大直径钢管桩在复杂地质条件下施工的探讨(最新版)

1、大直径钢管桩在复杂地质条件下施工的探讨周伟1 吕剑1 周维2（1中交第四航务工程勘察设计院，广州 510230；2中交第二航务工程局，武汉 430071）摘 要：码头大直径钢管桩在复杂地质条件下的施工在国内并不多见，特别是采用钻打结合的方法进行施工更是少有。本文通过巴基斯坦QICT二期项目这个实例，分别对大直径钢管桩在复杂地质条件下的设备选型、施工方法和最终承载力复核进行了分析和探讨，希望对今后同类型的结构型式问题的解决提供可借鉴之处。关键词：QICT二期项目；大直径钢管桩；复杂地质；钻打结合Installation of Large Diameter Steel Tube Piles wit

2、h Complicated Geological ConditionsZhou Wei1 Lv Jian1 Zhou Wei2（1. CCCC-FHDI ENGINEERING CO.,LTD, Guangzhou, China 5102302. CCCC-SNEB ENGINEERING CO.,LTD, Wuhan, China 430071）Abstract: It is rare to use large diameter steel tube piles, in particular with the method of drilling and driving, for the c

3、onstruction of terminals with complicated geological conditions in China. This article, taken Qasim International Container Terminal 2 Project in Pakistan as an example, sheds light on the selection of construction equipment, method statement of construction and checking of the ultimate bearing capa

4、city for the large diameter steel tube piles installed through complicated geological conditions in the hope of providing experience for the solution of issues in the construction of similar structure in the future.Key words: QICT Terminal 2 Project; large diameter steel tube pile; complicated geolo

5、gical condition; drilling and driving 91 问题提出的背景1-21.1 工程概况QICT二期项目位于巴基斯坦卡拉奇市QASIM港，为现有QASIM港国际集装箱一期码头的扩建工程，工程内容主要包括填筑16万m2后场场地建造成集装箱堆场、建造长727米的码头及将泊位疏浚至水深基准点下16米处以保证吃水深度14米船舶通航，通过以上改、扩建，将现有码头建造成吞吐量为117.5万个标准箱的新集装箱码头。码头胸墙桩基为外直径2016mm钢管桩和AZ26形钢板桩，钢管桩共228根，壁厚24mm，设计底标高-27m，长度30.1m，全部为直桩； AZ26型钢板桩共456根

6、，2根合为1组，壁厚6mm，设计底标高-19m，长度22.1m，钢管桩和钢板桩通过锁扣进行连接如图1所示。图1 钢管桩和钢板桩连接示意图1.2 地质条件由于本项目基槽开挖到-12.0m再行施打钢管桩，所以沉桩受影响的地质条件由上到下主要如下：第一层为密实的，灰色的，粉质细砂 (海洋沉积)。分布不均匀，大致分布在-13.1m-13.7m区间，N=32。第二层为极密实的，偶含贝类、粗砾石和稀疏粉质粘土薄层的粉质细砂。分布不均匀，大致分布在-13.7m-17.8m区间，N=72。第三层为极密实的，浅灰色的，偶含粉质粘土薄层的粉质细砂。分布不均匀，大致分布在-17.8m-20.7m区间，N=82。第四

7、层为极密实的，浅黄色的，带有细到中等砾石的砂性粉质粘土。分布不均匀，大致分布在-20.7m-21.9m区间，标准贯入器击入土中70mm 时的锤击数N=50。第五层为极密实的，浅黄色和棕黄色的，不规则的中粗砾石和大量砾岩碎片的粘性砾石性粗砂。分布不均匀，大致分布在-21.9m-26.7m区间，标准贯入器击入土中70mm 时的锤击数N=50。第六层为极密实的，带浅黄色斑点的亮灰色的，偶带细砂的粉质粘土。分布不均匀，大致分布在-26.7m-31.0m区间，标准贯入器击入土中110mm 时的锤击数N=50。由以上地质资料可知，钢管桩沉桩区域地质条件比较复杂，钢管桩沉桩时需要穿过较厚的坚硬地质层，标贯基

8、本都在80击以上。1.3问题的提出从以上情况可以看出，直径2016mm的钢管桩穿透如此复杂的地层，施工难度是显而易见的。(1)钢管桩与钢板桩组合板桩码头是一种新型码头结构，两者之间通过锁扣进行联接，施工难度大；(2)大直径钢管桩在复杂地质条件下的施工在国内并不多见，特别是穿透80击以上的极密实土层更是困难重重；(3)国外咨工要求设计和施工均采用英标控制。其中垂直度控制在1:75以内；桩顶偏差控制在100毫米以内；桩中心到桩中心的间距偏差控制在±80mm以内。2 施工方法的选择3-4为确定合理的施工方法，采用GRLWEAP程序进行试打分析，从而了解不同地质参数对打桩过程的影响。模拟计算

9、拟采用200t起重船挂40t液压锤进行2016mm钢管桩的沉桩，补充参数如下：（1）锤型：V400A；（2）锤垫材料：钢丝绳；（3）锤垫厚度：30cm；（4）锤垫面积：25600cm2；（5）锤垫弹模：1035MPa；（6）锤垫回弹系数COR：0.8；（7）替打重量：7.1t；（8）钢管桩弹模：200000MPa；（9）钢管桩桩顶面积：0.152m2；（10）钢管桩桩尖面积：0.152m2；（11）钢管桩周长：6.33m。根据以上参数计算出用V400A锤击打2016钢管桩的情况，即在桩入土深度为15m的情况下，当桩的阻力为8000kN到16000kN之间时，V400A都能进行有效的沉桩，桩的拉

10、应力和压应力均在允许范围之内，桩的贯入度在每锤5.6mm以上，满足施工要求。通过以上理论计算，并进行适打性分析，也就是把实际的土层情况、桩和液压锤的有关数据输入到程序中去，并用程序进行沉桩模拟，以了解锤的适用性和沉桩过程中可能遇到的问题。就本项目的情况来看，由于地基密实、含砂、标贯击数大，需要考虑桩是否可以贯入到一定深度的问题。因此我们选择了比较密实的地基情况进行分析，以了解在这样的地基条件下的沉桩过程。从而建立一套完整的理论基础。但是，在实施过程中，根据现场施工进度和市场设备情况，V400A液压锤没有现货，且海外的采购、调遣、关税等费用较高。为此，在选择桩锤时，充分考虑桩的形状、尺寸、重量、

11、入土长度、结构形式以及土质、气象等条件，并选择一种能够克服桩的贯入阻力，包括克服桩尖阻力、桩侧摩阻力和桩的回弹产生的能量损失等一种桩锤的夯击能量。鉴于以上原因，故选用了现有D128柴油锤，并根据该柴油锤特性制定出一套行之有效的施工方案。通过前期计算和以往沉桩施工的经验，对于直径为2016mm的大钢管桩在这种地质条件下采用D128柴油锤大多数是不能一次性打到设计标高的。为此，参考钻孔桩的施工方法，对于不能打到设计标高的钢管桩，施工时将采用“钻打结合”的方法，即首先利用打桩船将钢管桩初沉到硬地质层（停锤时按照贯入度控制，停锤时最后30击贯入度在5mm左右），再利用旋挖钻机在钢管桩内钻孔掏渣至设计桩

12、底标高左右，最后用打桩船复打至设计标高。那么，要完成用旋挖钻机在钢管桩内钻孔掏渣，必须解决其所需的工作条件，根据现场情况，采用搭设钢栈桥平台作为旋挖的施工平台，该施工平台又可作为沉钢板桩的设备工作平台。3 施工机具性能根据工程勘察地质特性、设计要求和相关海外施工经验，选用航工桩4挂D128柴油锤施打钢管桩和采用YTR220旋挖钻机进行桩内旋挖，主要设备参数如下。3.1 D128柴油锤技术参数（1）上活塞重：12800 Kg；（2）每锤打击能量：426500 Nm；（3）打击次数：36-45i/min；（4）最大爆发力：3600KN。3.2 航工桩4 性能参数（1）船体尺度（长×宽&#

13、215;深）：47.4m×20.6m×3.6m，龙口在外侧；（2）桩架至甲板: 58.6m；（3）仰俯角度:±30°；（4）最大起重量：80t；（5）最大桩长：48m水深；（6）龙口至船首：3.65m。3.3 YTR220旋挖钻机主要性能参数（1）最大钻孔直径、深度：2m、60m；（2）最大输出扭矩：220KN·m；（3）钻孔转速：728rpm；（4）最大反转甩土转速：145rpm；（5）桅杆前、后倾斜角度：50、150。4 工艺流程胸墙桩基施工工艺流程：施工区域挖泥-钢栈桥搭设-钢管桩初沉-桩内旋挖-钢管桩复打-钢板桩施打-进入下一个工序。沉

14、桩施工工艺流程如图2所示。施工准备测量网复核及施工基线布置运 桩运桩方驳抛锚定位打桩船抛锚定位吊桩、立桩入龙口下一工序施工起锤移锚定位锤击沉桩测量定位移船起吊下一根桩施打下一根钢管桩图2 沉桩施工工艺流程图5 主要施工方法5-65.1 临时钢栈桥搭设为了便于在钢管桩初沉后，给旋挖钻机提供一个钻孔操作平台，在钢管桩施工前在钢管桩岸侧搭设临时钢栈桥。根据地质勘查资料，普遍约在-20m-22m为地质突变区，所以考虑到钢管桩沉至该位置时顶标高为+8m+10m，故考虑旋挖施工的方便及钢栈桥结构上的稳定，将钢栈桥顶标高定为7m，初步确定结构形式如下：栈桥由多联连续梁组成，每联结构为5×12m的贝

15、雷桁，栈桥桥面宽9m。QICT二期项目施工钢栈桥结构包括三大部分：面层结构、贝雷梁及下部桩基排架。面层结构为主要包括：8mm钢面板、横向间距300mm的纵肋I14以及纵向间距1500mm的横肋I32a；共采用三组贝雷梁，栈桥施工一侧贝雷梁采用三排单层，其它为双排单层；桩基排架采用两根800×10钢管桩、下横梁2I56a和600×8钢管平联组成。通过对桥面钢板、纵向分配梁内力、横向分配梁内力、贝雷架计算、下横梁计算可知上部结构受力的各项指标均满足规范要求。通过对排架作用荷载计算、桩基嵌固点计算、排架计算工况、建模分析及计算结果均表明下部排架计算满足规范要求。从ANSYS计算中

16、可得知桩的最大轴力标准值：N2×667=1334kN136T力（2为安全系数），确定桩长为27m，桩底标高为-20m。钢栈桥施工时沿着钢管桩施打的方向向前推进（由东向西），形成流水施工。栈桥基础用打桩船+柴油锤施打，然后在吊车的配合下进行上部钢结构的拼装。临时栈桥结构如图3所示。图3 钢栈桥典型断面图钢栈桥的拼装材料利用200t方驳运输,100吨履带吊配合安装。钢栈桥施工时所有焊接构件的焊缝表面不得有虚焊、夹渣、裂纹等现象。钢栈桥在其每跨影响范围内的钢管桩和钢板桩沉设到位后拆除，向前推进（首次拆除在大约沉码头钢管桩15根，并完成相应的板桩施工后进行）。上部结构由100t履带吊配合拆除

17、，吊装到停靠在码头钢管桩后方的方驳上。栈桥桩拔桩利用陆上的100t履带吊配150型振动锤进行。拔桩如图4所示。图4 拔桩示意图拔桩后要仔细检查桩的完整性，有破坏的地方要及时进行修补，在潮水变换区部分的油漆要及时补上，以保证下阶段钢栈桥的安全性。5.2 钢管桩初沉 钢管桩初沉由航工桩4配D128柴油锤施打,锤垫采用直径25mm以上的粗钢丝绳割成小段，纵横分层铺设制成。钢管桩初沉打入硬地质层，停锤时贯入度控制在5mm左右。打桩船沉桩如图5所示。图5 打桩船沉桩示意图钢管桩初沉是质量控制的关键，主要内容如下所示：5.2.1打桩船定位(1) 平面控制桩位平面位置控制采用GPS定位，全站仪校核。打桩时，

18、利用打桩船上的GPS直接测出桩的平面位置坐标，与设计坐标相比较，指挥打桩船移动到设计位置.桩的垂直度用靠尺在互相垂直的两个方向上控制。第一根钢管桩沉桩需要做GPS定位复核，即GPS定位后，利用一台经纬仪和一台全站仪交汇定位的方式进行复核。为了保证施打的钢管桩上的锁口在设计轴线上，施工时在已有码头上架设经纬仪，拨角到和锁口同一直线的方向上，控制锁口轴线不出现超过标准的偏位。(2) 高程控制钢管桩桩顶高程控制由GPS控制，必要时用水准仪校核。具体如图6所示。图6 打桩船定位示意图5.2.2 吊桩运桩方驳在定位后，打桩船移位到运桩驳起吊钢管桩。打桩船移位的同时进行立桩，同时将桩架立直。抱桩器抱住桩，

19、提升桩使桩顶套进替打。5.2.3 钢管桩定位采用GPS确定桩位。利用锚缆移动船位。按照设计要求控制垂直度、桩顶偏差控制和桩中心的间距偏差。而且由于钢管桩施打是带锁口一同施工，以方便后续钢板桩施工，因此为保证后续钢板桩施工质量，对钢管桩的旋转偏差控制在± 5 °（基于360 °圆）以内。5.2.4 锤击沉桩稳桩后压锤，待桩不再下沉后，复核桩位，桩在压锤稳定后开始沉桩。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，应立即停止沉桩，及时查明原因，采取有效措施。5.2.5 停锤标准由于本次是初打，只要钢管桩沉到-20-22m，具有一定入土深度（此时基

20、槽底标高-12.0m），满足后续旋挖施工条件即可。5.2.6 沉桩记录 沉桩时认真填写“锤击沉桩记录表”，内容包括入土深度、锤击数、贯入度等。5.3 钢管桩桩内旋挖钢管桩初沉后，YTR220旋挖钻机在钢栈桥上进行桩内旋挖取土，为避免降低桩端承载力，一般控制在设计桩底标高-500mm左右位置。旋挖时根据所在孔内的土质情况可先用1.2m钻头旋挖，然后再采用1.8m钻头扩孔。同时，针对初打的偏位情况进行区别性旋挖，以便有意识的改变土体情况而进行纠偏，最大限度的保证正位率。旋挖如图7所示。图7 桩内旋挖示意图5.4 钢管桩复打旋挖钻机在钢管桩内掏渣到位后，桩船返回复打钢管桩至设计底标高。根据设计意见，

21、停锤标准按照标高控制，允许偏差为+400mm-50mm。综合本项目的施工经验，从-22.0m-27.0m的复打过程中，锤击数一般在6001800之间，最终贯入度一般在26mm之间。6 钢管桩施工注意事项（1）沉桩前对钢管桩进行逐根检查，检查桩身外观质量及运输中有否损伤。（2）桩船吊起钢管桩至适当高度后再立桩入龙口，沉桩前，应掌握水深情况，防止桩尖触及泥面，使桩身变形。为了保护钢管桩的防腐涂层，龙口与桩接触的部分安装橡胶垫。如果保护涂层遭到破坏，利用与防腐涂层相同的材料对破坏处进行涂刷修补，涂层厚度不低于设计厚度。（3）打桩船进退作业时，应注意锚缆位置，尽量避免缆绳拌桩而破坏防腐涂层。（4）涨、

22、落潮时，应随潮水的涨、落适时松、紧缆绳，以保持船位不变和防止个别锚缆受力过大。（5）吊桩时应考虑桩驳平衡和吊桩顺序，起吊时要平稳对称起吊，并防止相互碰撞。（6）下桩过程中，桩架宜与桩的设计倾斜度保持一致。锤击沉桩时，桩锤、替打、桩身宜保持在同一轴线上，避免产生偏心锤击。（7）在自沉或压上锤和替打后，如发现桩基偏位较大，须将桩基拔起后，重新定位调整，禁止在沉桩过程中挤桩纠偏，以免因过大的调整而使桩身变形。（8）沉桩应连续，不要中途停，以免土壤恢复而增加其对沉桩的阻力。（9）沉桩时，根据现场的水下地形，则需预留出打桩偏位的提前量，确保最终的沉桩偏位满足规范要求。（10）认真做好沉桩施工记录，要准确

23、反映停锤前几阵的贯入度。7 钢管桩承载力分析7-8为验证所用施工方法的效果，选取终锤平均贯入度最大的B100号桩通过桩动力学方程检验码头单桩承载力。由于本项目使用的是D128柴油锤，其技术参数如3.1所示，根据Hiley公式：对于D128柴油锤，可以假设为双作用锤。因此，我们选择这个方程的SF = 3。 eh=桩锤效率, 对于D128柴油锤，eh取0.85； Eh=制造商的锤能等级，按设计取426500Nm； k1 =桩垫和桩帽弹性压缩（mm），由于钢管桩直接作用端部，取值为0； k2=桩的弹性压缩形式PuL/AE，其中L =桩长度，按设计取30100mm，A=桩横截面积，按设计取0.152m2，E=弹性模量，按设计取200000000KPa；k3=土壤的弹性压缩，也称为波动方程分析，根据经验取值3.5mm； n =恢复系数，钢管桩取0.5； Pu=极限承载力（KN）； S =每锤贯入度，取值为终锤平均贯入度最大的7.6mm； Wp=桩重量，包括加强箍等重量，按设计取373.35KN； W=桩锤重量，包括锤壳重量，根据D128柴油锤参数取355.42KN。 作为第一个试算，假设Pu=12000kN： k2=按照Hiley公式代入前述取值，得出： 因为我们假定Pu=12