非通航孔桥复合桩施工(打桩平台版)

14.3非通航孔钢管复合桩施工4.3.1设计概况港珠澳大桥非通航孔分为深水区及浅水区非通航孔。承台采用埋置式，承台顶标高与海床标高一致。基桩均采用变截面钢管复合桩，钢管桩壁厚为22mm，钢管全长范围内浇筑填芯砼。低墩区钢管复合桩有钢管段直径为200cm，无钢管段直径为180cm；高墩区钢管复合桩有钢管段直径220cm，无钢管段直径200cm。浅水区非通航孔桥单个承台采用4根桩。深水区非通航孔桥单个承台采用6根桩。钢箱梁变宽段桥墩承台采用8根桩。钢管复合桩钢管的最大入床深度为50m，钢管伸入承台1.6m。钢管复合桩经过淤泥、粘土、粉砂、中砂层后，嵌入全风化混合花岗岩层。为确保钢管与砼之间能够较好的协同受力，在钢管内外侧焊接凸起的剪力板。表4.3.1-1非通航孔桥钢管复合桩统计表标段号区域桥墩号墩数里程桩号海床地面标高最大桩长CB03标深水区非通航孔桥16～50#60～87#63K13+413～K17+263K18+783～K21+863-5～-7.0m121.15m跨越崖13-1气田管线桥51~53#3K17+263~K17+523-6.2m106.85mCB04标深水区非通航孔桥88~136#142~151#60K21+973~K27+253K28+247~K29+237-5～-6.5m121.15mCB05标浅水区非通航孔桥152~203#210~220#63K29+347~K33+632K34+520~K35+890-1.95～-4.6467.594.3.2施工中的主要难点根据本项目埋置式装配承台的特点，经过分析得出，钢管打入桩施工主要存在以下几个难点：⑴、打入桩平面位置和垂直度的控制根据设计要求，钢管桩平面位置偏差不得大于5cm，垂直度必须控制在L/400，采用传统的打桩船直接插打方案，精度无法满足要求。因此，我公司经过反复研究确定，采用复合式海上打桩平台、逐桩导向沉桩方案。2⑵、打入桩相对位置的控制由于承台预留孔的尺寸仅比钢管桩外径大5cm，为了确保预制件安装的顺利进行，需要对单墩钢管打入桩的相对平面位置进行精确控制。经过研究确定，采用复合式海上打桩平台、能够将单墩所有基桩（4~8根）的相对平面位置精确控制在2cm以内，满足安装精度的要求。⑶、63m长度钢管桩的插桩、振桩钢管桩桩长初步确定为64m，加上导向平台水面以上高度11m，插桩浮吊的起吊高度必须大于74m，以及如何确保超长桩振动下沉过程中的自身稳定性。经过研究确定，采用复合式海上打桩平台，主钩最大起吊高度达120m，最大起吊重量700t，在振桩过程中，根据桩身的自由高度，选用“由小到大”的振动频率，缓慢振动下沉。⑷、采用振动锤振桩，可能无法下沉到设计标高基桩入土超过一定深度后，振动锤产生的振动衰减将非常明显，特别是当桩底进入岩层表面后，采用振动锤沉桩将变得非常困难。针对可能出现的状况，确定备用1台APE500型液压冲击锤，配备替打，当群桩出现振动下沉困难时，采用液压冲击锤逐根冲击下沉至设计标高。⑸、振桩过程中产生的振动波，可能对白海豚的生活造成干扰振桩过程中产生的振动波和噪音，将会对白海豚的超声回声定位系统产生干扰，从而影响白海豚的生存。为了解决这个问题，首先选用低噪音的进口液压振动锤，将可能产生的噪音造成最低；其次在振桩过程中，在平台周围设置“气泡屏幕”，降低噪音在水中的传播。4.3.3钢管复合桩沉桩施工方案比选钢管打入桩桩长51.6m，嵌入承台1.6m，插打时要露出水面，总长度约64m。根据预制装配式承台施工要求，打入桩平面位置偏差不大于5cm，倾斜度控制在L/400，现对打桩船直接插打、整体导向架单桩插打、群桩整体下沉方案进行比选如下：3表2.3.2-1钢管复合桩沉桩施工方案比选表比较项目打桩船直接插打方案复合式打桩平台沉桩方案群桩整体下沉方案方案说明采用打桩船精确定位，采用液压打桩锤直接插打。采用复合式打桩平台，集提桩、插桩、定位、导向、插桩功能于一体。采用海上定位平台，GPS测量定位，大型浮吊起吊振动锤联动，群桩整体下沉质量控制打桩船GPS定位，平面位置偏差不大于10cm，倾斜度控制精度能达到L/200。海上平台GPS定位，平面位置偏差不大于5cm，倾斜度精度能达到L/500。平面位置、倾斜度、群桩相对位置能够精确控制在允许的范围内。所需设备打桩船、拖轮、运桩船打桩平台、拖轮、运桩船定位平台、拖轮、运桩船、浮吊、振动锤（联动）工效工效较高，打桩船就位、抛锚、精确定位、插打钢管桩。功效高，前端为全回转打桩架，一次定位可完成单墩钢管桩的插打。工效较高，定位平台就位后，群桩整体起吊、下沉到位。安全海上作业时间短，海上作业工作量相对较小，安全风险小。海上作业时间短，固定平台，作业安全风险小。群桩在平驳上方拼装成型，一次性下沉到位，施工安全风险相对较低。经济性需要打桩船、运桩船等主要设备，基本无临时设施，投入相对较小。需要投入专用打桩平台、运桩船等设备，基本无临时设施，投入一般。需要定位平台、运桩船、大型浮吊、导向装置、液压抱箍、6锤联动、施工投入相对较大。优点工期短、投入小、安全风险较小工期短、安全风险小，施工精度高基桩定位精度可控、群桩相对平面位置精度高。缺点定位精度相对较差，倾斜度很难达到L/400。需要专用打桩平台，设备研发技术含量高投入较大，需要抱桩器、6锤联动、大吨位浮吊。钢管桩需要二次组拼。结论比较方案推荐方案比较方案通过以上对比，为了确保基桩的施工精度满足设计的要求，采用我公司联合研制的复合式海上打桩平台方案。4.3.4钢管复合桩施工流程钢管复合桩施工工艺流程图见图2.3.3－1。4施工平台牵引到施工墩位GPS定位锚固液压平台支腿顶升钢管桩起吊，垂直度测量插桩定位架定位起吊、安装液压振动锤沉桩、到位安装钻孔平台钻孔、清孔下钢筋笼砼灌注备用冲击锤补振松开抱桩器下一根钢管桩振沉图2.3.3－1钢管复合桩施工流程图4.3.5船机设备选用及辅助平台、导向装置设计采用打桩平台辅助沉桩方案，需要的主要船机设备及设施有：施工船舶：运桩船、打桩平台、抛锚艇、拖轮及交通船沉桩设备：液压振动锤、液压冲击锤、替打、钻机、钻孔平台导向装置：打桩导向架测量设备：GPS定位系统、激光垂准仪、超声波探孔仪54.3.5.1施工船舶选定㈠、运桩船选定㈡、打桩平台选定为了满足港珠澳大桥项目群桩基础的沉桩需要，我公司与专门研制改装了专用复合式海上打桩平台，该船为钢制四桩腿非自航式复合打桩船，集提桩、插桩、定位、导向、打桩功能于一体，前端采用全回转打桩架，一次定位可完成一个墩位的全部打入桩施工。图4.3.5-1复合式海上打桩平台示意图表4.3.5-1复合式海上打桩平台技术性能参数表船名船种复合式打桩船国别产地型长m89.9船籍港制造年份2012年4月型宽m39.0空载吃水m2.50主机功率4*1100KW型深m6.6满载吃水m3.30最大吊重t700主吊t×个350×2副吊t×个110×1支腿顶升力4*3000t⑴．起重部分该船艏部设有1台最大起重能力700T，最大吊高120m（距主甲板）的全回转液6压起重机，用于起吊及打桩作业。船体中部设置副起重机一台，起吊能力200t,最大起吊高度60m。吊装高度计算：钢管桩设计长度为51.6m，考虑后期承台安装需要抱桩，钢管桩顶面标高暂定为+4.0m，则实际桩长约为64m。海中定位平台顶面高程为+11.0m，吊装高度6m。所以浮吊吊装高度：H≥桩长+平台高度+振动锤高度+吊装高度=64+11+6=81m。吊装重量计算：钢管桩单根设计重量86.8t，振动锤约为34.1t，起吊重量应为：Q≥桩重+桩锤重量=86.8+34.1=120.9t。根据计算可知，该平台船艏设置的700t吊机，起吊高度达到120m，完全能够满足本项目钢管桩的起吊、插桩作业要求。该打桩平台空载吃水仅2.5m，满载吃水仅3.3m，能够较好的满足浅水区非通航孔桥施工的需要。⑵、升降机构该船共设置4根桩腿，采用插销式液压升降机构，桩腿直径3.3m，桩靴部分尺寸9.2×8.7m，桩长60m，插销之间的间距1.5m。液压机构单桩正常顶升力为2500t，最大顶升力为3000t，平均顶升速度为12m/h。⑶、推进装置该船艉部和艏部各装有2台舵桨装置，用于各墩位之间的短距离机动调遣提供推进动力。其中艉部舵桨装置型式为全回转可调桨，额定功率710KW×1450rpm，桨叶数为4片，桨叶直径1600mm。艏部舵桨为导管定距桨型式，4个叶片，叶片直径1280mm，额定功率450KW×1490rpm。74.3.5.2沉桩设备选定㈠、液压振动锤选择①．桩周动侧摩阻力计算参考提供的桥位区地质情况，对桩周土的振动状况摩阻力计算如下：表4.3.5-5桩周土体动侧摩阻力计算汇总表地层编号土层名称层底标高（m）分层厚度（m）摩阻力qik（KPa）动侧摩阻系数μ动摩阻力Ti(KN)备注①1淤泥-11.246.80100.293.9钢管桩底标高为-60.0m①2淤泥-22.7411.50110.2174.8①3淤泥质粘土-29.446.70150.2138.9③2淤泥质粉质粘土-36.747.30300.3453.9③3粉砂夹粉质粘土-42.946.20300.3385.5③31淤泥质粉质粘土夹粉砂-45.442.50300.3155.4③3粉砂夹粉质粘土-49.844.40300.3273.6③31粘土-52.542.70300.3167.9③31粉质粘土夹粉砂-55.943.40300.3211.4③5粉质粘土-59.843.90350.3282.9④5砾砂-63.940.16950.34.6④51粘土-67.8455⑥1全风化花岗岩-76.9485⑥2强风化花岗岩-96.64-120⑥3中风化花岗岩-113.94-120合计2342.8说明：表中动侧摩阻系数参考法国PTC公司和美国ICE公司的经验估计值。根据计算，振动锤的激振力P0必须大于Tv＝2342.8KN。②．桩端动阻力计算钢管桩底深入砾砂层表面，桩端动承载力按3MPa计算：Rv＝π*2.2*0.022*3000＝456.2KN钢管桩自重：Q0＝868KN；则振动锤的振动重量Q必须大于Rv-Q0＝-411.8KN。③．振沉钢管桩振幅估算根据法国PTC公司数据经验，在水下粘性土和砂土中，标准贯入度击数为40～50时，需要的振幅为3.5mm。则要求沉桩时的工作振幅A0必须大于3.5mm/2＝81.75mm。根据以上计算，确定选用美国APE公司生产的600型液压振动锤，能够满足各项参数要求：激振力：P0＝4948.3KN≥Tv＝2342.8KN自重：Q＝314.7KN≥Rv-Q0＝-411.8KN钢管桩工作振幅：0K2301.94mmQ86.831.47A偏心力矩＝＝＝振动重量≥1.75mm。图4.3.5-7APE600型液压振动锤表4.3.5-6APE600型液压振动锤技术参数项目单位数值总偏心力矩kg.m230振动频率cpm1400总最大激振力KN4948.3总最大上拔力KN2224锤自重（不包括油管）kg31470振动重量kg14061总功率KW882长×宽×高m4.28*2.21*2.69㈡、液压冲击锤选择采用液压振动锤沉桩，当遇到特殊情况如全风化花岗岩表面坚硬时，钢管桩下沉将变得非常困难，为此备用1台APE500U型液压冲击打桩锤，作为钢管桩振动下沉困难时的备用设备，其主要性能参数如下：表4.3.5-7APE500u型液压锤主要技术参数表项目单位数值最大打击能量kj500最大行程mm1219最小行程mm152打击次数bl/min28-40总重t64总长mm12078功率kw514图4.3.5-8APE500u型液压冲击锤钢管桩施沉液压锤最大打击力计算如下：max12ERcpsiwE作用在桩身的能量，单位J；S停锤时最小贯入度；C反弹总量，CPqCCCC（mm）；cC砧的反弹量（mm）；pC桩体的反弹量（mm）；qC土壤挤压反弹量（mm）；10P（桩+桩贯+砧+锤的非冲击部分总重量）（t）；W