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摘要：惠州港燃料油调和配送中心30万吨码头工程（Ⅱ标 ）密集钢管桩基础，介绍其沉桩模拟试验，沉桩顺序及碰桩的控制研究，沉桩的施工要求及质量标准。
关键词：密集钢管桩；模拟沉桩仪；SketchUp做三维图；施工工艺；施工标准
一、工程概况
惠州港燃料油调和配送中心30万吨码头工程（Ⅱ标 ）位于惠州市大亚湾港区。工程包括新建一个30万吨级码头泊位及接岸引桥1座，以及包括港池疏浚、航道疏浚、岸坡开挖等内容。其中码头工程包括新建1个工作平台、4个靠船墩和6个系缆墩。墩台间通过2X60+2X45+2X66+4X14m钢联桥链接。引桥总长度728m，包括8个引桥墩，1个接岸墩，墩台间通过8x78+50.4m钢引桥连接。
(1)码头结构型式
码头呈“蝶”字型布置，泊位长470m，兼顾3~30万吨级船靠泊，前沿水域底高程-21.2m，码头结构设计底高程-23.8m。包括一个工作平台、4个靠船墩和6个系缆墩。墩台间通过钢联桥连接。
工作平台顶面标高为+11.0m，平面尺寸为42m×30m，厚度为2.5m。墩台桩基采用30根Φ1200mm的钢管桩，包括6根直桩和24根斜桩，斜桩率均为5：1.钢管桩壁厚为22mm，材质为Q345B。
靠船墩顶面标高为8.0m，平面尺寸为15m×18m，墩台厚度2.5m。墩台基桩采用19根Φ1200mm的钢管桩，包括2根直桩和17根斜桩，钢管桩的壁厚采用22mm，材质为Q345B。每个靠船墩设2组SUC2500H一鼓一板标准型护舷。墩台面设置双钩快速解缆钩（单钩能力1250KN），并设置1个2000KN系船柱。
系缆墩顶面标高为+7.0m，厚度为2.5m，平面尺寸为13m×13m。墩台基础采用12根Φ1200mm的钢管桩，斜率为3：1，钢管桩壁厚为22mm，材质为Q345B。各中间系缆墩设置一柱三钩（单钩1250KN）的快速解缆钩一套；艏、艉缆系缆墩设置一柱四钩（单钩1250KN）的快速解缆钩，每个系缆墩设置1个2000KN系船柱。
桩尖持力层除个别位置为强风化岩外，其余均为中风化岩层，根据墩台桩基地质情况和受力情况，部分钢管桩需采用整桩嵌岩或锚杆嵌岩。所有桩桩顶伸入墩台1倍桩径。
(2)引桥结构型式
引桥总长度约728m，桥面顶标高+11.0m，采用引桥墩+大跨度钢引桥的结构形式。引桥墩采用Φ1200mm钢管桩作为基础，桩的斜率为3：1，钢管桩钢管桩的壁厚采用22mm，材质为Q345B。靠近岸墩的墩台采用灌注桩基础。引桥墩间通过钢引桥连接。
本工程本工程共有9个引桥墩，6个系缆墩，4个靠船墩，1个工作平台，其中系缆墩、靠船墩、工作平台以及7个引桥墩均使用Φ1200mm钢管桩做基础，共需插打246根钢管桩。
二、密集斜钢管桩沉桩施工的提出
本工程相邻靠船墩间距仅6m，靠船墩与工作平台间距仅5.5m，这5个墩台共有106根钢管桩；由于钢管桩扭角及斜率均较大，相邻墩台及本墩台的钢管桩之间相互穿插，容易出现钢管桩之间在泥面以下碰桩的情况。
钢管桩采用“中铁桩1”打桩船施工，打桩船长61.6m，宽26.4m，船头左右两舷均有象鼻梁及控制室突出船头，打桩船宽度较大且有突出点；另外靠船墩平面尺寸仅15m×18m，却由19根钢管桩做基础，靠船墩钢管桩在标高+5.5m（墩台底标高）位置桩间距离仅有3m，太过密集，在打桩船施工时导致容易出现打桩船与已沉桩钢管桩相碰从而使部分钢管桩无法沉桩的情况。为保证本工程的施工顺利进行，必须施工前进行沉桩的碰撞验算。国内外常规一般情况下碰桩验算是由设计院内部软件进行验算，但由于界面的人为设置与现场实际海况不一致而造成数据的不准确影响施工的实际质量。施工单位做碰桩验算及沉桩可行性研究可使用以下两种方法：
（1）使用CAD作图
作CAD平面图可在一定程度上校核沉桩的可行性，但却无法校核钢管桩之间是否碰桩并且无法在空间位置上校核沉桩的可行性；作CAD三维图又非常复杂且麻烦。
（2）利用《港口工程施工手册》中公式进行验算
此方法可计算出钢管桩之间是否碰桩，但计算麻烦，并且无法校核钢管桩沉桩可行性。
两种方法都有其优缺点，但由于本工程海况的复杂性，结构的钢管桩设计的多样性，两种方法均不能有效较好解决碰桩试验数据。
钢管桩沉桩施工成为本工程的重点以及难点，为保证所有钢管桩成功沉桩，提出采取陆地建立建立模型，模拟钢管桩海上沉桩的实际施工情况，通过模拟的施工方案，校核钢管桩之间是否碰桩及校核钢管桩沉桩顺序的可行性的两个方面工作建立数据库，为海上现场施工提供有力的支持数据平台方案。
三、模拟沉桩定位仪
钢管桩模拟沉桩实验中，实验钢管桩无法像打桩船一样，利用GPS定位，因此应先设计、制作模拟沉桩定位仪，先将实验钢管桩定位沉桩，再用打桩船模型去校核沉桩的可行性。
四、SketchUp做三维图
在实际沉桩过程中难免有偏差，可使用SketchUp做出实际桩位图，验证已经沉桩的钢管桩是否与即将沉桩的钢管桩是否碰桩。
五、验证试验方法
（1）制作沙盘，模拟钢管桩沉桩
a、试验前，以本工程工作平台中心为原点建立坐标系，以1:100的比例缩小并计算出每根钢管桩的桩位坐标，用以实验沉桩时定位。
b、用钢板焊接一个长3m，宽2m，高0.7m的铁盒子，顶部开口；铁盒子四周边缘在顶部位置粘贴刻度尺，刻度尺零头均位于铁盒子中间；铁盒子里面盛0.3m高中粗砂模拟大海泥面以下土层，中粗砂上是0.2m高的水模拟海水，试验时水位标高按+1m控制。
c、“中铁桩1”打桩船长61.6m，宽26.4m，以1:100的比例缩小制作打桩船模型；打桩船模型主要应控制船长、船宽、船型深、船头吃水、桩架距船头距离、船头控制室高度及宽度。本工程所处海域潮位变化大概在±0m～+2m之间，实验中靠铁盒子内部水位来控制潮位变化较难，可通过打桩船模型吃水变化来大概控制潮位变化。钢管桩的直径及长度同样以1:100比例缩小，即使用Φ12mm钢管桩加工而成。
d、实验时，先利用模拟沉桩定位仪将实验钢管桩定位，然后使用小锤子将实验钢管桩慢慢敲打沉桩，直至钢管桩桩顶标高为止，撤出模拟沉桩定位仪，再用打桩船模型的桩架贴合刚刚沉桩完成的钢管桩，同时注意打桩船模型是否与已沉桩钢管桩相碰，以校核沉桩的可行性。
（2）使用SketchUp做三维图
a、模拟沉桩实验中，发现三对钢管桩存在碰桩情况，经BIM做三维图校核后发现实验结果无误，并报设计确认、处理。
b、实际沉桩过程中，由于是海上风浪等因素，实际钢管桩的桩位、扭角、斜率难免存在偏差，通过打桩船GPS连接的电脑读出并记录钢管桩实际偏差值，使用SketchUp做出实际已沉桩钢管桩的三维图，验证已沉桩钢管桩与即将沉桩钢管桩是否碰桩。
六、试验结果
模拟沉桩法不仅可以很好的校核钢管桩之间是否碰桩，还能校核钢管桩沉桩的可行性；但模拟沉桩定位仪存在误差，模拟钢管桩沉桩时也可能产生人为误差。SketchUp三维图可很好的校核钢管桩之间是否碰桩，同时可较精确的测量两钢管桩之间的最短距离，并在一定程度上验证方法一的可靠性以及弥补方法一可能出现的误差。
七、现场施工沉桩顺序及施工工艺流程
通过钢管桩沉桩模拟实验，验证钢管桩沉桩的可行性，确定现场施工沉桩顺序及施工工艺流程
1）沉桩施工原则
① 考虑所有桩都能施打 —— 在桩位图上用统一比例的打桩船纸模模拟出打桩顺序；
② 考虑水位、水深和风、浪、流的影响 ——打桩船的吃水和抛锚定位方法；
③ 考虑工程分段—— 一般以结构段来分段；
④ 考虑土壤变形的影响 —— 群桩（桩距<3D）通常采用阶梯形推进；
⑤ 减少沉桩对岸坡稳定的影响 —— 由岸边向外逐排打设，采用间隔沉桩法；
⑥ 尽量减少打桩船移架、移锚的次数 —— 提高打桩效率；
⑦ 考虑施工水域船舶锚缆的布置 —— 使之取桩方便，缆绳对桩不产生侧力。
2）沉桩总体施工顺序
考虑水位、水深和风、浪、流的影响，本工程引桥、码头沉桩总体顺序安排如下：
引桥墩（Q7、Q6、Q5）→引桥墩（Q1）→工作平台PT（斜桩）→靠船墩（K3）→靠船墩（K4）→系缆墩（X4）→系缆墩（X5）→系缆墩（X6）→引桥墩（Q4、Q3、Q2）→靠船墩（K2）→靠船墩（K1）→工作平台PT（直桩）→系缆墩（X3）→系缆墩（X2）→系缆墩（X1）
3）沉桩施工工艺流程
移船取桩（方驳运或浮运）→吊、立桩入龙口→移船就位→调平船、调整龙口垂直度(直桩)或斜度(斜桩)→定位、收紧缆绳→桩自沉→测桩偏位、调整船和龙口→压上锤和替打→测桩偏位，调整船和龙口→小冲程锤击沉桩→正常锤击沉桩→满足沉桩控制条件、停止锤击（→估测桩偏位）→起吊锤和替打→测桩偏位→移船取桩→……。
八、沉桩施工注意事项
沉桩时严格按照模拟沉桩仪试验及SketchUp三维图方法提供的数据进行沉桩顺序及碰桩防撞的施工处理外尚需注意以下事项：
（1）锤击沉桩时，桩锤、替打和桩宜保持在同一轴线上，替打应保持平整，避免产生偏心锤击或蹩劲沉桩。
（2）打桩船吊起桩身至适当高度后再立桩入龙口，打桩船就位时，应掌握水深情况，防止桩尖触及泥面，使桩身折裂。
（3）在自沉或压上锤和替打后，为纠正偏位，只能微调船位和龙口，对钢筋混凝土桩尤应如此，以免因过大的调整而损伤桩。
（4）潮涨潮落，应随潮水的涨、落适时松、紧锚缆，以保持船位不变和防止个别锚缆受力过大。当附近的船行波影响沉桩船稳定时，宜暂停锤击。
（5）防止背板蹩桩，对斜桩尤应注意。根据起吊锤和替打前、后估测的桩偏位值，减去定位时偏差和桩（斜桩）悬臂下垂值，估验是否蹩劲沉桩，给后续沉桩提出警惕。
（6）如出现贯入度反常，桩身突然下降，过大倾斜移位，桩身出现严重裂缝和破碎掉块，均应立即停止锤击，及时查明原因，采取有效措施。
（7）沉桩过程中不得用移船方法纠正偏位。
（8）定期更换锤垫和桩垫，以免垫因过于击实，刚度增加很多，使桩承受过大的锤击力。
（9）沉桩记录要准确反映停锤前几阵的贯入度和锤冲击部的反跳高度。每天检查沉桩记录，发现问题及时处理。
（10）沉桩船进退作业时，应注意锚缆位置，防止缆索绊桩，如已沉桩被水淹没，应设置标志。若有未沉至设计标高的桩，应及时截除其高出部分。
九、沉桩质量控制措施
（1）设计桩尖标高已进入灰色粉质粘土夹粉砂层，结合试桩沉桩经验，沉桩以贯入度控制为主，标高控制作为校核。采用D-138型锤开至两档油门，沉桩最终停锤标准和桩长根据本工程试打桩情况作调整。
（2）本工程高应变动测桩数采用总桩数的10%，共25根。
（3）沉桩的控制包括偏位控制、承载力控制和桩的裂损控制：
① 偏位控制
沉桩时要保证偏位不超过规定，偏位过大，会给上部结构的现浇带来困难，也会使结构受到有害的偏心力。为了减少偏位，应采取一下措施：
避开强风时沉桩，当风、浪、水流超过规定时停止沉桩作业；
防止应施工活动造成定位基线走动，及时开动平衡装置和松紧锚揽，以维持打桩架坡度，防止打桩船走动；
掌握斜坡上打桩和打斜桩的规律，拟定合理的打桩顺序，采取恰当的偏离桩位下沉，以保证沉桩完毕后的最终位置符合设计规定，并采取削坡和分区跳打桩的方法，防止岸坡滑动。
② 桩的极限承载力控制
本工程以贯入度控制为主，标高控制为辅，具体沉桩标准以设计图纸上要求为准。
③ 桩的裂损控制
沉桩过程中，选用合适的冲程和桩垫材料，随时查看沉桩情况，如锤、替打、桩三者是否在同一轴线，贯入度是否有异常变化等。
钢管桩水上沉桩的允许偏差、检验数量和方法
十、结束语
惠州港燃料油调和配送中心30万吨码头工程（Ⅱ标 ）密集钢管桩采用模拟沉桩仪试验及SketchUp三维图方法陆地模拟实验，形成数据平台指导海况复杂环境下的施工，事前解决了沉桩及碰桩的难题。该方法施工工艺简捷，安全可靠，使用的机具设备少，操作简单，施工效率高，成本低廉。为同类型复杂海况环境下密集钢管桩施工提供了宝贵的施工经验。
论文作者:刘明东
论文发表刊物:《基层建设》2016年35期
论文发表时间:2017/3/23
标签：钢管论文; 引桥论文; 标高论文; 工程论文; 龙口论文; 船模论文; 方法论文; 《基层建设》2016年35期论文;