２０１３年第０５期 总第１７９期 福 建 建 筑 Ｎ００５・２０１３ Ｖｏｌ・１７９ Ｆｕｉｉａｎ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ 海洋环境大直径钢护筒沉放的施工技术及工艺 天水盐 吴永盛 （福建省交通建设工程监理咨询公司 福建福州３５００００） 摘要：随着我国海上和海湾桥梁工程日益增多，桥梁桩基耐久性能变的越发重要。针对这一趋势，防腐处理的钢护简越来越多被运用 在海洋环境的桩基工程中。目前，钢护筒多采用履带吊带振动锤并搭设导向架来沉放，但由于履带吊臂长有限，因此这种方法对于大直 径钢护筒沉放存在不足。本文以泉州湾跨海大桥为背景，通过规范对比计算并结合工程情况选择振动锤和打桩船，详细论述分析了精 确定位钢护简，来研究大直径钢护筒沉放的施工技术——打桩船＋振动锤，为大直径钢护筒施工提供指导作用。 关键词：大直径钢护筒；桩基础；施工工艺；海洋环境 中图分类号：Ｕ４４５．５５ ７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—６１３５【２０１３）０５—００７１—０３ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｃｒａｆｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ——ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｔｅｅｌ——ｃａｓｉｎｇ ｉｎ ｏｃｅａｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｕ Ｙｏｎｇｓｈｅｎｇ （Ｆｕｊｉａｎ ｔｒａｆｉｆｃｅｎｇ ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｉｎ＆ｃｏｎｓｕｈａｎｔｓ－Ｆｕｚｈｏｕ ３５００００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａ ａｎｄ ｔｈｅ Ｇｕｌｆ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ｂｒｉｄｇｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｎｌｏＩｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｉｎ ｌｅ— ｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｔｈｉｓ ｔｒｅｎｄ，ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｖｅ ｓｔｅｅｌ ｃａｓｉｎｇｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｃｅａｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｓｔｅｅｌ ｅａｓｉｎｇ ｉｓ ＵＳＵ－ ａｌｌｙ ｐａｓｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｒａｗｌｅｒ ｃｒａｎｅ ｗｉｔｈ ａ ｖｉｂｒａｔｏｒｙ ｈａｍｍｅｒ ｎｄ ｇｕｉａｄｅ Ｌａｍｅ ｅｒｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｓｉｎｋｉｎｇ．Ｂｕｔ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｅｄ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｒａｗｌｅｒ ｃｒａｎｅ’ａｒｍ，ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ—ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｔｅｅｌ ｃａｓｉｎｇｓ ｅｘｉｓｔｓ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｑｕａｎｚｈｏｕ Ｂａｙ Ｂｒｉｄｇｅ ａｓ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔｎｄａｒｄｉａｚｅｄ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｃａｌｃｕｌａ— ｔｉｏｎｓ ｃｈｏｏｓｅ ｖｉｂｒａｔｏｒｙ ｈａｍｍｅｒ ａｎｄ ｐｉｌｉｎｇ ｂｏａｔ，ｄｅｔａｉｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｃａｓｉｎｇｓ，ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ—ｄｉｍｅｔｅｒａ ｓｔｅｅｌ ｃａｓｉｎｇｓ ｓｉｎｋｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎ０ｌ０ｇｙ——Ｐｉｌｉｎｇ ｂｏａｔ＋ｖｉｂｒａｔｏｒｙ ｈａｍｍｅｒ，ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｔｅｅｌ ｐｉｌｅ ｅａｓｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｈｅ ｌｒｇｅ ｄｉａｍｅｔａｅｒ ｓｔｅｅｌ ｃａｓｉｎｇｓ；Ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｏｃｅａｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｅ－ｍａｉＩ：８０３４５９９９＠ｑｑ．ｃｏｍ 引 言 由于海洋环境具有腐蚀性强，海床覆盖层厚的特点，这对 处于其环境的桥梁的桩基耐久性及其施工工艺均提出了较高 索塔墩位土层力学指标见（表１）。 表１索塔墩位土层力学指标一览表 Ｔａｂ．１ Ｔｏｗｅｒ Ｐｉｅｒｓ ｓｏｆｔ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｎｄｅｘⅡｓｔ 的要求，针对这些特点，目前国内较常规的设计是设置经防腐 处理的钢护筒，这样钢护筒可起到保护桩基，延长其使用寿命 的作用，同时，钢护筒可作为桩基成孔的护壁措施，有利于成 土层编号 土质 层厚Ｌ沉桩桩侧摩阻力ｑｊｋ 标贯击数Ｎ 桩。但如何使钢护筒在波浪及潮汐影响的海洋环境下准确定 位并沉放到位，其施工难度较大。本文将以泉州湾跨海大桥索 塔基础的钢护筒沉放为背景，介绍海上大直径钢护筒沉放的振 动锤选型及其工艺，并对关键技术进行探讨。 备注：设计钢护筒底标高位于⑥２层顶面。 １工程背景 泉州湾跨海大桥工程起于晋江南塘，与泉州市环城高速公 路晋江至石狮段相接，在石狮蚶江跨越泉州湾，经惠安秀涂、张 ２振动锤的工作原理及选型 振动锤的工作原理是利用振动桩锤产生的周期激振力迫 使桩强迫振动，让桩周边的土壤因振动而液化，以减少摩阻力， 达到其逐渐下沉的目的。 坂，终于塔埔，与泉州市环城高速公路南惠支线相接，其中泉州 湾跨海大桥长１２．４５ｋｍ，采用双向八车道。主桥方案采用的是 振动锤的选型应符合以下３点要求： （１）激振力大于振沉构件的动摩阻力； （２）振动锤系统的总重量大于振沉构件的动端阻力； 双塔分幅组合梁斜拉桥，跨径布置为（７０＋１３０＋４００＋１３０＋ ７０）ｍ＝８００ｍ。索塔采用群桩基础。边塔柱承台下设９根钻孔 灌注桩，中塔柱承台下设１５根钻孔灌注桩，均按嵌岩桩设计， 桩径２．５ｍ，设计桩长３０．７ｍ～４７．８ｍ。 作者简介：吴永盛（１９７７．９一 ），男，工程师。 收稿日期：２０１３—０１一ｌ６ （３）振动锤系统工作振幅大于振沉构件要求深度所需要 最小振幅。 对振动锤的选型目前尚无相关规范要求，计算理论依据也 尚不充分，国内外对此展开了研究，并提供了相关的经验计算 公式，如日本建机调查株式会社、法国眦公司、美国ＩＣＥ公 司等，本文将以泉州湾跨海大桥的索塔墩位为例，比较几种方 法的计算结果，以复核拟选用的振动锤是否符合施工要求。 ２０１３年ｏ５期总第１７９期 吴永盛・海洋环境大直径钢护筒沉放的施工技术及工艺 ・７２・ 表２拟选ＩＣＥ１４１２型液压振动锤的主要性能参数表 ＴａＫ ２ Ｔｈｅ ＩＣＥ１４１２ ｈｙｄｒａｕｆｉｃ ｖｉｂｒａｔｏｒｙ ｈａｍｍｅｒ ｍａｉｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔａｂｌｅ （３）美国ＩＣＥ公司取值方法是以极限静摩阻力乘一定的 系数 Ｊ。根据土质的不同，系数一般为０．１—０．４。砂性土取 下限，粘性土取上限。 以上三种方法的计算其极限动摩阻力结果分别为 ２４５８ｋＮ、２６１５ｋＮ、８９４～３５７６ｋＮ，拟选振动锤的激振力为６００～ ２３００ｋＮ，基本满足Ｐｏ＞ｒｏ的条件。实际施工过程也验证了这 一点，钢护筒实际沉放振动力最大约为２２００ｋＮ。 根据土壤类别利用以下经验公式计算桩的动端阻力： ２．２振动锤系统的总重量大于振沉构件的动端阻力 端动阻力：对于粘性土：Ｒ ＝８ＮＦｅ ・ 对于砂性土：Ｒ ＝４ＮＦｅ。。・嘟 振动锤系统总重应大于振沉构件的动摩阻力： ｑ０＞Ｒ 式中：Ｒ 为桩端动阻力，ｋＮ；Ｎ为桩沉入深度土层的最大 标准贯入击数；Ｆ为桩的横截面积，ｃａ ；ｅ为自然对数的底；Ｑ 为振动质量（桩的质量＋夹桩器质量＋支承梁质量＋振动锤 振动部件质量），培；其他符号同前公式。 根据公式计算得：Ｒｏ＝３３ｋＮ，远小于系统总重（仅振动锤 重即为９０５０ｋＮ），满足ｑｏ＞圮的条件。 ２．３振动锤系统工作振幅大于振沉构件的要求深度所需要最 ２．１激振力大于被振沉构件的动摩阻力 其计算公式如下： Ｐｏ＞ ｎ 小振幅 振沉构件需要的最小振幅可按以下经验公式计算： （１） ・ ｄ一 ！ 一一Ｋ ｒ ： ∑ Ｈｉ （２） 。一振动重量一Ｑ 式中： 为振动体系的振幅，也叫工作振幅，ｍｍ；ｑ为振动 式中：Ｐｎ为振动锤激振力，ｋＮ；ｒｏ为下沉至要求深度时，各 土层的极限动摩阻力之和，ｋＮ；Ｕ为桩横断面周长，ｍ；ｉ为表示 厚度为 的土层顺序；ｎ为下沉至要求深度时土壤总层数； 为 第ｉ层土层的极限动摩阻力，ｋＰａ／ ； 为第ｉ层土层厚度，ｍ。 关于极限动摩阻力，国内外的计算有所不同： （１）国内一般按下表取值…： 表３国内极限动摩阻力的取值 Ｔａ ３ Ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｉｃｔｒｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅｓ 重量（桩的重量＋夹桩器重量＋支承梁重量＋振动锤振动部 件重量），ｋｇ。 振动锤的工作振幅应大于振沉构件到要求深度的最小振 幅，即： Ａ０＞Ａ （４） 式中：Ａ为振沉桩到要求深度所需最小振幅，ｌｎＩｌｌ。 关于Ａ，可按经验公式Ａ＝Ｎ／１２．５＋３进行估算，也可用采 用经验值。国内一般要求：在软土地基中，Ａ＞￣Ｔｍｍ，其他地基 Ａ≥１ｌｍｍ １ ；美国ＩＣＥ公司认为在沙质的土壤里只要３ｍｍ，在 粘土里要求达到６ｒａｍ，在非常理想的情况下，如在水下的沙质 土壤只要２ｍｍ就足够 ；法国ＰＴＣ公司认为与土层的标贯击 数和干燥程度有关，在有水的土中，Ⅳ为０—５、５～１０、ｌ０—１５、 １５—３Ｏ时，Ａ０分别为ｌｍｍ、１．５ｒａｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍ 。 本工程采用１台ＩＣＥ １４１２振动锤，Ａ０＝ Ｑ＝２×１１５／ （２）法国ＰＴＣ公司按下表取值 ： 表４法国ＰＴＣ公司极限摩阻力的取值 ＴａＫ４ Ｆｒａｎｃｅ－ＰＴＣ ｌｉｍｉｔ ｖａｌｕｅｓ ｏｆｔｈｅ ｓｋｉｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ （７５．９３＋１５）＝２．５３ｒａｍ。Ａ按经验公式Ａ＝Ｎ／１２．５＋３＝１８．２／ １２．５＋３＝４．４ｒａｍ，按经验最大可达７ｒａｍ。如果根据计算结果， 钢护筒难以沉到需要的深度，但考虑钢护筒是在水下振沉，经 验取值最小可为２ｒａｍ，实际上仍满足Ａ ＞Ａ的条件。 综上所述，本工程选择的打桩锤可行。施工中也验证了这 一判断，所有钢护筒均沉放正常。 ３钢护筒沉放施工工艺 ３．１打桩船的选择 根据该项目钢护筒的最大重量及最大长度，选择粤航工３ 撑打桩船，其主要性能参数如下表： ２０１３年Ｏ５期总第１７９期 吴永盛・海洋环境大直径钢护筒沉放的施工技术及工艺 表５粤航工３＃打桩船性能参数 Ｔａｂ．５ Ｔｈｅ ＹＨＧ ３＃ｐｉｌｉｎｇ ｂｏａｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 本项目钢护筒最大重量为：７５．９３ｔ最长为：４７．８ｍ故其打 桩船选择可行。 图１粤航工３＃打桩船和ＩＣＥ１４１２振动锤 Ｆｉ＆１ ＹＨＧ３＃ｐｉｌｉｎｇ ｂ０ａｔ ａｎｄ ＩＣＥ１４１２ ｖｉｂｒａｔｏｒｙ ｈａｍｍｅｒ ３．２定位沉桩 ３．２．１钢护筒定位沉桩的控制措施 本项目对钢护筒的定位偏差要求较高，平面偏位≤ ５０ｎｕｎ＿４ Ｊ，垂直度≤１／２２０，而钢护筒沉放的施工处于海洋环境 中，受波浪、涨落潮的影响，其定位难度大。为了准确定位，采 取了以下３种控制措施： （１）选择富有施工经验的测量人员。这是因为沉放过程 中，钢护筒处于动态，需要不断的调整其位置，特别是垂直度受 波浪的影响极大，需要富有相关经验的测量人员对下阶段的偏 位有一定的预判能力，其精度方可有保证。 （２）严格控制沉桩时间。海洋环境的涨落潮有一定的规 律性，施工前应熟悉其规律，以确定其沉桩时间，最好是控制在 平潮时间段进行沉桩施工。 （３）采取多种测量方式相结合的定位体系。打桩船上设 置ＧＰＳ定位系统，由于打桩船处于水上，本身就处于不稳定状 态，所以打桩船上的ＧＰＳ只宜作为初步定位，可加快定位速 度。钢护筒粗步定位后，再用岸上的２台全站仪进行精确定 位，两台全站仪尽量按９０。的夹角进行观测。 ３．３钢护简定位沉桩流程及控制要点 ３．３．１钢护筒定位流程如（图２） 运桩方驳、打 移船至方驳处 船工抛锚、定 吊护筒 精确定位、护 打桩船后穆 自沉 锤、振打 图２钢护筒定位流程图 №２ Ｓｔｅｅｌｃａｓｉｎｇｓ ｐｏｓｉｉｔｏｎｉｎｇｆｌｏｗｃｈａｒｔ ３．３．２钢护筒定位沉桩的控制要点 （１）钢护筒定位采用ＧＰＳ与全站仪相结合，ＧＰＳ使用前应 检查卫星信号，防止出现假锁现象。精确定位必需以全站仪为 准，全站仪测量人员必需富有丰富的经验以对钢护筒的沉放位 置进行预偏，修正水流、浪潮的影响。 （２）应高度重视对海床的勘察，特别是淤泥层的厚度以及 地质层的倾斜情况，本项目施工过程中，发现部分淤泥层太薄， 钢护筒沉放后无法自稳，导致钢护筒吊钩拆卸后，其发生倾斜， 故应加以重视。 而岩层倾斜度大，钢护筒底部与不同岩层接触，导致受力 不均匀，致使钢护筒垂直度难以控制，故应加以重视。 （３）振动时每次振动持续时间不宜超过１０—１５ｍｉｎ，过长 则振动锤易遭到破坏，太短则难以下沉。每根桩的下沉一气呵 成，以免护筒周围土固化而造成继续下沉困难。 （４）定位完成护筒开始自沉，自沉过程需缓慢进行，同时 两台全站仪对沉放过程护筒的垂直度进行控制，可以通过微调 桩架控制护筒的倾斜度。 ４结论 （１）从极限动摩阻力计算结果分析可以得出，目前的振动 锤选型无法通过理论予以很好的解决，各种规范计算结果都偏 保守，故其选型应结合以往的工程经验以及现场工程实际，使 得振动锤的选择即经济又满足施工需要。 （２）从钢护筒沉放施工工艺分析讨论可以得出，在恶劣海 洋环境的施工条件下，为满足现行规范对钢护筒定位偏差严格 要求（平面≤５ｃｍ、垂直度≤１／２２０Ｌ），钢护筒精确沉放有较大 难度，首先需要选择合适的打桩船、振打锤，还需要富有经验的 人员操作及指挥。本项目在施工准备中由于充分考虑了各种 不利条件，且在施工过程中进行了严格的控制，故其质量控制 较好，已施工的６６根钢护筒经测量复核，其平面、垂直度均得 到了有效的控制。 参考文献 ［１］交通部第—公路 公司．公路施工手册．北京：人民交通出版社，２００Ｚ ［２］法国ＰＴＣ公司．ＰＴＣ振动沉桩介绍与说明，２００２． ［３］汤绍和．ＩＣＥ液压振动拔桩机．北京：建筑机械，１．ｏ９．９． ［４］ＪＴＪＯ４１—２０００．公路桥涵施工技术规范［Ｓ］． ［５］ＪＴＧ １３６０—２００４．公路桥涵设计通用规范［Ｓ］． ［６］ＪＴＪ０４１—２０００．公路桥涵施工技术规范［Ｓ］．
