非通航孔桥复合桩施工打桩平台版.docx
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非通航孔桥复合桩施工打桩平台版
4.3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#
63
K13+413～K17+263
K18+783～K21+863
-5～-7.0m
121.15m
跨越崖13-1气田管线桥
51~53#
3
K17+263~K17+523
-6.2m
106.85m
CB04标
深水区非通航孔桥
88~136#
142~151#
60
K21+973~K27+253
K28+247~K29+237
-5～-6.5m
121.15m
CB05标
浅水区非通航孔桥
152~203#
210~220#
63
K29+347~K33+632
K34+520~K35+890
-1.95～-4.64
67.59
4.3.2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。
⑵、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：
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。
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
4.3.5.1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m
89.9
船籍港
制造年份
2012年4月
型宽m
39.0
空载吃水m
2.50
主机功率
4*1100KW
型深m
6.6
满载吃水m
3.30
最大吊重t
700
主吊t×个
350×2
副吊t×个
110×1
支腿顶升力
4*3000t
⑴．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。
4.3.5.2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
-11.24
6.80
10
0.2
93.9
钢管桩底标高为-60.0m
①2
淤泥
-22.74
11.50
11
0.2
174.8
①3
淤泥质粘土
-29.44
6.70
15
0.2
138.9
③2
淤泥质粉质粘土
-36.74
7.30
30
0.3
453.9
③3
粉砂夹粉质粘土
-42.94
6.20
30
0.3
385.5
③31
淤泥质粉质粘土夹粉砂
-45.44
2.50
30
0.3
155.4
③3
粉砂夹粉质粘土
-49.84
4.40
30
0.3
273.6
③31
粘土
-52.54
2.70
30
0.3
167.9
③31
粉质粘土夹粉砂
-55.94
3.40
30
0.3
211.4
③5
粉质粘土
-59.84
3.90
35
0.3
282.9
④5
砾砂
-63.94
0.16
95
0.3
4.6
④51
粘土
-67.84
55
⑥1
全风化花岗岩
-76.94
85
⑥2
强风化花岗岩
-96.64
-
120
⑥3
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＝1.75mm。
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：
≥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.m
230
振动频率
cpm
1400
总最大激振力
KN
4948.3
总最大上拔力
KN
2224
锤自重（不包括油管）
kg
31470
振动重量
kg
14061
总功率
KW
882
长×宽×高
m
4.28*2.21*2.6
㈡、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
kj
500
最大行程
mm
1219
最小行程
mm
152
打击次数
bl/min
28-40
总重
t
64
总长
mm
12078
功率
kw
514
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：
作用在桩身的能量，单位J；
停锤时最小贯入度；
反弹总量，
（mm）；
砧的反弹量（mm）；
桩体的反弹量（mm）；
土壤挤压反弹量（mm）；
（桩+桩贯+砧+锤的非冲击部分总重量）（t）；
锤击体总量（t）；
根据APE500液压锤的参数：
；
；
取5mm；
取值2mm；
取值12mm；
取值3mm，计算得到
。
则：
沉桩所需能量
（桩身上）
一般而言，液压锤用于打桩的有效能量利用率或称为效率在0.6~0.85间，取值0.6，因而锤的最大锤击能量：
所以，本工程选用APE500U型液压锤满足施工需要。
㈢、替打选择
替打为锤击沉桩能量传递设备，兼有保护桩头的作用。
替打也是沉桩中使能量损失最大的设备之一。
因此，合理的替打结构能大大的提高锤击能量利用率。
为保证施工连续性，应配备备用替打一个。
“海桩8号”打桩船上配置的替打（套筒芯式替打）实物如图4.3.5-9所示：
图4.3.5-9套筒芯式替打实物图
套筒式替大的优点在于重量轻，经过热处理的芯体可以大大减少能量的吸收、不需设缓冲垫，无因缓冲而造成的能量损失，并且能承受较大的冲击力而不致损坏，适宜用于需要极大能量的沉桩施工，与大能量的打桩锤的匹配性较好。
㈣、钻机选定
港珠澳大桥复合桩最大桩长达90m，嵌入中风化花岗岩层2.5D深度，要快速、安全的完成基桩钻孔作业，合适的钻机选定将非常关键。
⑴．钻头选取
根据桥位区地质情况，为了保证成孔效果，选用不同形式钻头，在土层、砂层、全风化岩层，选用常用的双腰带刮刀钻，既能够保证成孔速度，又能够较好的保证成孔垂直度。
4.3.5-10双腰带钻头
对于强风化、中风化花岗岩层，其抗压强度可以达到100MPa以上，需要采用球齿滚刀钻进行施工，需要对锤压、钻速等指标进行计算。
✧锤重计算：
按照D2.0m直径钻头，配9把12寸滚刀，每把滚刀与岩面接触的镶齿按2排计算，每排按5齿计算，镶齿规格为φ18mm（顶端约为φ6mm）。
假定岩层强度为120MPa，则最小锤压计算为：
P≥0.6σ压s=0.6×120×106×9×2×5×π×0.0062÷4=18.3t；
由此可得出，球齿滚刀钻头的锤重应该大于18.3t，为了保持较好的钻进速度，可以适当加大。
✧钻机扭矩计算
为了保证施工效率，钻进速度应保持在0.15m/h以上，根据经验公式计算：
式中：
v—钻机速度，取0.2m/h；
M—钻机扭矩，N.cm；
D—钻孔直径，2.2m；
az—牙轮钻破岩比功，花岗岩地层取值：
323N.m/cm3;
Fz—钻压，取值300000N；
n—钻速，一般为7~12r/min，取值8r/min
通过计算可以得出：
M=253.1KN.m；考虑地层影响，要加快钻进速度，钻机扭矩可以适当加大。
根据我公司在青岛海湾大桥、杭州湾跨海大桥等海上大直径超长钻孔灌注桩施工过程中取得的经验，并结合本工程主墩桩基础实际的地质条件，选用性能先进的嘉力臣RC-300全气举反循环钻机，其最大扭矩达到300KN.m，桩锤最大重量可达36t（含配重25t），能够满足本项目钻孔桩施工需要。
嘉力臣RC-300型钻机技术性能表表4.3.5-1
型号
RC-300
钻机
最大钻孔直径（m）
3.0
最大扭矩（ton-m）
30
最大钻进速度（rpm）
28
连续钻进速度（rpm）
0-20
最大进给力（ton）
120
最大提升力（ton）
190
连接形式（nw）
300/330
主机架倾斜角（deg.）
33
平台倾斜角（deg.）
20
钻机重量（Ton）
35
总功率（kw）
298
钻具
钻杆内径（mm）
300/330
钻杆连接件直径（mm）
530/600
钻杆长度（m）
3
连接件直径（mm）
1200
钻头
外径（mm）
2000~2850
重量（ton）
11
最大配重（ton）
25
钻头形式
滚刀钻头、刮刀钻头
嘉力臣RC钻机实物图见图3.2-2所示：
图4.3.5-11嘉力臣RC-300钻机
4.3.5-12嘉力臣钻机工作系统示意图
该类型钻机有自带的柴油发电机组，不需要电力供应，非常适合港珠澳大桥项目这种大规模施工施工。
②、空压机
每台钻机配备1台SPE920型电动移动螺杆式空压机，作为钻孔排渣设备，本合同段合计投入共16台（备用1台）。
SPE920型空压机技术性能表表4.3.5-2
排气压力
（Mpa）
排气量
（m3/min）
功率
（KW）
机组外形尺寸
（长m×宽m×高m）
整机重量
（t）
1.2
20
160
3.6×1.9×1.95
3.8
③、泥浆分离器
为了钻孔施工高质、高效、经济、文明地进行，通过同类产品比选，结合实际施工需要，选用宜昌黑旋风工程机械有限公司生产的ZX－300型泥浆净化器，共16台（备用1台）。
ZX－300型泥浆净化器技术性能表表4.3.5-3
最大泥浆处理量（m3/h）
300
筛分出的渣料含水率
≤30％
净化除砂效率（－0.074㎜级）
≥90％
整机尺寸（m）
3.54×2.25×2.8
装机总功率（kw）
65
整机重量（t）
5
渣料筛分能力（t/h）
25～80，可根据钻孔进尺的不同而调整。
达到最大净化除砂效率时泥浆
最大相对密度（g/㎝3）
1.2
马氏（苏氏）漏斗粘度（s）
＜40（30）
含砂量
＜20％
图4.3.5-13ZX－300型泥浆净化器
4.3.5.3导向装置
采用复合式海上打桩平台，其自带全回转液压导向架，导向架上、下层液压抱箍间距20m，液压抱箍与钢管桩之间间隙考虑15mm，则导向精确度为：
2×15/20000=1/667，满足设计的L/400的导向精度要求。
图4.3.5-14导向架示意图
4.3.5.4测量系统选定
㈠、GPS测量定位系统
导向架安装及打入桩测量精度要求为20mm，在海上施工，需要选择合适的卫星定位测量系统，才能保证达到精度要求。
我公司司选用TrimbleR6GPS/GNSS接收机，该套系统采用TrimbleR-Track技术，GPS/GLONASS兼容使用可以提供更好的精度几何因子，消除GPS的SA影响，从而提高定位精度。
表4.3.5-8TrimbleR6GPS/GNSS接收机性能参数表
测量方法
方位
精度值
电码差分GNSS定位
平面
25cm+1pmmRMS
高程
50cm+1pmmRMS
静态和快速静态GNSS测量
平面
3.0mm+0.1pmmRMS
高程
3.5mm+0.4pmmRMS
动态测量
平面
10mm+1pmmRMS
高程
20mm+1pmmRMS
初始化时间
＜25s
初始化可靠度
＞99.9%
㈡、倾斜度监测仪器选用
导向架及钢管桩的垂直度测量采用CHJ401激光垂准仪，自动激光垂准仪采用陀螺架悬挂激光准直器，令重力线与激光束重合，实现激光束的高精度铅直。
具有自动校核、恢复精度的功能，并可随时自检精度误差。
其精度可达1/20万，最大测量距离达到500米。
图2.3.5－12自动激光垂准仪
钢管桩倾斜度控制指标为L/400，在施工过程中，垂直度的实时监控非常关键。
我公司拟选用Leica公司生产的Nivel220倾斜度测量数据采集系统，用于钢管桩的垂直度监测。
图4.3.5-14LeicaNivel220倾斜度监测系统介绍
4.3.6施工工艺
4.3.6.1复合式海上打桩平台就位
㈠、平台拖运就位、抛锚
打桩平台为自带动力的海上作业船，远航需要采用拖轮进行拖带。
采用拖轮将打桩平台拖运到墩位附近，然后抛“八字锚”进行初步定位，再启用自带的GPS定位系统进行测量，通过松紧锚缆来实现精确定位。
首个墩位施工完毕后，相邻墩位之间的移位，可以直接通过打桩平台自带的舵桨动力实现。
图4.3.6-1打桩平台抛锚定位示意图
㈡、平台顶升
平台精确定位后，启动液压系统，将4根桩腿插入到土层中，使平台升高到水面以上。
为了保证平台各个支腿的受力均匀，设置了智能液压中央控制系统，通过各个支腿上方的传感器监控各个支腿的受力状况，然后通过智能控制系统，进行调整，确保各个支腿下沉同步、均匀。
由于平台顶升到了水面以上，这样就避免了波浪冲击造成的船体晃动，从而能够保障钢管桩在插打过程中的精确度。
平台顶升的主要步骤为：
⑴、锚机对船体精确定位；
⑵、四套桩腿快速下桩（不需考虑同步），直到桩腿杆进入土层、低压无法下桩为止；
⑶、高压慢速顶升船体（高压插桩），船体抬起（不需考虑同步）目测感观船体水平，直到船体顶离水面。
⑷、对角预压桩
当船体升出水面时（距离水面高度根据作业时浪高条件确定）需进行预压，即对角两套桩腿与固桩室插销固定支撑，另两套转入船体下降工况，使得该两套桩腿的负载转移到预压桩腿上，并观测油缸的压降，直至预压桩上的负载达到了预压力要求。
对角一组预压完成后，转入另一组预压。
⑸、同步顶升
集中操纵4套升降机构，船体基本保持水平，水平误差控制在10cm以内，直至工作高度，并将船体调平。
图4.3.6-2打桩平台顶升示意图
4.3.6.2导向架的制作与安装
㈠、导向架的制作
导向架由钢结构加工厂家进行制作，制作时要设置胎架、注意控制焊接产生的变形。
导向架上方的智能液压控制系统由同济同鑫科技有限公司负责制作，在架体上进行安装。
架体采用驳船运输至施工现场，运输过程中要注意防止发生变形。
㈡、导向架的安装
导向架的安装采用浮吊进行，其主要施工步骤如下：
①．安装平台上方的导向架底座，并保证2个底座；
②．起吊导向架架体，缓慢下放进入平台预留桩孔位置，将导向架与底座之间螺栓连接；
③．启动液压系统调节底座位置，在平台上方放样出桩孔中心位置，拉十字线，使导向架对角十字线与桩孔中心十字线中心点重合，斜支撑临时固结导向架顶口。
④．调整导向架垂直度，垂直度满足L/1000的要求后，将导向架底座及顶口斜支撑固定。
⑤．调整油缸位置，完成导向架的安装，准备进行
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