大直径钢管桩在复杂地质条件下施工的探讨(最新版)讲诉

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 wi

2、th ComplicatedGeological Conditions1 1 2Zhou Wei Lv Jian Zhou Wei(1. CCCC-FHDI ENGINEERING CO., LTD, Gua ngzhou, Chi na 5102302. CCCC-SNEB ENGINEERING CO., LTD, Wuha n, Chi na 430071)Abstract: It is rare to use large diameter steel tube piles, in particular with the method of drilli ng and driv ing,

3、 for the con structi on of term in als with complicated geological con diti ons in Chi na. This article, take n Qasim In ternatio nal Contain er Termi nal 2 Project in Pakista n as an example, sheds light on the selecti on of con struct ion equipme nt, method stateme nt of con struct ion and check i

4、ng of the ultimate beari ng capacity for the large diameter steel tube piles in stalled through complicated geological con diti ons in the hope of provid ing experie nee for the soluti on of issues in the con structi on of similar structure in the future. Key words: QICT Terminal 2 Project; large di

5、ameter steel tube pile; complicated geological condition; drilling and driving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 2016mmffl 管桩和AZ26形钢板桩，钢管桩共228

6、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， 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

7、，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70m m时的锤击数N=5Q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1

8、10m m时的锤击数N=5Q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土

9、 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 GRLWEA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 拟采用200t起重船挂40t液压锤进行 2016mn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：25600cm；(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

10、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

11、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、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

12、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5mn左右)，再利 用旋挖钻机在钢管桩内钻孔掏渣至设计 桩底标咼左右，最后用打桩船复打至设计 标咼。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

13、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：3600KN3.2航工桩4性能参数(1) 船体尺度(长X宽X深)：47.4mx 20.6mX 3.6m，龙口在外侧；(2) 桩架至甲板：58.6m ;(3) 仰俯角度：土 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；(

14、4) 最大反转甩土转速：145rpm；(5) 桅杆前、后倾斜角度：5、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。沉桩施工工艺流程如图 2所 示。图2沉桩施工工艺流程图5主要施工方法冋5.1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

15、 下：栈桥由多联连续梁组成，每联结构为 5X 12m的贝雷桁，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：8mnffl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 800X 10钢 管桩、下横梁2I56a和 600X 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

16、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+算中可得知桩的最大 轴力标准值： N= 2X 667=1334kN 136T 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。I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

17、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， 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。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

18、 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，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GPse制，必 要时用水准仪校核。具体如图 6所示。图6打桩船定

19、位示意图522 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， 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土 5 （基于360 圆）以内。5.2.4锤击沉桩由于本次是初打，只要钢管桩沉到 -20-22m,具有一定入土深度（此时基 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

20、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咼 -500mm左右位置。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

21、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，停锤标准按照标高控制，允许偏 差为 +400mrrr -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 2 6mm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

22、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、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。(

23、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 确反映停锤前几阵的贯入度。7钢管桩承载力分析冋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：p = fehEh1 W +砂Jw _卜十诙呼+外对于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。6山=桩锤效率,对于D128柴油锤，e

24、h取0.85;Eh=制造商的锤能等级，按设计取426500Nmki =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 200000000KPak3= 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=ft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：, PuL12000 30100k2=8AE0.152 2 108=11.9mm按照Hiley公式代入前述取值，得出:P _一 0.8426500 1355.42+0.52汉37335 u _7.6+0.5X (0+11.9+3.5)35542 + 37335_=1460(kN因为我们假定Pu=12000KN但计算值为14600KN我们必须修改k2值,使得Pu介于12000KN和14