海上钢管桩桩头割除钢平台设计及应用

朱文功 徐为

(中国铁建港航局集团有限公司第二工程分公司 浙江宁波 315000)

1 引言

随着我国航运业的发展，沿海码头选址越来越向离岸化、深水化、开敞化发展，高桩码头主要采用受力性能较优的钢管桩。由于地质勘查孔无法全覆盖各排架桩位处，在桩基设计时，出于安全性的考虑，部分桩基持力层标高选定会偏低，导致钢管桩在沉桩过程中容易出现提前到达持力层的情况，从而使钢管桩桩顶标高的实际值会比设计值偏大较多。高桩码头绝大多数钢管桩为斜桩，直桩占比很少，当斜桩桩顶超出设计标高时，会大大增加沉桩交叉施工影响，很容易阻碍打桩船进行后续钢管桩沉桩[1]。为避免单根桩受外力作用时发生倾斜，水上沉桩后需及时进行夹桩[2]。但在工程施工中，施工单位很少主动、及时地采取专用的夹桩措施，基本上是以下横梁施工底模的支撑加上必要的纵向连接来作为夹桩措施[3]。这样会造成钢管桩在沉桩与夹桩这两道工序之间存在较长的时间间隔，桩顶超高较多会增加单桩的自由扰度，大大降低其稳定性，单根钢管桩在没有依靠的情况下容易受强风、大浪和急流影响而发生偏位。因此，在沉桩完成后需要及时对钢管桩超高部分进行割除，才能有效降低对沉桩施工进度和桩位偏差的影响。

本文依托舟山市某高桩码头工程，设计了一款割桩钢平台，使钢管桩桩头割除方案施工效率高、安全性高。

2 工程背景

舟山市某高桩码头工程由西向东布置6个5万吨级和1个10万吨级泊位。码头总长2 175 m，共分为三段，其中东段为1 190 m连片式码头，宽度24 m；西段为620 m连片式码头，宽度29 m；外加365 m蝶形码头一座，由工作平台、系缆墩、支引桥等组成。该工程钢管桩共有1 925根，直径有1.1 m、1.2 m和1.4 m三种。

该工程体量属国内单项高桩码头之最，施工工期仅为9个月，施工进度压力大，进度管控的关键在于1 925根钢管桩的沉桩施工。为此项目部拟投入4艘打桩船，安排4个沉桩作业区域同时施工，待桩基施工到一定程度后有序开展下横梁现浇、梁板安装等后续分项工程，形成多条流水作业线。

该工程所处地质条件较为复杂，水下岸坡坡度大部分达到20°以上，局部区域海床面高差起伏大，覆盖层不均[4]。在施工技术方案策划阶段，项目部预测在钢管桩沉桩过程中会出现部分钢管桩超高的情况。该工程钢管桩共1 925根，若出现超高情况而不能及时处理的话，将大大影响码头整体施工进度。该工程所在水域海况较为恶劣，海上割桩头易受急流和风浪影响，在此种环境下，需要制定施工效率高、安全性高的钢管桩桩头割除方案，才能有效保证施工进度达到预期要求。

3 割桩钢平台设计

3.1 设计思路

海上钢管桩桩头割除需要操作平台，常规的操作平台主要有以下3种形式：(1)直接以施工船舶作为操作平台，需要候高潮，受潮汐、风浪和急流影响较大；(2)以横梁施工底模作为操作平台，需要等待时间较长，受横梁施工进度影响较大；(3)以普通吊篮作为操作平台，作业时起重船将吊篮悬吊在空中，当起重船受风浪和急流影响发生晃动时，操作平台也会发生晃动，受风浪和急流影响较大，作业安全性较差。

以上三种形式的操作平台都存在作业效率不够高的问题，不适用于工期紧张的工程项目。针对该工程工期要求紧和海况恶劣的条件，钢管桩桩头割除方案需要满足以下两点要求：(1)割桩作业能够在沉桩完成后及时开展；(2)割桩作业能够尽可能克服潮汐、强风、大浪和急流的影响，可作业时间需尽可能长。

针对以上两点要求，最合理的解决方法就是能够将操作平台快速地搭建在待割除的钢管桩上。在高空作业中，安全性和经济性最好的方法是借助于技术成熟的工作吊篮[5]。由于大多数钢管桩为斜桩，因此设计时以单桩为研究对象，在充分参考吊篮结构特点和工作原理后，设计了一种钢管桩桩头割除钢平台。一方面依托钢管桩弹性嵌固作用，钢平台可以有稳定的依靠，不受潮汐影响，受强风、大浪和急流的影响较小；另一方面，钢平台还可以像吊篮一样能够快速周转使用。

为提高施工流水作业效率，在钢平台设计时还充分考虑了割桩如何与钢管桩桩芯和现浇横梁施工快速对接。

3.2 结构形式

割桩钢平台主要由两套吊装钢丝绳、悬吊平台和安全锁等部分组成[6]，该钢平台已获中国实用新型专利授权，结构形式如图1所示[7]。

图1 钢平台仰视图

3.3 结构及其特点

钢平台主要特点是：(1)具有两套吊绳系统，第一套吊绳系统为临时承重系统，主要目的是将钢平台安装在钢管桩桩顶，待第二套吊绳系统安装至钢管桩切割线处后，第一套吊绳系统即可拆除；(2)钢平台底板孔洞设计为正方形，其对角线长度大于横梁反吊系统钢扁担梁的长度，使钢管桩完成桩头切除和桩芯施工后可以立即在桩顶安装钢扁担梁，钢扁担梁安装后不影响钢平台吊离；(3)设置有安全锁，可以使钢平台与钢管桩之间连接牢固，不易发生晃动。

3.3.1 吊绳系统

第一吊绳系统的钢丝绳可以调节长度，第一吊绳分别与钢平台四角的围栏上端连接，每根钢丝绳在远离围栏的一端均设有用于与吊钩配合的起吊部和用于钩挂钢管桩顶端的挂钩，四个挂钩之间通过弹性绳连接。在弹性绳的拉力作用下，挂钩方向保持恒定，确保了在钢平台下放穿过钢管桩桩顶时，挂钩能够顺利钩挂在钢管桩顶部，弹性绳呈十字交叉状态。第一吊绳系统的结构如图2所示。

图2 第一吊绳系统

第二吊绳系统的钢丝绳也可以调节长度，钢丝绳分别与钢平台四角的围栏底端连接，每根钢丝绳在远离工作台的一端均设有挂钩，该挂钩钩挂在钢管桩割除线上方的开孔中。

3.3.2 让位口

将钢平台底板孔洞设计为正方形，使该钢平台除了可用于割除多余桩头外，还能用于现浇横梁底模板反吊系统安装。

钢平台的中部具有给钢扁担梁让位的让位口，在钢管桩桩头割除和桩芯施工完成后，可以直接完成现浇横梁底模板反吊系统，钢平台吊离时可不受扁担梁的阻碍，可提高前后工序之间的对接，大大提高了流水作业工作效率。让位口形式如图3所示。

图3 让位口平面示意

3.3.3 安全锁

钢平台底板的孔洞周边设有4个与管桩表面抵紧以防止工作台晃动的安全锁，其结构形式如图4所示。安全锁的设置可以使钢平台稳定，不会因为人的走动或大风而晃动，保证操作工人的安全，并且可以为操作工人提供一个良好的作业环境。

图4 安全锁结构示意

安全锁包括固定座、螺纹孔座、螺杆以及抵接座，固定座焊接在钢平台底板上，螺纹孔座固定在固定座上，螺杆与螺纹孔座螺纹连接，抵接座与螺杆的端部活动连接，抵接座上设有抵紧块，抵紧块与管桩表面抵紧，螺杆远离管桩的一端设有手柄，转动手柄后就可以使螺杆转动，在螺纹孔座的作用下，螺杆来回移动，带动抵接座运动，使抵紧块与管桩表面抵紧或松开，方便操作。抵接座与螺杆的端部活动连接是为了在螺杆转动时，抵接座不跟着转动，保证抵紧块在抵紧时与沿钢管桩的表面贴合紧密。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程(见图5)

图5 割桩施工工艺流程

4.2 操作要点

4.2.1 钢平台加工制作

钢平台可委托外部厂家制作，也可以自行制作，制作完成后，对钢平台每个结构部位进行严格质量检查。检查各部件材料型号、材料尺寸、焊缝尺寸、焊缝质量、钢丝绳锚接牢固度等，并指定专人签字验收。

4.2.2 钢平台首次安装

吊装钢平台割桩作业设专人指挥，并设专职安全和质量监督员[8]。起重船吊钩与管桩切割钢平台的起吊部连接，将管桩切割钢平台吊起。人工通过牵引绳控制钢平台使管桩的顶部对准让位孔，吊机由上至下缓慢放下钢平台，使管桩的顶部穿过让位孔。

继续下放钢平台，钢平台的第一吊绳系统顶部的4个挂钩在弹性绳张力的作用下与管桩的需割除段的顶部钩接；这样，钢平台就可以依靠第一吊绳系统悬挂在钢管桩上，随后吊机钢丝绳可以处于完全松弛状态，起重船随风浪摇晃对钢平台无影响。若未设置弹性绳，吊机由上至下放下管桩切割钢平台时，第一挂钩容易产生歪斜而在下放时不易勾住管桩顶端。

4.2.3 平台承重系统转换

起重船停靠在待割除桩基旁，作业人员佩戴双绳安全带[9]，从起重船通过爬梯登上操作台，卸掉起重船吊扣，使用起重船将待安装的钢扁担梁吊至平台上。此时，吊机上的吊钩与起吊部已经脱离，起重船可以暂时离开，去执行其他任务。由此，不需起重船在桩头切割工作时原地待命，提高了起重船时间利用率。施工所用电焊机及氧气乙炔均放置在起重船，氧气瓶与乙炔瓶之间保持5 m以上的安全距离[10]。

在管桩的保留段与需割除段的交接处画切割线，在管桩切割线处沿周向切割出4个对称分布的开口。将管桩切割钢平台的第二挂钩分别穿过开口挂接在保留段的顶部上，调节第二吊绳的长度，使第二吊绳处于紧绷状态，将管桩切割钢平台的重量切换至由第二吊绳系统来支撑。

第一吊绳与需割除段的顶部连接需解除，保证需割除段移除时不受影响，因此不能使管桩切割钢平台的重量一直由第一吊绳系统来支撑。

将第一挂钩系统与管桩的需割除段的顶部脱离，具体的方法是：先调节第一吊绳的长度，使第一吊绳处于松动的状态，之后就可以将第一挂钩与管桩的需割除段的顶部脱离。若需割除段的高度不高，可采用人工直接脱离第一挂钩；若需割除段的高度较高，可以使用杆子辅助第一挂钩脱离。

旋转抵紧装置的手柄，使抵紧块与保留段的表面抵紧，使钢平台稳定，保证操作工人的安全，为操作工人提供一个良好的作业环境。

4.2.4 桩头割除吊离

在管桩的需割除段的顶部侧壁上切割出吊孔，吊孔与保留段的水平距离尽可能保证最大值。将钢丝绳穿过吊孔并将吊具与需割除段绑紧，为后面将需割除段移除做准备。

工人在钢平台上对管桩进行环形切割，割除时要确保桩基割桩位置准确，高程偏差不大于50 mm。在保留段与需割除段之间保留有连接部不予割除，大约1～2 cm，具体长度通过计算获得，保留段与需割除段通过连接部暂时连接。这样，连接部起到暂时连接保留段与需割除段的作用，避免需割除段倾倒。对于直桩，保留段可更加薄弱；对于斜桩，保留段需设置在桩基仰面。

起重船回到待吊离割除段附近，在钢管桩仰面停靠，钢管桩和起重船的相对位置如图6所示。将桩顶的钢丝绳与起重船吊具连接后，操作工人通过爬梯离开钢平台。

图6 吊离操作图示

在起重船的起吊力下，连接部受弯断裂，保留段与需割除段分离。吊机将需割除段吊离至材料运输船上。

若钢管桩桩顶超高较多，可重复“平台承重体系转换”和“桩头割除吊离”步骤，分2次或多次对桩头进行切割，直至完全割除多余桩头。

4.2.5 桩芯钢筋笼安装

桩头处理完成后，将加工好的桩芯钢筋笼使用小型起重船起吊至钢筋笼底部距离桩顶约0.5 m高，工人站立在钢平台上，通过牵引绳配合小型起重船吊机将钢筋笼移至桩顶正上方，稳定后缓慢下放至钢管桩中，钢筋笼通过HPBφ28圆钢与钢管桩内壁之间焊接牢固。

4.2.6 桩芯混凝土浇筑

当一个排架的桩芯钢筋笼均完成安装后，将抽水泵和混凝土振捣器具起吊放置在钢平台上，对桩内有水的使用水泵排水至混凝土浇筑面以下，确保桩内积水不漫过封底板。移动水上混凝土搅拌船至排架附近，进行混凝土浇筑。桩顶以下10 m范围内的混凝土，采用振捣棒振捣到位，浇筑完成后，对桩芯混凝土表面进行收面，在初凝前进行表面扫毛。

4.2.7 反吊系统扁担梁安装

在钢管桩顶端侧壁上放样扁担梁中轴线与管桩桩顶交接处。用材料船将岸上事先加工好的钢扁担及相应的配件机具转运到已经施工完的桩基附近。采用小型起重船将扁担梁起吊至桩芯外露钢筋顶部以上1 m高度，人员在钢平台上通过牵引绳调整扁担钢梁的方位，调整完成后，缓慢下放扁担钢梁轻轻搁置在桩顶，微调方位后完全下放到位，采用钢板或圆钢帮焊，使扁担钢梁与钢管桩桩顶或桩芯外露钢筋连接牢固[11]。扁担钢梁安装完成后，在其两端吊筋待安装处旁各安装一个手拉葫芦，用于后续底模主梁安装。反吊系统结构如图7所示。

图7 反吊系统结构示意

4.2.8 钢结构平台转移

将小型起重船吊机上的吊钩与钢平台第一吊绳系统顶部的起吊部连接，将管桩切割钢平台缓慢吊起，工人将第二挂钩从保留段的顶部脱离，然后通过爬梯离开钢平台，起重船将管桩切割钢平台吊离，继续下一个钢管桩桩头割除和底模板反吊系统钢扁担安装。

5 结束语

该钢平台，虽然结构部件较多，但制作较为简单，耗材少，成本低，安全性高[12]。经统计，该工程桩顶超高达到了3 m以上的钢管桩共有307根，最高达13 m。其中有76根超高钢管桩由于倾斜方向和扭角为靠向打桩船这一侧，在其沉桩完成后，打桩船受其影响无法进行后续钢管桩沉桩施工。经测算，采用该钢平台，每根钢管桩割除桩头可节省1 h，整个工程共计缩短割桩工期38 d(＝307×1÷8)，共计减少对打桩船影响的时间9.5 d(＝76×1÷8)。由此可知，该钢平台具有良好的应用价值。

该钢平台既可以用来割除超高钢管桩，又可以作为桩芯混凝土浇筑、横梁底模板反吊系统安装的施工平台，极大提高了施工作业效率。同时，还减少了高桩码头施工中船机设备的投入费用，对于降本增效有较为突出的贡献，可以在水工项目中推广使用。