浅析港口工程预制桩沉桩工艺及溜桩的质量控制

时间：2024-07-28

■阮寅锴

(福建省港口工程有限公司，福州 350001)

0 引言

在高桩码头工程施工中，沉桩是重要工序之一，它对工程的质量和进度有着很大的影响。根据克服土壤阻力的机理不同，主要的沉桩方法有锤击法、震动法、射水法、压入法及嵌岩沉桩法等。在软土地基中，常用工艺为锤击法。锤击法沉桩是利用锤的断续冲击，桩周围土体不断受挤压、剪切破坏、使桩逐步下沉的沉桩方法，它是预制桩最常用的沉桩方法之一。该法适应范围广，机械化施工速度快，桩身强度高，桩基质量有保证，无排污问题，现场文明程度高；但也存在一些施工病害，如施工时振动噪音大，大面积施工存在严重“挤土效应”，将会产生较大的超孔隙水压力，使土体降起并向侧向挤压，后打桩将挤压已打的工程桩使之产生偏移、上浮等副作用。锤击法一般适用于松散、中密砂土、黏性土以及松散的碎卵石类土。

1 工程概况

“闽江马尾对台综合客运码头1#～3# 泊位工程(水工及陆域形成部分)”项目建设地点位于福州市马尾区琅岐岛西北部三平南兜村附近，即福州闽江口内港区琅岐岸段的1#～3# 泊位。本工程主要包括拟建1#～3# 码头和栈桥、后方护岸陆域形成及回旋水域。

1# 泊位为5000 吨级客货泊位(水工结构按靠泊2 万GT 客货滚装船设计)，采用高桩离岸式布置；2#、3# 泊位为2 个500GT 客运泊位，采用浮码头结构形式。码头平台总长度158m，分3 个结构段，第一与第三个结构段长50.5m，第二个结构段长57m。码头均采用桩基结构，基桩采用248 根Φ600mm×600mm 预应力方桩(其中备桩12根)，桩基持力层落在中砂层上，预应力方桩桩尖需进入灰白-灰色中细砂层，桩长为50～57m。

连接码头和驳岸的栈桥采用桩基结构，其中1# 和2# 栈桥共计采用Φ600mm×600mm 预应力方桩32 根(含备桩2 根)，斜度均为5∶1。桩基持力层为灰白-灰色中细砂层，预应力方桩桩尖需进入灰白-灰色中细砂层，桩长为50～57m。

2#、3# 泊位工程中含有4 个撑杆墩与1 条应急通道需要沉桩，其中每个撑杆墩由4 根Φ600mm×600mm 预应力方桩组成，应急通道由8 根Φ600mm×600mm 预应力方桩组成。桩基持力层均为中砂层，桩长为47～50m。

2 沉桩前准备及沉桩顺序

2.1 主要施工机具

锤击沉桩需要配备的主要施工船机有：打桩船1 艘、500hp 抛锚艇1 艘、方桩运桩船2 艘。施工船机在工程开工前10 天进场。

根据设计桩型及对该地区类似地质资料的分析，同时根据施工总体部署和海上施工的有效作业时段，本工程预应力方桩选用“闽桩3”打桩船实施海上打桩。该船桩架高度能满足桩长和水深要求，锚泊、收放等动力系统能适应本工程的施工环境。

本工程桩基为600mm×600mm 的预应力方桩，桩长较长，桩基持力层落在中砂层上，预应力方桩桩尖需进入灰白-灰色中细砂层，承载力高。根据施工区地质特点、桩长、桩型参数及设计要求，桩锤选择D128 型柴油锤。

2.2 测量工作

布设工程施工控制网，布设以满足精度要求、方便后续施工测量放样为原则。尽量选择基础稳定、通视条件良好的位置布设控制点。控制网中边长比、角度符合《水运工程测量规范》要求，控制点布设好后要注意保护，定期复测。

（1）平面控制：预应力桩沉桩采用GPS 定位与岸上全站仪共同定位。沉桩期间，先采用GPS 定位，待到达桩位后，岸上设两台全站仪按前方任意角交会法校核桩位。施工放样时以设计图纸为依据，计算测点在施工坐标系中的坐标，采用前方交会法定位，测量放样按照先整体后局部、先控制后细部的原则进行。

（2）高程控制：以引接的水准点高程为依据，使用水准仪测放高程，局部区域根据工程需要增设临时高程点。

2.3 沉桩顺序

先由2# 栈桥开始施工，2# 栈桥全部沉桩完毕再进行1# 栈桥的施工，待1# 栈桥全部施工完毕后进行1# 泊位码头面的施工，1# 泊位码头面由28 排架开始呈阶梯状往1 排架进行施工，全部施工完毕后最后进行2#、3#泊位应急通道与撑杆墩的施工。为加快施工进度，沉桩以尽快形成排架，尽早进行上部横梁混凝土为原则。

3 沉桩施工工艺

3.1 工艺流程

沉桩施工的工艺流程如图1 所示。

图1 沉桩工艺流程

3.2 打桩船驻位

打桩船顺流抛八字锚和前后穿心锚共8 根锚缆，悬挂锚重4.956～5.982t 的海军锚8 根，缆长约300m，缆径36mm，由起锚艇辅助下锚布缆，沉桩过程中应根据潮位变化适当调整锚缆的长短。

根据“闽桩3”打桩锚缆抛设需要，在后方护岸上布设4 个地锚，分别离1#、2# 栈桥距离10m 和60m 位置处各设置2 个地锚，地锚长、宽均为2.4m，埋深5m。

3.3 移船吊桩

锚缆布设完毕，缓缓移船靠近运桩驳取桩。吊桩采用钢丝绳捆绑四点吊，吊点布置如图2 所示。

图2 预应力方桩吊点布置示意图

3.4 立桩

预应力方桩起吊时，平稳起吊到一定高度，上部和中部吊点的大钩带劲回收，下部吊点的大钩缓缓放松，进行立桩，锤、替打同步上升。

3.5 桩入龙口、套替打

立桩完毕，适当调整桩架的垂直度和替打的高度，使上口嵌入替打，依据设计采用软质桩垫，此时将连接下部吊点的大钩缓缓放松并解除，然后关闭抱桩器，如图3 所示。

图3 桩入龙口

3.6 沉桩定位

打桩船上布设3 台GPS 流动站采用RTK-GPS 模式，配合两台倾角传感器实时监控船体的位置、方向和姿态，同时利用两台免棱镜激光测距仪实时校正基桩的平面位置，与设计标高处坐标比较，从而得到船体的移动方向和移动量。据此指挥打桩船调整锚缆移动船位，直至桩位达到允许要求，方可进行沉桩。

桩顶标高及贯入度由岸上水准仪控制，并由桩架上的高程监测系统实时校核。通过测量下沉量，配合“锤击计数器”记录打桩锤击数，计算打桩贯入度。

3.7 桩和替打自沉

桩定位完毕，放松连接锤和替打的钢丝绳，让桩和替打在自重作用下下沉。下沉完毕，观察桩位偏差，根据桩位偏差适当调整桩位。

3.8 压锤

桩自沉完毕后，进行压锤，并观察桩的偏位，若发现桩位偏差过大，则应起锤并根据偏位情况适当调整打桩船锚缆，然后重新压锤。

3.9 锤击施工

打桩船调整好自身的水平、位置和桩架垂直度后压锤和替打，GPS 再次观测桩的偏位和垂直度，确定各项控制数据完全达到设计要求时，可以开始锤击，见图4。

图4 水上锤击沉桩

停锤控制标准按试桩后确定的参数进行控制。预制桩沉桩以贯入度为主，标高校核为辅，终锤前10 击平均贯入度控制在3mm/击，当沉桩贯入度已达到控制贯入度，而桩端未达到设计标高时，应继续锤击贯入100mm 或锤击30～50 击，其平均贯入度不应大于控制贯入度；桩端标高仍高出设计标高2m 时应会同设计部门研究解决。

4 溜桩

水上沉桩施工中出现溜桩是比较常见的现象，一般表现为沉桩中贯入度突然增大，桩基加速下沉，容易产生质量问题和安全事故。溜桩的原因主要有：(1)由不良地质条件引起，比如淤泥质土层厚度大或者黏土中的含水量高，土质呈软塑或流塑状态；(2)桩锤选择不当，比如桩锤选择过大等；(3)桩锤档位或作用力控制不当；(4)其它非技术上的原因。

本项目施工水域分布大量软弱地基，施工过程中就出现了高频率、大幅度溜桩现象(溜桩长度22～38m)，该现象在全国范围内均属罕见，造成水上沉桩存在较大安全隐患，卷扬机及桩锤钢丝绳等起重设备存在较大的损坏风险。

为确保沉桩施工过程中设备及人身财产安全，我们组织相关人员进行了课题研究攻关，最终提出了对桩锤吊具进行技术改造的方法，即在原有D128 柴油锤上增设专用桩锤吊笼，确保在沉桩施工过程中起重钢丝绳直接作用于吊笼上，与柴油锤脱离，以保证在溜桩时设备及人员安全，顺利地完成该项目沉桩施工。桩锤技术改造前后如图5 所示。

图5 桩锤技术改造过程

在使用吊笼之前，长距离的溜桩会导致吊锤用钢丝绳跟随桩锤一起做自由落体运动，同时由于卷扬机无法刹住钢丝绳，钢丝绳受牵引力的作用一直受到拉力，导致钢丝绳在甲板上四处扫荡，造成极大的安全隐患，同时架头的导览器与滑轮遭到快速滑动易损坏。并且在溜桩完成后，由于桩锤还处于启动的状态会继续锤击，桩锤快速下落的力加上锤击的力一起作用在方桩上，极易导致断桩事故的发生。

在使用吊笼之后，直接使用吊笼对桩锤进行吊起，取消了吊锤用钢丝绳。在溜桩现象发生时，桩锤与桩同时下落，而吊笼与桩锤分离停留在原位，并且提前关闭了油门，使得桩锤不会再下落后继续锤击，保护了桩锤与桩，同时钢丝绳与吊笼在溜桩完成后，操作手再操作其下降，这样不仅不会造成安全隐患，同时还保护了架头的导览器、滑轮与桩锤，延长了其使用寿命。

自桩锤吊笼改造完成至今，已顺利施打近三百根预应力方桩，未出现安全生产问题，并且沉桩数量由技术改造前的4 根/天提高至6 根/天，提高了生产效率，为打桩船水上沉桩顺利进行提供安全技术保障，达到良好的技改效果。