全旋转打桩船“海力801”超长超重钢管桩沉桩技术

2011-03-12王永东杨胜龙

中国港湾建设 2011年2期

王永东，杨胜龙

（宁波海力工程发展有限公司，浙江宁波 315000）

随着我国国民经济的发展，跨海大桥、深海港码头的不断兴建，深海结构基础中的打入桩出现大直径、超长、超重等特征，面临的施工环境也更加复杂。为确保打桩设备在复杂环境中顺利地沉桩到设计深度，对打桩设备提出了更高的要求。本文以“海力801”全旋转打桩船在象山港大桥中钢管桩沉桩施工为背景，对海上超长超重大直径钢管桩沉桩施工进行介绍。

1 工程概况

宁波象山港公路大桥及接线工程是浙江省水路交通“十一五”期间规划建设的沿海高速公路（甬台温复线）和宁波市高速公路网的重要组成部分，它位于宁波市和象山县之间、横山码头和西泽码头西侧的象山港水域，桥梁全长6.761 km。大桥北岸引桥P14～P23、P32～P70号墩采用钢管桩基础。其中P14～P23、P32～P52承台布置有12根钢管桩，P53～P70承台布置有16根钢管桩。钢管桩为开口桩，材质为Q345C低合金钢，直径为1.6m，自桩顶以下45m范围壁厚22mm，其余壁厚20mm。桩长82～92m，桩顶标高为+1.2m，桩底设计进入黏土或含黏性土圆粒（持力层）约2.0m。全桥共有钢管桩660根，均为斜桩，斜率为 5 ∶1、6 ∶1，平面角为 10°～50°。

钢管桩采用打桩船锤击沉桩施工工艺，具有如下特点：

1）钢管桩长82～92m，重68～75.8 t，全为超长超重大直径斜桩；

2）施工水域远离陆地，自然条件差，施工难度大，沉桩定位不能使用传统测量手段；

3）桥墩间距60m，桩位呈放射状分布，沉桩施工需频繁下锚移船、调向。

钢管桩沉桩质量标准如表1所示。

表1 钢管桩沉桩检查项目

2 打桩设备选择

目前国内的打桩船主要有固定桩架式和全旋转桩架式两种，固定桩架式和小型全旋转桩架打桩船桩锤均为柴油锤，大型全旋转式打桩船国内仅有“天威号”、“海力801”两艘，桩锤均为液压锤。

根据上述钢管桩沉桩工艺特点，本项目选用“海力801”打桩船进行沉桩施工，桩锤为S-280液压锤。其主要性能参数见表2、表3。

表2 海力801打桩船主要性能参数表

表3 S-280液压锤主要性能参数表

“海力801”打桩船具有以下优势：

1）驻位稳定性好：打桩船锚碇系统配备7台50 t锚机和相应的7个10 t铁锚，另有4根1.5m×1.5m×30m液压锚碇桩，打桩船驻位稳定性好，移船便捷。

2）全旋转桩架（360°）吊桩便利：打桩船抛锚驻位后，运桩船可以直接停靠，不需抛锚，吊桩时，只要桩架旋转90°即可直接进行吊桩。

3）方便施打平面扭角频繁变化的斜桩：打桩船是全旋转桩架，施打平面扭角变化较大的钢管桩时不需重新抛锚，通过旋转桩架，保持桩架轴线与桩平面扭角轴线重合即可沉桩，提高了沉桩效率。

4）沉桩适应性强：全旋转桩架可以伸出船艏30m左右、桩架可以提升18m，对打桩先后顺序、桩间距离、桩的斜率及桩位平面扭角等条件要求明显降低。

5）配备Trimble-5700GPS定位系统，定位准确，满足外海施工精度要求。

6）在高潮位沉桩，桩顶在水面以下，不需要另外安装送桩，“海力801”利用可升降的桩架及水下2.5m仍可正常工作的液压锤直接把桩送到水下。

S-280液压锤是电控液压冲击打桩锤，适用于钢管桩，经过改装可适用水下操作，主要特点如下：

1）控制和显示每一锤的打击能量，可对整个打桩过程进行操控。

2）自动过载保护。

3）结构简单，易于操作和维护，可靠性高。

4）打击输出能量与锤心重量的比值相对高。长期使用，性能不会损失，也不会出现因长时间锤击导致锤体过热而需中间休息的情况。

5）不需要硬木或者合成材料保护打桩锤。

6）适合打桩架和自由吊打。不需要导向框，通过套筒，打桩锤能够直接放在桩管上。

7）打斜桩能量损失很小。

3 沉桩施工工艺

3.1 钢管桩沉桩顺序

本项目桩位呈放射状分布，为尽量减少沉桩施工中频繁的下锚移船及调向，以加快进度节约成本，水上钢管桩施打顺序综合以下3个原则进行：①由打桩船先进行优先墩位（指挥部测控中心指定的为布设海上一级加密点而优先施工的承台）的沉桩，然后在施工区域内依次推进；②与临近标段墩位先施工，减少相互间干扰；③哑铃形和矩形承台墩的钢管桩同步进行，多开创工作面。拟先完成部分哑铃形承台墩的钢管桩沉放，然后完成部分矩形承台墩的钢管桩沉放，以保证两种类型承台同步施工。钢管桩平面布置图如图1所示。打桩船下游驻位，由于“海力801”具有桩架可以全旋转并伸出船艏一定距离等优越于固定桩架打桩船的特点，钢管桩可以插打，沉桩顺序很灵活，原则上先打上游，再打下游，若水深限制，则高潮位时打俯桩，低潮位时打仰桩。

图1 钢管桩平面布置图

3.2 沉桩施工工艺流程

沉桩施工工艺流程见图2。

图2 沉桩施工工艺流程图

3.3 打桩船抛锚定位

打桩船由拖轮拖到施工地点附近，根据打桩船上GPS定位系统显示的数据进行粗定位。下插定位桩，用50 t抛锚船顶水抛锚。打桩船抛锚定位（以哑铃形墩为例）如图3所示。由于“海力801”是全旋转桩架，为减少移锚次数，打桩船两侧边锚抛出400m左右，这样保证一个墩沉桩完成仅调整前锚和尾锚，每2至3个墩调整1次边锚，大大减少了移锚的作业时间。

图3 海力801沉桩抛锚示意图

3.4 运桩驳就位

钢管桩用水上驳船运至沉桩现场，待打桩船锚抛好后，桩驳靠打桩船，并在其上系缆。

3.5 沉桩施工

3.5.1 吊桩

吊桩时，桩架旋转到运桩驳一侧，用4点吊起吊，进龙口采用桩头2点吊。吊桩时考虑到桩驳平衡，吊桩顺序为对称起吊。起吊时，主吊钩吊挂靠近桩顶的前2吊点，副吊钩吊其余2个吊点，主副吊钩同步上升，平稳起吊，使钢管桩脱离运桩驳船（图4）。桩吊起后，旋转到船首部，准备立桩。

图4 吊桩

3.5.2 打桩船移位

在吊桩的同时，按照沉桩方案选定要沉的钢管桩编号，根据GPS定位系统显示的数据，用锚缆移动打桩船，先调整船体的方位角，使得船体纵向中心线尽可能地和所沉钢管桩方位角轴线在一条直线上，锁定左右位置。然后调整旋转车的前后位置，旋回轴距离仰桩调整在34m左右，俯桩调整在23m左右，带紧锚缆并且插放定位桩，稳定船体。

3.5.3 立桩

主吊钩上升，副吊钩下降，使钢管桩由水平姿态逐渐转成竖直姿态，同时将桩架立直，桩入抱桩器，合拢抱桩器，提升主吊钩，使桩顶套进替打后逐个解去副吊钩。见图5。

图5 立桩

3.5.4 钢管桩定位

在操纵室通过观察GPS定位系统显示的桩架倾斜角度调整桩架倾斜度，使桩身斜率符合设计要求；再根据预先输入的单桩平面扭角（方位角）、平面坐标，依据船上专用的GPS定位系统显示的图形和数据，通过旋转桩架和变幅桩架的方法，使桩到达设计位置。

3.5.5 沉桩

桩自沉稳桩，同时监测桩位的变化，若桩位变化超过允许的误差范围，应立即停止桩的下沉，将桩拔起，查明原因，重新定位。

稳桩后压锤，待桩不再下沉后，查看桩位是否符合要求，若桩位变化超过允许的误差范围，立即停止桩的下沉，将桩拔起，查明原因，重新定位。

桩在压锤稳定后，松开抱桩器，启动液压锤，沉桩。锤击沉桩时，桩锤、替打、桩身应保持在同一轴线上，避免产生偏心锤击。在沉桩过程中，如出现贯入度异常、桩身突然下降、过大倾斜、移位等现象，立即停止沉桩，及时查明原因，采取如减小锤击能量、调整船舱压载水使桩架垂直等有效措施，必要时将桩拔起，重新定位。见图6。

图6 沉桩

3.5.6 停锤

本工程钢管桩沉桩以标高控制为主，贯入度校核。停锤标准见表4，沉桩结束后，电脑自动记录并打印出沉桩结果。

表4 沉桩停锤标准

整个墩沉桩结束后，应及时用GPS流动站对钢管桩平面偏位、桩顶高程等复测，并及时报验。由于钢管桩均为斜桩，沉桩后悬臂端较长，并受水流、风浪、潮流的影响，因此，沉桩完成后应及时进行夹桩施工，通过在桩顶设置型钢，将每个墩钢管桩焊接成整体。

4 沉桩测量定位

4.1 “海力801”GPS打桩定位系统原理及组成

由于本工程远离岸线，常规的测量仪器和手段已不适用。打桩船安装了GPS打桩定位系统，通过船体上的两台双频GPS接收机，分别测得2根GPS天线处坐标及高程，然后根据船体、打桩架、锤三者的几何关系推导出桩顶高程和桩在设计标高处的平面坐标。

“海力801”GPS打桩定位系统的构成见图7。船艉的GPS为L1单频接收机，主要功能为测量船体方位及作导航仪用。中部的2台Trimble 5700型双频GPS接收机以RTK方式工作，在接收GPS卫星信号的同时，通过旁边的2根无线电天线接收岸上基准站发射的数据链，实时获得这2根GPS接收机天线的WGS-84坐标，再根据转换参数及投影方法实时地计算出2台GPS接收天线在施工坐标系中的平面坐标及高程。

图7 “海力801”GPS打桩定位系统示意图

由于“海力801”打桩船为全旋转式打桩船，船体、桩架、锤三者的几何关系总是处于动态变化中，为此，在桩架上放置了2台瑞士Leica Disto pro4a型测距仪，在伸缩支撑杆下方放置了1台同型号的测距仪，在吊机中心处及吊机悬臂处及分别放置了1台日本产AC58、6013ES、41PGW型角度计，在吊机尾部放置了1台日本产电气式横倾、纵倾测量仪。通过这些辅助测量仪器，在定位及打桩中，可实时计算出锤（桩中心）在设计桩顶标高处相对于2个GPS天线的平面位置，进而可以计算出桩在施工坐标系中的平面位置，还可计算出桩的倾斜度、桩顶至桩尖的方位角（桩的平面扭角）、桩顶的标高。

沉桩测量定位所需的一系列技术参数包括基桩的坐标、方位角、倾斜度、桩顶标高等以数字及图形的方式显示在计算机的屏幕上，为施工人员指挥打桩船调整船位、定位下桩及锤击沉桩施工，提供了清晰而可靠的依据，沉桩施工的最后监测结果存储在电脑硬盘上，同时也可用打印机输出。

4.2 GPS定位系统沉桩操作过程

1）根据象山港大桥建设指挥部测控中心提供的基准站频率及数据格式，用GPS供应商提供的GPSConfigurator软件正确配置“海力801”打桩船所安装的GPS接收机。

2）在GPS定位系统软件的“File（F）”菜单下激活“测地系设定”，输入大桥建设指挥部测控中心提供的WGS-84坐标系转换至工程坐标系的转换七参数。

3）在软件的“File（F）”菜单下激活“杭属性设定”，将基桩的相关数据，即桩号、X坐标值、Y坐标值、桩头标高、桩长、桩径、桩倾斜度、方位角及桩的类型输入到电脑中。

4）钢管桩参数输入后，GPS定位系统电脑上将显示所有要沉入的钢管桩图形，根据沉桩方案选定要沉的钢管桩编号。根据GPS定位系统显示的数据，移动打桩船，使其到达指定位置，将打桩船的定位桩放下，稳定船体。旋转吊机起吊钢管桩，桩进抱桩器及替打后，根据GPS定位系统显示的数据调整桩架方位及姿态，使桩中心对正设计中心位置，并根据潮流、风向等作适当的抢位，确认数据无误和GPS卫星信号的稳定后下桩。GPS定位系统的软件界面如图8。

图8 “海力801”GPS定位系统的软件界面

5 超长超重桩沉桩技术要点

5.1 打桩顺序

“海力801”打桩船可沉桩桩长为80m+水深，象山港大桥施工水域泥面标高在－8.2～－19.9m之间，潮水最低时，最浅位置水深仅有6m。因此在施打80m以上的超长桩时，应根据潮汐安排好打桩顺序，因桩架仰起时桩架顶距水面高度要比桩架俯下时高，故在高潮位时打俯桩，低潮位时尽可能打仰桩，以保证在定位时桩顶至水面的距离加当时的水深大于桩的长度。大潮汛期间，根据水流状况确定立桩位置，以防止在吊桩及桩进龙口时桩与桩架相撞。另外，根据水深情况，将桩身起吊到一定高度后再立桩入龙口，防止桩尖触及泥面，使桩身折弯受损，或造成抱桩器损坏。

5.2 初次定位

初次定位时，尽可能将桩和桩架提升至较高位置，以防止桩尖入土，在提升过程中，注意观察GPS显示屏上的数据，尤其是锤和桩架的高度，锤与桩架顶的距离（图8所示GPS定位系统“Hammer长”显示数值）到达4m左右时（接近极限位置）和桩架到达44m（图8所示GPS定位系统“Leader长”显示数值）左右时（接近极限位置）须特别小心，避免操作过快，对桩架造成损伤。

5.3 桩架升降

由于在施打超长桩时，桩架提升至较高位置，桩架底端比桩顶设计标高要高，钢管桩无法一次施打至设计标高，在施打一段时间后，在保证桩已牢固不会因水流、风及自重等原因而晃动的情况下，一般应控制在实测桩顶标高与设计标高的高差小于10m时（此时，桩已入土60m以上）起锤，然后将桩架缓缓落下，根据GPS系统显示的数据重新定位，在定位过程中，桩架上的人员检查桩架与桩的倾斜度是否一致，桩锤、替打和桩是否在同一轴线上，调整一致后，继续施打至设计标高。

5.4 打桩抢位

2009年6月18日至2009年7月15日，P14～P23号墩共120根桩沉桩完成，项目部测量人员用GPS流动站对其平面位置进行测量后发现，仰桩平均向后偏7 cm，俯桩平均向后偏11 cm，且偏位较大的桩基本都是向桩架后方即船体方向偏，出现系统性偏差。经讨论分析，原因如下：打桩船在起锚到稳定的变化量叫桩倒伏量，“海力801”在施打普通钢管桩时，与普通固定桩架打桩船一样,仰桩一般向前抢位，俯桩一般向后抢位。由于超长大直径钢管桩的重量较大，钢管桩设计又均为斜桩，自重使斜桩有一定的挠度变形，“海力801”由于桩架可升降，桩架轻，柔性大，桩架在钢管桩吊起定位过程中受桩重影响也会产生一定的变形，定位时若按普通钢管桩抢位，就出现抢位不合理现象，出现系统性偏差。在后期2009年10月下旬至2010年元月上旬P32～P70号墩的510根桩沉桩中，对GPS定位软件中的抢位值进行了修正，沉桩的偏位值明显减小，具体偏位如表5、表6所示。