高桩码头钢管斜桩施工关键技术分析

唐胜中，陈江峰，岳志超

（中国建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

1 引言

高桩码头的构成要素包含上部结构（以桩台或承台为主）、桩基、接岸结构、岸闸、码头设备等构成。通常情况下，高桩码头主要以上部结构构成码头面，并与桩基连接，形成一个整体，用于承受码头面在垂直以及水平方向承受的荷载应力，这些荷载经由码头面，最终传到桩基处。因此，桩基既要用于支承上部结构，又要用于将系统整体承受的载荷传到地基深处，并在这个过程中保护岸坡的整体稳定性。总体而言，高桩码头适用于地基强度较低的软土地区，为进一步保证施工质量，需对钢管斜桩施工过程进行梳理。

2 某码头工程项目概况及设计方案简析

2.1 码头工程基本情况

某高桩码头工程项目位于我国南方某城市，码头整体施工设计拟采用高桩梁板式结构。前期勘测结果显示：（1）码头岸线总长度达到400 m，宽度为35 m；（2）泊位设计方面，5 000 t的集装箱泊位共计两个，1 000 t 的杂货泊位1 个；（3）不同陆域（共计4 个）之间的相互连接拟设计3 座牵引桥，编号分别为1、2、3。

2.2 码头工程桩基设计

本码头桩基工程预计使用型号为PHCI200 的直管桩以及φ1 000 mm 的斜管桩，前者使用数量为220 根，后者使用数量为175 根。在引桥处使用的桩分别为型号PHC800 的管桩以及φ800 mm 的灌注桩，前者数量为176 根，后者数量为39根。前期勘察结果还显示，本码头工程岸边陆域土层结构均为粉砂岩，且符合中度风化标准。进行沉桩试验施工时，发现大多数桩能够自然嵌入中度风化粉砂岩的深度为0.5 m，少部分沉桩深度超过1.5 m。依靠自然嵌入岩层的深度，工程模拟建设结果显示，码头整体稳定性不足。因此，需要进行桩基嵌岩施工。该阶段施工需使用φ1 000 mm 的钢管桩进行斜桩嵌岩施工，对应的钢管桩数量为170 根。斜桩的斜度比达到4.5∶1，倾斜角度经测量后确定为20°。进一步勘测及试验结果为，总桩长度为25～30 m，嵌岩深度能够深入中度风化的粉砂岩下方至少5 m。

3 高桩码头钢管斜桩施工期间的重点技术

3.1 钢管高斜桩的具体定位方式

3.1.1 钢管高斜桩定位施工方面的难点

上文提到，本码头工程拟设计使用的斜桩数量共计170 根，斜度比为4.5∶1，扭角为20°。距离排架中心的最小距离仅为6.5 m。使用BIM 虚拟建筑信息模型软件对施工现场的实际情况构建虚拟模型，多次尝试之后发现，由于直桩、斜桩在交叉位置的最小距离并未超过40 cm（实际测量值为38.49 cm），故在进行水上沉桩作业时，对精度的要求极高。此外，由于沉桩作业外侧施工期间极易受到主航道过往船只、施工船只的影响，导致实际进行沉桩作业时的难度可能会超过模拟施工的难度。一旦出现精度控制不佳的情况，便会有一定概率造成意外碰桩，导致桩移位，轻则留下质量隐患，重则导致之后的嵌岩施工、上部结构施工均处于不稳定状态，严重影响施工质量。

3.1.2 具体的钢管高斜桩定位施工技术

为了解决上述钢管高斜桩定位施工方面的难题，应按照下列流程依次进行施工。

1）决定斜桩定位的主要因素包含中心坐标、倾斜度、水平扭角[1]。这3 个因素均为核心控制因素，必须精准测量。具体的测量设备为全站仪，需在测量现场设置两台，主要方法为前方交会控制法。该测量方法的原理如下：确定一个测量目标，将该目标所在位置设定为P点之后，确定两个能够精准测出位置坐标的点位，分别记为A、B。将两台全站仪设置在A、B两个点位处，调整两台全站仪的观测角度，使两台设备从不同的方向都能观察到P点，并在该点形成交会。由于A、B之间的距离以及A、B两点的平面坐标都已确定，故通过对A、B、P三个点位构成的三角形的∠PAB以及∠PBA进行测量，之后根据三角形的边角关系原理即可求得距离PA与PB的具体值。在这些数值的基础上，可求得P点的点位坐标，具体如图1 所示。

图1 基于双全站仪的前方交汇控制测量法原理图

从理论上来说，A、B两点的位置可以自由决定。但为了保证测量精度，要求A、B、P三个点形成的三角形ABP中，∠APB的具体值必须控制在60°～120°[2]。需要注意的是，A、B两点的水平面横纵坐标、AB距离已知，测量开始时P点坐标未知。调整A、B全站仪观察视角，在P点处完成交会后，可测量∠PAB与∠PBA大小。

2）进行打桩作业之前，首先，应在斜桩排架所在直线的延长线上放置两个花杆，编号分别为1 和2。两个花杆之间的连线与斜桩排架所在直线延长线的部分区段重合。在此基础上，需将两个花杆的连线设置成参照线，目的在于对斜桩排架在整体上进行线性控制。其次，完成打桩船的定位之后，需借助设置在打桩船上的桩架测倾仪，按照上文提到的4.5∶1 的斜度比，完成对桩架斜度的调整。再次，应使用人工量角器多次对桩的倾斜度进行测量，务必保证当前斜度达到预期标准。此外，可以使用船上配备的罗盘仪器对斜桩扭角进行定位。考虑到在整个定位期间，船体的相对位置始终保持固定状态，故针对船尾固定点的角度进行测量及调整时，同样可以使用全站仪。

3）针对码头斜桩的倾斜度、扭角等完成调整之后，需使用全站仪设备对斜桩的中心点进行精确定位。具体原理如图2所示。具体的方法与上文所述的前方交会控制法基本一致，但具体使用的参数需引入设计高程。当斜度、扭角、平面位置都达到相关要求时，方可进行试压桩作业，测量结果符合要求后，可全面开展沉桩施工作业。

图2 中，花杆1 和花杆2 构成的直线便是对照线，与斜桩排架延长线的一部分重叠，仪器1 和仪器2 为两台全站仪，α1和α2分别表示从仪器1 和仪器2 对准桩后，与桩点位（桩两侧边缘）之间的直线距离。

图2 基于打桩船、双全站仪斜桩中心点确认作业原理图

3.2 钢管高斜桩的嵌岩成孔方法

3.2.1 钢管高斜桩嵌岩成孔施工的难点

斜桩嵌岩阶段的施工难点在于：受现场条件的限制，常规的直桩撞锤无法有效使用[3]。经过系统性评估，技术人员给出的解决方案为：（1）改为回旋钻孔工艺；（2）对原有的冲击成孔工艺进行改善。如果采用第二种方法，应该考虑下列两个问题：首先，若要满足冲锤的冲击力，应该对现场进行什么程度的调整？其次，能否有效降低冲击过程中位置偏差的发生率。具体而言，由于是斜桩施工，故常规直桩施工情况下的钢筋笼、导管保持顺畅及居中的状态能否延续。除此之外，由于采用普通测锤+吊绳的方式并不能有效针对混凝土的埋管深度进行检验，故必须寻找新的替代方法。

3.2.2 钢管高斜庄嵌岩成孔施工改进技术

改良后的冲击式钻机成孔斜桩嵌岩施工技术原理为：首先，需要充分考虑圆筒锤的重量分布是否维持均匀状态。在以圆筒作为导向的前提下，锤的刚度和冲击精确程度二者之间可保持平衡。由此产生的积极影响是，针对垂直方向力度和精度的控制要求，会在一定程度上降低。按照物理学原理，在重量相同的情况下，筒锤作用于物体之上产生的冲击力相较于锥形锤偏低。但圆筒本身具有很强的配重作用，故在实际作业期间会增大冲锤的作用力。在本工程中，为了进一步提升成孔质量，最终决定使用6 t 的筒锤。选择此种型号筒锤还基于如下考量：筒锤外表面整体呈圆筒状，在纵向每间隔250 mm，便需焊接型号为φ18 mm 的螺旋纹钢。作用在于：在锤冲击作用的过程中，可以使锤在一定程度上进行旋转。在此种状态下的锤作用于斜桩时，能够有效避免斜桩表面被“刻印”梅花形状的孔，且还可以大幅度降低钢管与导向孔之间的摩擦力。

为了避免桩锤发生位置偏移及锤被卡死的现象，必须增加圆筒的长度，使导向作用更加明显。具体如图4 所示。需要注意，能够发挥导向作用的圆筒锤长度必须至少达到3 m 以上，且圆筒管径不得低于900 mm。完成导向筒的制作之后，需要在导向筒的锤头一端焊接厚度至少达到25 mm、高度至少为150 mm 的钢环，用于加强导向筒的抗冲击能力。此外，还应在下方安装厚度为35 mm，高度达250 mm 的钻牙基座，并搭配与钻牙基座数量相对应，厚度达到100 mm 的钻牙（选择耐磨性能较强的合金钢材料制作）。如此一来，斜桩嵌岩成孔施工便可顺利开展。

图4 斜桩圆筒锤圆筒长度增加示意图

4 结语

高桩码头钢管斜桩施工工程与其他工程一样，决定施工技术是否合适的重要观察指标在于：能否在工期要求内顺利完工，工程实际花费是否控制在预算范围内。在本工程中，考虑到斜桩沉桩定位、成孔等方面存在的难点，如果选择常规方法进行施工，则斜桩沉桩定位效果无法达到预期，成孔作业方面将会出现孔与预设标准不符的情况，导致工程总体质量无法达到预期。在充分考虑各项施工难点，对相应阶段施工工艺进行改进之后，使所有施工阶段既符合现场实际情况，又可以满足设计要求，可有效控制成本，并未影响工期。