冲击成孔桩在高桩码头中的应用

冲击成孔桩在高桩码头中的应用

1钢管斜桩嵌岩施工广东东莞立沙岛码头是公司的燃料储存项目。位于珠江河口、狮子海水道东岸，包括5吨仓库，全长422米。一座桥，长168米。本工程码头采用高桩梁板式结构,码头基桩采用准1200mm/98根PHC直桩、准1000mm/196根钢管斜桩,斜率4∶1,全部需进行嵌岩施工。PHC桩由专业厂家生产,先张法一次性离心成型,采用打桩船沉桩时需穿过覆盖层到达中风化泥岩层,为此在PHC桩端安装了长2m厚度δ20mm的钢桩靴,嵌岩芯柱准850mm,长度8~11m不等。钢管桩委托专业厂家制作,采用δ18mm的Q345B钢板螺旋焊接而成,嵌岩芯柱准900mm,长度6~10m不等。码头典型断面图如图1。工程地质情况:地质钻孔资料表明,码头区域基岩上部为第四系沉积土层,自上而下分为五大层,分别为填土、淤泥、砂层、黏土、残积土。工程区域基底层为第三系泥岩,分为全风化、强风化、中风化,其中全风化泥岩平均N=15.6击,强风化泥岩N>50击,此两层泥岩厚度为2~5m,中风化岩层岩质软,强度高,天然单轴抗压强度平均值为4.20MPa,是本区域理想的地基持力层。2旋转磨削与冲击粉碎工艺根据成孔的原理不同,目前嵌岩施工成孔工艺主要有两种,即旋转磨削成孔和冲击粉碎成孔,这两种工艺均有很多成功的案例,分别适用于不同工程情况,也有各自的特点。2.1顶置式钻机钻机旋转磨削成孔的原理是,刀盘在强大的扭矩和正压力作用下带动刀具磨削岩石,形成嵌岩孔。根据设备安装方式的不同,又可分为顶置式和立轴式。顶置式钻机安装在桩顶,通过液压系统抱紧管桩。此种安装方式钻杆与管桩容易保证同心,钻孔质量较好。但钻机重量全部由单根管桩承担,对打入桩桩基侧摩阻力要求较高。若桩基摩阻力不够,易造成钻孔施工时桩基连同钻机、工作平台下沉的事故。顶置式钻机具有较大的扭矩,能有效破碎岩石,可利用油缸加压,提高钻进效率。顶置式钻机是直、斜两用机。但是此类钻机价格昂贵,重量较大,无法自身移动,需要大型起重船配合作业,功能单一,使用费用较高。深圳盐田二期和三期码头工程均采用这类钻机进行嵌岩桩施工。立轴式钻机搁置在施工平台上,钻机的重量由施工平台承担,对正在施工的管桩承载力要求稍低。由于钻机底座是水平的,钻杆角度又不能变换,较适用于直桩嵌岩施工。有时也可以施工斜桩,但钻机必须针对特定的斜度进行改装。立轴式钻机对位较难,特别是斜桩嵌岩对位精度更差。早期的立轴式钻机重量较轻,扭矩较小,主要用于软质土层中灌注桩施工。随着制造业技术的发展,目前国内厂家也能生产大型的全液压式钻机,扭矩也较大,甚至可以与顶置式钻机相媲美。宁波三星修造船厂驳船专用码头和马来西亚槟城二桥均采用这类钻机进行嵌岩施工。旋转磨削成孔一般采用气举反循环清渣工艺,由于该工艺具有较快的岩渣上返速度,而且钻进的同时进行清渣作业,排渣能力较好。2.2冲孔桩的应用冲击粉碎成孔原理是利用冲击力的作用击碎岩石,从而达到成孔的目的。冲击能量的来源有两种,一种是利用冲锤在重力作用下落获得一定速度,在接触岩面时具有一定的冲击力,一般采用冲孔桩机等施工设备实现;另一种是直接由气动设备提供,一般采用气动潜水锤等施工设备。气动潜水锤的工作原理与陆上的风炮凿岩机类似,利用活塞的高频冲击碎岩。国内外已研制出了各种直径的气动潜水锤,最大直径超过了1900mm。在大直径嵌岩桩施工中,要保证每个球齿的破碎功,对于气动的能量是一个考验。目前,此种设备工程应用的时间不长,加上锤体的高频振动,故障率较高,北海某原油码头桩基和大连中远30万t浮船坞嵌岩锚链灌注桩即采用此类工艺进行的施工。冲孔桩是常见的传统施工设备,因其设备便宜,操作简单,大量地在灌注桩施工中使用。但是在码头的嵌岩施工中使用,却还是近几年才出现的。因为灌注桩使用的锥形锤在管桩嵌岩中很容易造成卡锤事故,而且无法施工斜桩。所以必须对传统的锥形锤进行改造。目前使用效果较好的是筒形锤,用钢管圆筒进行导向,在圆筒的下端焊接类似锥型锤底部的钻齿,上部设置可以穿提升钢丝绳的拉环,为解决钢丝绳发生意外破断后打捞的问题,在拉环的外围设置一圈钢丝绳,可以用于拉钩进行打捞。为增加圆筒锤的使用寿命,在圆筒外围焊接了间距20cm左右的钢筋。如图2所示。冲孔桩一般采用正循环法清渣,冲孔与清渣间隔进行,所以效率较慢。但是也可将泥浆泵的出水口连接软管放置在筒型锤内随锤体上下运动,同时进行泥浆循环,实施效果挺好,但软管易疲劳破坏。宁波大榭中油燃料油30万吨级油码头、舟山中奥PX储运项目码头均是采用冲孔桩机配筒型锤进行嵌岩桩施工的。依据本工程的特点,嵌岩岩层不是特别坚硬,而且是泥岩,遇水后还会进一步软化。嵌岩的深度在11m以内、工期相对较宽松、合同造价较低。通过前面各种成孔工艺分析,确定采用冲孔桩机配筒型锤进行斜桩嵌岩施工,采用冲孔桩机配锥型锤进行PHC直桩嵌岩施工。3冲桩机设计参数要求嵌岩桩冲击成孔施工过程中有几个工艺参数需要慎重考虑,主要包括:锤重、锤长(对筒型桩锤而言)、锤直径、冲桩机性能指标,施工平台的设计。3.1锤的长度和长度1)锤的重量锤的重量不仅与岩石的强度有关,还与提锤的高度、管桩的斜度、锤筒与管桩内壁的摩擦以及泥浆对锤的水阻力等有关,是一个由复杂因素决定的量。而彭卫东认为锤的重量仅由倾斜度、摩擦系数决定,这是不完全正确的。锤齿需要击碎岩石,锤齿表面的压强必须大于岩石的抗压强度。锤齿的冲击压强式中:m为锤的质量;v为锤刚接触岩石时的速度,与提锤的高度、锤体的阻水截面积、泥浆的浓度有关。由于锤在泥浆(清水)中下落过程中受到水流阻力的作用,而水流阻力是与速度有关的量,所以不能简单地认为锤体是仅在重力和摩擦力作用下的落体运动。理论上v可以通过求解高次方程式得到,但在工程实践中一般通过试验测得;S为锤齿接触岩石的面积,可以简单地通过量测得到;t指锤接触岩石的作用时间,此值比较难得到。由上可知,要想通过式(1)来计算锤的重量,难度非常大,所以在工程实践中,一般凭经验来确定锤重。本工程选用6t锤进行成孔,效果非常好。如果岩石强度大,则应适当加大锤重。2)锤的直径锤的直径根据管桩内径(或者嵌岩桩设计直径)确定,一般桩锤锤底部分外径需比打入桩内径小50~60mm,才能保证施工顺畅,防止管桩底将锤卡住。本工程打入斜钢管桩内径为准964mm,嵌岩芯柱直径为准900mm。因此锤体外径采用准870mm,锤底外径为准900mm;PHC管桩内径为准850~准900mm,嵌岩芯柱直径为准850mm,因些选用准820mm的锥形锤。3)锤的长度锤的长度需要根据嵌岩芯桩的长度确定,一般情况下锤的长度需是嵌岩芯柱长度的1.25倍左右。这样在施工时才能保证桩锤不冲出打入桩桩身以外,否则,将导致卡锤、脱锤等事故。该工程斜桩嵌岩长度为6~10m,故锤长选用7.8m和12.5m两种。4)锤的加工桩锤主体采用18mm厚A3钢板卷制制成,锤底30cm高度范围采用双层钢板焊接或者加厚钢板,内部用20mm钢板做“十”字内撑,形成内骨架,锤底可以采用60mm厚钢板焊接成“米”字形,高度30cm,也可直接铸造后嵌入圆筒底部。在“米”字形末端焊接高强耐磨锤齿,保证锤的耐用性及冲击效果。吊孔在圆筒上部中心位置,在水平向可360°自由旋转,打捞采用固定钢缆环穿绕在4个固定孔内。锤体加工完成后,还需在锤体圆筒外壁沿斜线焊接准32mm螺纹钢筋,螺纹钢筋焊接间距约20cm。3.2筒扬机的阻力及作用冲桩机的型号主要取决于卷扬机功率的大小,所以要对筒型锤的提升力进行估算,提升力主要用于锤体克服自身重力、与管壁的摩擦阻力以及在泥浆(或清水)中的水流阻力等。借鉴船舶航行时计算阻力的方法,锤受到的水流阻力可以用下式进行计算:式中:ρω为管桩内泥浆的密度;Ac为筒型锤迎流断面面积;v为筒型锤相对于泥浆的向上提升速度;Cdc为阻力系数。卷扬机的功率:式中:f为管桩内壁与筒型锤之间的摩擦阻力。根据估算以及工程实践经验,冲桩机额定拉力应比锤重大2t,所以本工程选用8t的冲孔桩机。3.3冲桩机就位设计冲斜桩时,为了避免钢丝绳拉力产生的较大力矩而增加冲桩机尾部的配重,一般冲桩机就位设置成俯向冲桩,如图3所示。根据式(3)中卷扬机的拉力,通过力矩平衡原理可以得到冲桩机前后支腿的作用力,然后进行工作平台的结构设计。工作平台的支撑,钢管桩一般采用焊接钢牛腿,PHC桩一般在桩顶吊放钢套筒。3.4管桩清孔工艺方案在较软岩质(如泥岩、砂岩、火山角砾岩等)或岩层遇水变软或有夹层存在的岩基中,则采用泥浆护壁工艺。否则,软质岩层在泡水后容易出现塌孔,不易成孔,甚至可能会造成工程事故。该工程的岩基为软质泥岩,因此决定采用泥浆护壁正循环工艺进行清孔。泥浆循环采用3PN型泥浆泵,在管桩顶部临时安装一段高1m左右的护筒,护筒开20cm×20cm缺口,将溢出的泥浆顺沟槽流至放置在平台上的泥浆沉淀池内,泥浆沉淀池采用钢结构制成的2.5m×1.2m×0.6m的二级分离池,在另一池内用泥浆泵抽回管桩内,形成循环。一段时间后,用铁锹将沉淀池底的泥(岩)渣清理至集中外运的泥渣船上。4冲孔施工控制桩机首先使用起重船吊至待开孔桩位前,粗略就位后,利用桩机主机的钢丝绳缠绕桩机底座,通过不同受力位置,可以实现桩机自行精确就位。开孔前须根据护筒顶面(或打入桩顶口)距平台面的高度、打入桩的斜率、打入桩的直径、钻机最前方位置到桩架支撑点的距离等数据,调整冲孔桩机扒杆的斜角,保证桩架顶滑轮前边缘到打入桩(或护筒)顶口中心连线的倾斜度与打入桩的斜度一致。再根据打入桩的平面扭角调整冲桩机的位置,确保冲桩机的中轴面与打入桩的扭角平面重合。钻机准确就位后,利用起重船将桩锤吊入斜桩孔内,用钢丝绳卡扣将桩机主绳与冲锤连接,桩机吊起冲锤后,松去起重船吊绳,使桩锤顺桩孔口缓缓下落,放至孔底后,再复核一次桩位,准确无误后开始冲孔工作。冲孔施工时,泥浆控制原则与直桩嵌岩桩施工基本一致。要控制好泥浆浓度、黏度和孔内水位,保证泥浆护壁的作用。一旦发现漏浆,要立即把冲锤提到孔口,用备制的泥浆及时补充,并始终保持桩内液面高于桩外水面,处理好孔壁稳定的措施后才能继续冲孔。泥浆来自桩内外加黏土或冲孔自造浆形成,对不同的地质要采取不同的泥浆比重:在黏土层冲孔时,要不断地加入清水,泥浆比重可控制在1.2~1.25;在岩层冲孔时,泥浆比重要大些,一般可在1.30~1.35,否则岩渣可能无法排出;穿出打入桩后要及时加黏土泥浆护壁,使孔壁挤压密实,且随时测定和调节泥浆比重;当终孔清孔时,要把泥浆比重逐步地降低,最后按设计要求控制在1.10~1.15,既能保证孔底不沉渣,又能保证混凝土的浇筑质量。冲孔施工时,根据地层情况合理选择最优悬距、冲击行程与频率,使冲锤具有较大的切入深度,又具有较高的冲击频率。根据工程经验,一般正常悬距可取0.5~0.8m之间,以保证冲孔桩机运转平稳,冲进效率较高。另外,在冲击成孔过程中,少松绳(指长度)、勤松绳(指次数)、勤掏渣和控制合适的泥浆比重,防止形成“打空锤”损坏冲击机具和孔壁塌陷。斜桩冲孔应随时注意斜率的控制,当发生偏差时,应立刻纠正后再冲。5钢管桩的磨损与选择斜桩冲孔时,桩锤沿管桩内壁往复运动,经过一定数量的冲孔施工后,发现圆筒型桩锤外侧准32钢筋磨损比较严重。经测量统计,每个桩锤施工约15根桩后,ϕ32钢筋磨损厚度最大15mm,最小的也有8mm。桩锤磨损了,显然打入的钢管桩内壁也受到一定程度的磨损。钢管桩材质为Q345B,属于低合金高强度结构钢;而钢筋材质为HRB335,属于普通低合金热轧钢。两者虽然化学成分、力学性能基本相同,但Q345B比HRB335的硬度略高一些。所以钢管桩内壁的磨损程度会比圆筒型桩锤外侧的钢筋小一些,而且两者的摩擦面积相差8倍以上,因此钢管桩内壁的磨损应该在2mm以内,但究竟磨损多少,目前还无法测定。6桩锤压压清渣技术本工程嵌岩桩施工共发生2次卡锤事故,均是在锥形锤进行PHC直桩嵌岩施工时发生的。1)编号为A3桩打入桩尖标高-18.95m,嵌岩段长10m,设计终孔标高-28.95m。冲孔至-28.95m时,离终孔标高仅40cm时发生卡锤。技术人员采取下钢导管的方式清渣,清渣后试图活动桩锤将其拉出,反而将钢丝绳拉断。施工单位曾考虑由潜水员下水探摸,但由于该桩孔较深,孔径较小(嵌岩段直径约850mm),孔底情况复杂,潜水作业风险较大,因此该方案没有实施。经初步分析可能是由于偏心冲孔造成卡锤。经过多次研究,采取了如下处理方案:首先采用空压机正循环清孔,然后采用高压旋喷技术向孔中灌注M40水泥浆,灌注至标高-25.25m左右(即桩锤顶以上1.5m)。待水泥浆达到一定强度以后,桩机挂上新锤,将原锤顶以上1.5m范围内的水泥浆清掉,同时继续用空压机清孔至沉渣厚度满足要求,保证持力层无残渣。最后下钢筋笼,进行浇注。2)编号为F49桩打入桩尖标高-20.47m,