智利圣安东尼奥STI港复杂地质区域钢管桩陆上沉桩施工技术

张利军 王振江

中交一航局第二工程有限公司 山东青岛 266071

随着世界水运物流的发展，运输船舶的大型化趋势明显，船舶对港口泊位的靠泊能力、技术要求越来越高。特别是南美智利区域国家，同时受近年地震影响，许多原有码头泊位在地震中受损，无法停靠船舶。选址新建港区，是不经济的，需要在对已建港区泊位进行升级改造。

圣安东尼奥港是智利目前最大的港口，码头现有3个泊位，为顺岸式高桩梁板码头。业主考虑为增加靠泊和货物吞吐能力，计划将码头港池深度开挖至-15米，并对码头泊位长度进行延长。北侧为防波堤口门位置，只能将3号泊位向南侧向陆侧扩建。

3#泊位南侧扩建工程向陆侧方向扩建130.6米，φ1.2米钢管桩82根。

码头平面位置示意图

该工程扩建泊位区域，受地质地形影响，无法使用水上沉桩设备进行施工；本文将对该区域陆上钢管桩沉设施工工艺，重点介绍不同地质情况预成孔和钢管桩免共振振动锤结合柴油锤施工方法。并对施工过程中出现的问题，进行了原因分析及方案的优化调整。

1 工程概况

圣安东尼奥港STI三号泊位南侧扩建泊位长度130.6m，钢管桩共计82根，直径为1.2m，分为4排桩，桩顶标高3.5m，现有地面标高2m。钢管桩防腐措施仅使用防腐漆，施工时要求保护防腐漆不被破坏。

钢管桩施工区域地下土层为，粉细砂（+2m至-11m）、灰色粘土层（-11m至-18m）。另有一旧防波堤穿过码头和港池区域，地下存在大量大块石，最深位置可达-12m。

2 设备选型

2.1 成孔（清孔）设备

对上部砂土部分使用气举反循环进行、粘土层使用冲击钻进行成孔，见表1。

2.2 沉桩设备选型

本沉桩区打桩采用180t履带吊吊振动锤振沉辅助桩，起吊柴油锤最终沉桩工艺，技术规格书要求选用D80型柴油锤，180t履带吊主臂完全满足沉桩要求。

序号 设备名称 数量 备注1 180t履带式吊机 1 钻机安装就位2 双电机耐振振动锤DZ-150KSA中孔 1 3 筒式柴油锤D80-32 1

3 施工方法

3.1 施工总流程图

表1

总流程图见下图。

3.2 护筒沉设

护筒立设稳定后，180t吊机吊起振动锤夹住护筒，当夹板全部深入护筒时，启动液压装置，夹紧护筒。护筒吊运至护筒定位架中，开启振动锤振沉护筒。打设护筒采用全站仪与经纬仪十字交叉观测定位，技术质量要求：钢护筒平面位置偏差小于7.5cm，钢护筒垂直度小于0.5%。

钢护筒沉设过程中随时检查、复测桩位，观察设置点位置变化情况。振动过程应分阶段进行，同时注意下沉速度，若发生异常情况应立即停锤，分析原因。护筒长度不满足施工要求时，利用卷板机现场制作钢护筒，上下两节钢护筒接头处采用坡口焊接，焊缝厚度不小于8mm。

3.3 气举法进行清孔

气举反循设计计算：

气举反循环装置主要为空气压缩机、供气管、125cm泵管和简易气土水混合器。

（1）沉没比。混合器必须埋入孔内水位以下足够深度时，才能正常工作，混合器埋入深度与到排水渣口的距离比为沉设比，其计算公式如下：

式中：a---沉没比；

H---混合器埋入孔内液面以下深度（m），最小高度2m；

h---孔内液面至水龙头出口高度（m），泵管长度3.5m。

通常情况下，沉没比应大于0.4，

（2）空压机风压。空压机风压按下式计算：

式中：P---气举反循环风压（MPa）；

H---混合器埋入水中的深度（m）最大深度20m；

施工流程图：

ϒ----循环液的密度，本工程施工1025kg/m3；

ΔP---管路摩擦损失，与孔深、循环液密度、管壁摩擦程度有关，取0.05MPa。

循环流量要求：

F---泵管的断面面积，液面上升速度取1.5m/min

压缩空气消耗量

压缩空气消耗量按下公式计算：

C1---温度校正系数，20℃取0.983；

C2---气压校正系数，0海拔高度；

r---循环液密度与水之比1.025；

h---孔口液面至排渣口的高度（m）；

Q---循环液流量（m3/min）；

C---系数，取8.4。

空压机应使用10m3/min，设计压力为0.8MPa空压机方能满足施工需求。

3.4 冲击成孔

冲击钻机在冲击钻孔的同时，利用泥浆泵向孔底输送泥浆，冲刷孔底。携带岩屑向上流动，最终流向泥浆池，在泥浆池中，沙石颗粒因重力沉积，泥浆清液再次利用泵送至孔底，形成循环。该施工工艺适合在回填块石层地质区成孔，利用钢护筒护壁和泥浆护壁可防止漏浆和塌孔情况出现。

块石区域钢管桩打设分两种情况，C、D轴当冲击钻成孔穿过石层后即可直接打桩，A、B轴冲击钻穿过石层后仍需进行成孔至设计坡面标高。因此C、D轴成孔计划使用现有直径1.5m的护筒，锤头需要进行改造，使锤径增加到1420mm；A、B轴成孔直径为1.5m的护筒，外加现场焊接完成的外径1.24m的锤头。块石底部粘土层成孔方式有两种，一是冲击钻一直成孔至设计坡面位置，成孔完成后需尽快进行钢管桩沉桩施工，防止塌孔。

循环方案：1、泥浆泵正循环；2、气举反循环。

钻进过程中，锤绳应保持在护筒中心位置，偏位小于3cm。冲击钻开孔时应采用低锤密击，钻孔达30cm后且无偏孔现象时，方可正常冲击；成孔过程中根据情况调整冲程，最大冲程不宜超过4m；避免出现空锤或钢丝绳过长，防止锤倾倒卡住壁孔。应定时检查锤头情况，避免出现因过度磨损导致成孔孔径缩小。

冲击过程中遇探头石或孤石后，回填片石，使用冲击锤高程冲击，将探头石斩断。冲击块石表面倾斜时或孔身发生偏斜、弯曲时，应填入小块石（片石），将底部岩面填平，再进行正常冲击，块石面平整后可持续循环或使用捞渣孔进行清孔。发生卡钻或埋钻时，应将钻头周围的土松动后提钻；钻头应采取保险措施防止掉钻。块石层冲孔，应保持泥浆循环的连续性。及时排渣，减少钻头的磨损，循环排渣速度较慢，存在大块碎石（4-6cm）或碎石渣较多时，可采用捞渣筒。

3.5 振动沉桩

制作一个放在1500mm护筒顶部安装带胶轮的限位器，以此来在打桩过程中确保桩位。具体图形如下图所示：

在钢管桩桩顶对称钻两个距桩头100mm，直径为50mm的孔，以便安装卡环，确保钢管桩准确的垂直起吊。180t吊机把桩吊起后，将钢管桩起吊放入限位器中，完成立桩。

钢管桩立设稳定后，180t吊机吊起振动锤夹住护筒，当夹板全部深入钢管桩时，启动液压装置，夹紧护筒。开启振动锤振设钢管桩。使用振动锤可对桩位偏差和垂直度进行调整。当出现偏差较大时，可向上拔桩，重新振设。

3.6 锤击沉桩

桩振设完毕后，起吊柴油锤进行压锤，并观察桩的偏位，若发现桩位偏差过大，则应起锤并根据偏位情况适当调整履带吊，然后重新压锤。

锤击原则：打桩初时，起锤应轻压或轻击数锤，落距应较小，观察桩身、桩架、桩锤等中心轴线一致，以避免偏心锤击。将要至设计桩顶标高时，应按经高应变检测确定的档位锤击，以确保桩的承载力在设计要求的停锤贯入度下达到设计承载力。锤击过程中，随着钢管桩的沉入，应不断的往下放钢丝绳，保证有足够的安全行程。

4 施工遇到的问题及优化措施

4.1 成孔过程出现塌孔、漏浆

原因分析：本工程施工区域地质揭示上层土层主要为粉细砂，在水下粘结性能极差，是造成塌孔的主要原因；泥浆比重偏小，无法形成有效护壁效果；护筒长度不够，冲击锤已出护筒距离较长，孔壁破坏较大；底部存在块石，块石间隙较大，与外侧海水贯通，导致泥浆、砂土带走。

改进措施：及时观察泥浆情况，对出现漏浆情况，使用投放水泥；增加泥浆比重；加长护筒长度。

4.2 成孔出现偏孔

原因分析：成孔过程中出现偏孔，主要原因是大块石引起的；成孔过程中钻机发生偏移，未及时调整。

处理措施：回填投入小块石、碎石，重新反复成孔；成孔过程中，对钻机位置、钢丝绳位置进行调整控制，保证钢丝绳始终在护筒中心。

4.3 气举出现堵管

原因分析：气举过程中，管底存在较厚的沙水混合物，在气泵突然停止工作时，管内的泥沙沉降下来，并形成逆向压力，将一部分沙压入气管中；遇大量碎石层，大量碎石在管底。

改进措施：在气举停止时，需先将泵管提出，直至循环出清水停止；在管底使用隔离网，防止小块石堵住管底。

4.4 桩顶变形

沉设完成后，发现部分钢管桩桩顶变形、起鼓，导致柴油锤替打卡住。分析原因：由于钢管桩富余长度较小，地面以上留置长度仅1.5m，失去锤笼的导向作用，柴油锤左右晃动幅度大，极易发生偏心锤击。

优化措施：对现有施工地面进行开挖，增加锤笼导向长度；使用备用桩进行接桩；最后沉设过程中，使用低档进行锤击，仅PDA实验时使用高档少量锤击。

5 结语

本工程根据工程现场工程情况，针对不同的地质情况，采取了不同的施工方法，有效解决了钢管桩施工遇到的难题。振动锤结合柴油锤组合沉桩的施工方案，在施工效率和质量控制方面取得较好的效果。桩平面位置偏差控制在3-4cm以内，垂直度均小于0.5%，防腐涂层保护较好，修复面积小于1%。本工程施工技术可在同类地质、陆上施工提供技术参考。