深水有覆盖层条件下打桩锤的选型与应用

李志辉

（中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300）

1 工程概况

1.1 项目简介

新建福州至平潭铁路平潭海峡公铁两用大桥是国内首座公铁两用跨海大桥，跨越北东口水道，全长3 712.6 m。公铁主跨均采用预应力混凝土连续刚构，其余铁路桥跨为简支梁，公路桥跨为连续梁。全桥共设59个墩台，其中B2～B25及B56位于浅水区（有覆盖层）；B26～B41墩位于深水区（有覆盖层）；B42～B55墩位于深水区（浅/无覆盖层）。

1.2 施工环境条件

在特殊海岛修建跨海桥梁，外海受风大、水深、波浪力、潮汐等因素的影响更为显著。设计水文资料显示，桥址海域最大水深达42 m；受外海强风、涌浪影响，桥址区波浪力巨大，14级风速达到45.4 m/s；桥址海域潮型属正规半日潮，最大潮差达7 m。施工受波浪力作用大，单根钢护筒（直径3.3 m，水深42 m）受最大波流力达60 t，导致下放、插打困难。

桥位处海床面极不平整，高差起伏大，覆盖层不均。其中B26～B41墩水深13～42.5 m，覆盖层主要为淤泥质黏土（基本承载力60 kPa）、粉质黏土（基本承载力150 kPa）、中砂（基本承载力100 kPa）、中粗砂（基本承载力200 kPa）。覆盖层厚4～12 m，海床面高差起伏约5 m。

2 总体方案

墩位基础施工主要采用钻孔平台结构形式，钻孔平台钢管桩沉放及钢护筒的沉放均采用打桩船直接插打的方式施工［1］。

根据现场实际施工条件，钢管桩、钢护筒均采用“路桥建设桩8号”打桩船和“雄程1号”打桩船插打。其中路桥建设桩8号打桩船主尺度：型长60 m×型宽27 m×型深5 m，满载吃水2.5 m。配8口海军锚，各重9 000 kg。锚绳直径43 mm，各长450 m。桩架高92 m，抗风能力6级，有最大施打直径3.3 m钢护筒的能力。

雄程1号打桩船主尺度：型长88 m×型宽36 m×型深6.2m，水线长78m，最大吃水4m。桩架高度128 m（水线至桩架大平台顶），最大安全工作负荷（0°到前倾9°时）500 t，最大起升速度 3.4 m/min，最大起升高度距水面100m，打桩作业范围±12.5°，起重作业范围0°～9°，可作业最大桩重500 t，沉桩能力100多米水深，可施工最大桩径为5 000 mm。

3 桩锤选择的原则

打桩锤的选择需要综合考虑桩的结构形式、尺寸、重量、插打长度，以及气象、水文、地质等多方面的因素。打桩锤选择应遵循以下原则［2-3］：

（1）沉桩的承载力满足设计要求。

（2）桩锤应当有足够的锤击能力，使桩能穿越较厚的土层，进入持力层，确保能顺利将桩插打到设计深度。

（3）在锤击过程中，桩身产生的拉应力和压应力不大于桩身材料的允许值，确保桩身不受破坏。

4 桩锤选型分析

4.1 桩锤选型的影响因素

选用桩锤要充分考虑桩型、桩重、插打深度、地质岩层分布情况等因素，在掌握各种桩锤性能的基础上经分析比较后选定［4-5］。选用锤的动能必须大于打入桩的摩阻力，锤击传递的有效能量是桩贯入的决定因素。

路桥建设桩8号打桩船配Hhp35液压打桩锤，见图1，性能参数见表1；雄程1号配德尔玛克D260-32柴油打桩锤，见图2，性能参数见表2。

图1 Hhp35液压打桩锤

图2 D260-32柴油打桩锤

表1 Hhp35液压打桩锤性能

表2 D260-32柴油打桩锤性能

4.2 桩锤工作特性比较

（1）柴油打桩锤工作特性

柴油打桩锤的工作原理［6-7］如同单缸二冲程柴油机，当上活塞从锤顶自由落体下落过程中，压缩缸体内的气体，同时燃油泵喷油，发生爆燃；继续加大锤击能量，直到上活塞撞击下活塞，将锤击能再传递至套筒与桩顶使桩下沉；管桩同时又反作用于下活塞，其反弹力再传递至上活塞，使之升高至锤顶端，继续循环作业。根据能量守恒定律视为如下转换关系：

（上活塞）势能→动能＋燃烧热能＝桩下沉吸收的能量＋上、下活塞运动摩阻力＋反弹动能→（上活塞）势能。

（2）液压打桩锤的工作特性

液压打桩锤的工作原理［8-9］：液压锤仅有一个活塞，其上升运动是由液压能驱动活塞至锤顶端，活塞在锤顶压缩空气的作用下快速下落，加速度可达2 g，使活塞直接撞击套筒与桩顶，使管桩下沉，不断往复循环。根据能量守恒定律视为如下转换关系：

液压能→活塞势能＋压缩气体→动能＝桩下沉吸收的能量＋活塞运动摩阻力。

根据两种锤的工作原理，液压锤与柴油锤能量转换有两大区别：一是液压锤不耗费自身的能量，主要依靠外来的液压能使活塞上升运动；二是液压锤仅有一个活塞，且比柴油锤润滑，运动摩阻力较小。

根据锤的工作原理可以看出，液压锤使桩下沉的有效能量所占比例大，即在与打桩锤重量相似的情况下，液压锤打至桩体的有效能量大于柴油锤的有效能量。

4.3 有效能比较

根据相关资料介绍，一般柴油锤的打桩能量有效率约30%～45%，而液压锤的打桩能量有效率最高达90%。选择跨海大桥B36墩钻孔平台（B36墩地质描述见表3），利用两种锤对钢管桩进行插打试验。试验结果见表4。

表3 地质描述

表4 试验结果统计

柴油打桩锤打桩能量有效率＝205.7/556×100%＝37%；Hhp35液压打桩锤打桩能量有效率＝441.5/525×100%＝84%。可见液压打桩锤的打击能量有效率远高于柴油锤的打桩能量有效率，从而也验证了相关资料给出的数据。

4.4 打击力的控制性能

柴油打桩锤低冲程调控难度大，软地基不能实现连续打击［10］。

液压打桩锤能为液压动力站提供有力的动力，可以采用电子系统控制液压系统。一般来说，液压打桩锤设有8个档位，每一液压锤头有十几吨重，相对于较软的土质，可轻松地将桩压入土体中；若压入有一定难度，可调至低档位；若遇到较硬的岩层，调至高档位，提高锤击力，保证顺利施工。

4.5 经济性比较

目前，从我国桩工机械施工技术的发展以及市场价格上，柴油锤依然是市场上主力设备，其价格比液压锤低廉。

柴油锤施工时产生的高温高压未充分燃烧的混合气体排放导致大量的能源损失，能源利用率仅为20%左右，而液压锤能源利用率达到70%。从能源利用率上看液压锤比柴油锤更经济。

4.6 环保要求

根据柴油打桩锤工作原理，柴油燃烧不充分，有大量的浓烟排放，废弃污染较严重、燃油爆燃噪声大且不能长时间持续工作；液压打桩锤采用高效率柴油发动机或电机驱动，封闭锤体，配备消音器，噪声小、无污染。液压打桩锤的环保性能高于柴油打桩锤。

目前，液压打桩锤除了上述较优的技术性能外，还可以提供打桩过程中的相关信息，如锤击次数、插打深度、锤击能量等且可屏幕显示，仪器记录并可打印，管理工作简单、方便。

5 打桩锤实际工程应用

5.1 打桩锤选型

平潭海峡公铁两用大桥跨越北东口水道部分B26～B41墩水深13～42.5 m，覆盖层主要土层为淤泥质黏土（基本承载力60 kPa）、粉质黏土（基本承载力150 kPa）、中砂（基本承载力100 kPa）、中粗砂（基本承载力200 kPa）。覆盖层厚4～12 m，海床面高差起伏约 5 m［11］。

B26～B38墩为非通航孔，钻孔平台采用钢管桩与钢护筒共同受力结构形式，由5根φ1 200×14 mm钢管桩和5根φ1 000×12 mm钢管桩组成辅助平台，钻孔区平台支撑在φ2 800×16 mm、φ3 100×20 mm的桩基钢护筒上。

B39～B41墩为通航孔，钻孔平台采用钢管桩与钢护筒共同受力结构形式，在承台横桥向两侧分别设置支栈桥。单侧支栈桥设置两排φ1 420×16 mm钢管桩，每排共计7根，钢管桩之间纵横向间距为8 000 mm。两侧支栈桥之间通过贝雷梁一跨而过，形成整体独立钻孔平台结构。

根据现场地质情况以及考虑施工效率等方面，B26～B38墩钻孔平台管桩采用路桥建设桩8号打桩船配Hhp35液压打桩锤沉桩；B39～B41墩钻孔平台采用雄程1号打桩船配德尔玛克D260-32柴油打桩锤沉桩。

5.2 应用效果

路桥建设桩8号打桩船配备Hhp35液压打桩锤现场已经完成B26～B38墩位的钢管桩、钢护筒的插打，经现场统计钢管桩、钢护筒打入深度均在10 m以上。雄程1号打桩船配D260-32柴油打桩锤完成B39～B41墩位的钻孔平台钢管桩、钢护筒的插打，经现场统计主墩B39平台支栈桥钢管桩打入深度最深为12.5 m、最浅为4.5 m；钢护筒的打入深度最深为14.17 m、最浅为4.5 m。

5.3 承载力计算

以应用较广的海利打桩公式来计算打桩过程中桩的承载力。

海利打桩公式［12］：

式中，Pu为桩的极限承载力；Wp为桩重（包括帽桩、垫重）；Wr为锤的重量；H为锤击跳高，即锤的落距；e为终锤贯入度；C为锤击时，桩土体系总的弹性变形；ξ为落锤效率折减系数。当锤为理想的自由落锤时，ξ＝1；非自由落锤时，ξ＜1。

经计算，采用柴油锤、液压锤插打管桩承载力均满足设计要求。由此说明柴油锤、液压锤均在福平铁路平潭海峡公铁两用大桥管桩插打施工过程中发挥了较好的作用。

6 结束语及建议

目前，国内柴油锤使用普遍、广泛，技术也较成熟，但明显存在污染大、噪声高、调控难度较大的问题。过大的冲程使管桩易产生卷曲，能量传递率相对较低；产生的污染、噪声问题比较突出。

液压锤作为桩基施工发展方向，技术逐渐成熟。它具有污染小、噪声低、调控方便准确、能量传递率高等优点，是一种比较理想的施工机械。但结构较复杂、价格昂贵。

打桩锤的选型除要遵循桩锤的选择原则外，还需考虑现有的起重船、打桩船的性能及施工区域的地质条件，全面权衡、综合比选，以便获取最佳的技术经济效益，使设备在工程建设中发挥更好效果。