK21为例钻孔资料如下：密实土层主要①2-3，中粗砂层，埋深+1.7～-7.0m不等，全码头范围，N=50～150；②8-1，中粗砂层，埋深-32 m～-37m，N=50～100。

3.双定位沉桩系统应用

3.1 施工方案

沉桩是该工程项目中的核心路线，前墙部分配备2台桩锤：1台YZ-300振动桩锤、1台Menck 550S液压冲击锤，前墙部分的沉桩作业还需要配备1台400t和1台280t履带吊。根据实际施工情况400t吊机对桩体进行吊装，280t吊机从旁辅助抬桩作业，钢管桩沉桩一次成型，桩顶标高需满足设计要求，当桩顶标高达到设计标高时，则可以开始板桩施工。施工过程中需设置钢护筒、钢护筒硬层清掏、钢管桩施打、钢护筒拆除、板桩施工部位松土及施打等工序。

前墙部分采用管板组合桩结构，该结构的桩体对于沉桩作业的精准度要求非常严格，在实际施工过程中经常会出现桩体偏位、倾斜以及锁扣扭转等现象。使用传统钢管桩定位架能对桩垂直度和偏位进行控制，但对锁扣偏转作用效果差。为了提高沉桩的总体精准度，采用钢护筒+定位架双定位系统，钢护筒长10m为下沉式结构埋置在土体中，定位架由工36a型钢焊接而成，长度12m，宽度8m，高5m，一次安装可施打3件钢管桩。该系统降低钢管桩振动初打以及冲击锤复打高度，最大程度实现稳桩过程调节，同时在复打时钢管桩已入土3/4有效防止锁扣扭转，适用高精度要求的管桩组合桩结构的管桩施工。

施工流程：埋置钢护筒→定位架安装→钢护筒清孔作业→钢管桩放入定位系统内→钢管桩振动锤稳桩→拆除定位架→钢管桩冲击锤复打→钢护筒拔除→板桩位松土处理→钢板桩施工。

3.2 管桩使用前处理

管桩直接从加工场地运输至施工现场，在这个过程中需要经过多次转运，可能会出现管桩锁口部位偏差较大、局部发生弯曲、锁口部位出现扭曲等问题。

结合规范要求，需保证管桩锁口足够的平直通顺，相互之间呈现出咬合状态，在应用之前需要对锁扣进行检查。检查合格后，需要将钢管桩两侧的锁口底部作封闭处理，然后使用填充润黄油在锁口中，降低沉桩时锁口的阻力。

管桩堆存场地需要保证足够的平整、坚硬，可以采用多支点摆放方式，由于场地面积比较大，管桩堆放的高度应控制在2层以内。管桩设置2个吊点，吊装作业时需要使用2台40t的门机抬吊。

3.3 沉桩施工

3.3.1 钢护筒制作

钢护筒需刚度好、直径一般大于工程桩桩径30cm，项目根据现场实际情况选用钢卷材质X70作为钢护筒制作材料，φ2600mm。顶部对称焊接4个限位滚轮，为方便定位架安拆，滚轮与码头轴线呈45°方向布设。

3.3.2 钢护筒施打

钢护筒长10m施打时采用单层定位架，Φ700mm的辅助桩作为定位架支撑（同时作为工程桩桩架支撑辅助桩）单桩长度7m，总计需要4根。采用YZ-300液压振动锤进行施打，钢护筒位置和垂直度的精度是工程桩施打准确的前提：钢护筒顶部水平偏位容许偏差为50mm，护筒倾斜度不超过1∶100。选择使用埋置式钢护筒作为定位方式进行施工，不仅降低整体高度，同时硬质土层清掏起到护壁作用。

工程桩架安装，护筒施打完毕后，将桩架安装在辅助锚桩上，测量进行复核桩架轴线是否与前墙管桩中心轴线重合，定位架穿入于下方护筒与护筒结合形成双重定位架，钢护筒与定位架之间利用钢板焊接连接形成整体。桩架分为两层，底层为调整护筒限位滚轮作业平台；二层为调整锁扣扭角作业平台，底层限位装置在护筒顶部对称方向设置4个可拆卸式滚轮，顶层限位装置在码头纵向轴线为固定式凹槽滚轮。

3.3.3 硬质层处理

结合地质勘察报告，桩体施打区域属存在硬质夹层，为保证工程桩顺利下放至设计标高位置，提前对浅层硬质夹层2-3进行清孔处理，硬层的标高+1.7～-7.0m。在工程桩部位安装Φ2600mm，钢护筒长度为10m，钢护筒安装完成以后，采用水力法清砂装置进行对筒内土方清掏。钢护筒工程量见表2。

表2 钢护筒工程量

3.3.4 立桩及定位

采用400t履带吊+280t履带吊抬吊的方式起吊立桩。400t立在钢管桩桩头处，280t在桩尖处。两台主吊机同时缓慢起吊钢丝绳使钢管桩离地0.5m左右的高度，随后桩顶起升的过程中，400t继续缓慢起吊桩头并慢慢向280t方向的前移，直至管桩与地面呈75°左右的角度，桩尖慢慢落地搁置在地面放稳后，工人卸掉辅助吊机上吊钩的卸扣和钢丝绳。主吊机在缓慢扶正完成整个立桩过程。工程桩桩尖接近钢护筒顶部时，施工人员从旁辅助，对准钢护筒的中心位置，缓慢放入钢护筒内。桩尖距离钢护筒内部土层50cm时，则可以停止下桩作业，在技术人员的指挥下调整锁口的位置，使锁口与前墙的轴线保持在一条直线上，二者之间的偏差控制在设计范围以内。然后使用滚轮来调整桩体的水平位置与垂直度，水平与垂直度检查合格以后，缓慢放下主钩的钢丝绳，待管桩稳定以后则不再继续下放，并锁定限位导轮。而后，主钩放松钢丝吊绳，施工人员将钢丝绳从吊钩上摘除。使用振动锤钳夹将管桩顶部夹紧，再次使用上下限位滚轮来调整管桩的位置及垂直度。限位滚轮优先选择使用橡胶材料，防止对防腐涂层破坏，利用滚轮来调整管桩的位置，需要注意管桩的位置要避免大幅度调整，减小对限位在凹槽滚轮中的锁扣造成损伤。

3.3.5 钢管桩沉桩施工

钢管桩施打采用Y Z-300 振动锤+Mck550S冲击锤，稳桩先用YZ-300振动锤稳桩调整桩位、垂直度和锁扣扭角，钢管桩刚入土阶段调低振动锤转速，减小振幅确保桩位精度，入土10m后调高转速充分利用振动锤激振力将钢管桩施打至上层定位架顶3.5m以上位置后停止，待3根管桩的稳桩均完成后拆除上层定位架，换Mck550S冲击锤将工程桩再继续下打至护筒顶部暂停，使用送桩器将工程桩顶标高打至比护筒顶低45cm，使用YZ-300振动锤将护筒拔除，再继续使用Mck550S冲击锤将工程桩打至设计标高。根据设计要求桩位偏差控制在50mm以内，垂直度控制在1/100以内，钢管桩锁扣偏差控制在100mm以内，锁扣扭角控制在5°以内。

3.3.6 插打钢板桩

钢板桩沉桩的标高为+0m，单桩的长度21m。结合施工可行性分析，需要提前对硬质土层进行引孔处理，即使用螺旋钻对硬质层进行松土，引孔至-10m部位。使用150t吊机、ICE448液压振动锤配合将钢板桩振沉至设计标高。

3.3.7 施工效果

对初步设计的双定位系统进行构造搭建，进行多次工艺性试验验证，对定位系统进行了优化和改进。双定位系统整体刚度墙稳定，通过建立有限元模型分析出强度、刚度稳定性比传统定位架更高，为沉桩精度控制提供了有力的支撑。

根据沉桩过程中的双定位系统的应力云图，最大应力值为50.8MPa，远小于定位系统钢材的屈服强度。根据沉桩过程中的双定位系统的位移云图，最大组合变形为6mm，可知双定位系统在沉桩过程中变形在允许范围内。

采用双定位系统装置完成225根前墙钢管桩施打，通过正态分布图统计分析锁扣扭角达到3σ水平，桩偏位达到4σ水平、垂直度以及锁扣偏位达到6σ水平，远高于设计要求精度，其中锁扣扭角小于3.5°占比94.2%，桩偏位小于3cm占比96.8%，垂直度小于1/500占比91.5%。

4.结语

相较于纯管桩或板桩结构，组合桩结构对桩偏位、垂直度、锁扣偏位及锁扣扭角要求更严格。采用钢护筒+定位架施工工艺有效消除浅层硬质夹层影响，并实现长桩短打、高桩矮打减少桩变形距离及概率。该沉桩工艺不仅可以实现高精度稳定控制沉桩的效果，同时降低上层定位架在地表以上的高度，降低高空作业风险，降低上层定位架重心高度，也就是该定位系统在地表以上5m，在地表以下8m，而传统沉桩定位架地表以上高达十几米，增大了高空作业风险，稳定性降低。此外，双定位系统依靠将钢护筒沉入土层，依靠大地这个天然刚体对钢护筒的作用，可进一步提高双定位沉桩控制系统的强度、刚度及稳定性，以保证管桩沉桩施工质量满足设计及规范要求。