深水浅覆盖层海上冲孔灌注桩钢护筒与施工平台设计施工技术

摘要：以福炼成品油码头系缆墩海上灌注桩施工为例，介绍海上深水区浅覆盖层区域灌注桩的钢护筒及施工平台的设计与施工工艺，为类似工程提供经验借鉴。

关键词：深水、浅覆盖层、灌注桩、钢护筒、施工平台、设计、施工

1 工程概况

福建炼油乙烯项目成品油码头改扩建工程总平面成“L”形布置，由262.2m抛石引堤、618.3m引桥和446m码头泊位组成。码头4个泊位双侧靠船布置，内侧2个三千吨级泊位；外侧2个五千吨级泊位，结构按2万吨级设计，为高桩码头结构。除码头末端Z11#系缆墩因地质覆盖层薄无法采用打入桩结构而采用灌注桩外，其余为钢管桩。Z11#系缆墩布置2排纵向间距3.5m，横向间距4.25m，共8根φ1500mm冲孔灌注桩。桩顶标高2.8m，桩长30m，桩底标高-27.3m，最小嵌岩深度3m。根据工期需要布置2台冲孔桩机同时施工。

码头区域为半日潮，码头设计低水位-3.2m，

设计高水位+3.27m，最大潮差7.2m，涨落潮最大

潮流1ms。海底泥面标高-13.5m，设计低水位时

水深10.3m，设计高水位时水深16.7m。

墩位地质钻孔柱状图如图1，孔口标高-13.64m，

地层由上往下依次为：

①1灰色流体状淤泥，厚1.4m；

①2灰色流塑状淤泥及混砂贝壳，厚3.1m；

②残积土层（砂质粘性土），厚1.9m；

③灰黄色全风化花岗岩层，厚1.0m；

④1灰色强风化花岗岩层，厚1.3 m；

④2碎裂状强风化花岗岩。

图1：地质柱状图

2 工程特点

该系缆墩离岸远，约为1公里；水深大，设计低水位时水深10.3m，设计高水位时水深16.7m；潮差大，最大潮差有7.2m，涨落潮最大潮流1ms；覆盖层薄，残积土层厚1.9m。

3方案比选

海上灌注桩施工平台的做法通常有如下2种方案：

方案一、先用打桩船在灌注桩桩位外施打钢管支承桩，支承桩上铺设分配梁型钢或贝雷片，分配梁上铺设平台钢面板，然后在平台上安装钢护筒导向架，用振动锤施打安放钢护筒。

方案二、先用打桩船施打灌注桩钢护筒，在钢护筒上焊接牛腿，牛腿上铺设分配梁、然后铺设平台面板。钢护筒既起水上灌注桩施工护筒功能，又起施工平台的承重功能，钢护筒相当于钢管桩。

4 施工平台设计

（1）钢护筒结构设计与施打

根据钢护筒的使用功能，钢护筒承受主要荷载有：在钢护筒施打时的锤击动荷载和在灌注桩冲孔桩机冲击成孔时桩机对护筒的动荷载。为使在灌注桩冲击成孔孔底低于护筒底后不出现塌孔，保证护筒有足够的承载力保持施工平台稳定安全，需将钢护筒底打至强风化岩面。钢护筒的施打拟采用由正在现场进行钢管桩沉桩任务的水上打桩船，采用D100筒式柴油打桩锤施打。

钢护筒直径＝灌注桩桩径＋0.2m＝1.7m。护筒顶标高＝3.27（设计高水位）＋1.5＋0.5（考虑波高）＝5.27m，取整5.2m，施工平台顶标高取5.1m。护筒长度按护筒底打至强风化花岗岩岩面－21.04m考虑，护筒长度=5.2－（－21.04）＝26.24m，考虑小量的地质变化等影响，钢护筒总长度取整28m。

钢护筒的设计采用壁厚为10mm，根据相关经验和规范，钢管桩的径厚比不宜大于70，而本钢护筒的径厚比达到170，属于大直径薄壁结构，为确保钢护筒锤击沉桩时不发生屈皱破坏，拟采取以下措施：钢护筒采用材质Q345B的螺旋管，在钢管厂内整根一次成型，船运输到现场。施打时用D100筒式柴油打桩锤最低挡(1挡)重锤轻击的方式施打，以最后贯入度达到50～100 mm10击为控制标准。

钢护筒在灌注桩成孔过程中的单桩承载力验算：

钢护筒属于开口桩，根据开口桩的承载机理，开口桩的竖向承载力一般由桩外侧摩阻力，桩内侧摩阻力和环底端阻力三部分组成。本灌注桩护筒直径达到1.7m属于大型开口桩，且在灌注桩成孔后，护筒内的土层已被冲掉，因此没有桩内侧摩阻力，也不形成桩的闭塞效应。另根据大型开口桩的承载机理桩极限端阻力占总承载力的比重很小，因此只要桩外侧摩阻力Qsk能满足灌注桩施工平台施工荷载要求，则该平台是稳定的，安全的。

根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值，公式如下：

Quk＝Qsk＋Qpk＝U∑qsikli＋λpqpkAp

当hb/d＜5时，λp＝0.16hb/d

当hb/d≥5时，λp＝0.8

式中qsik、qpk――桩的极限侧阻力和桩端极限阻力标准值，依照土层性质，查《建筑桩基技术规范》得：淤泥qsik＝14kpa，硬可塑粘性土qsik＝70kpa，全风化软质岩qsik＝100kpa，强风化软质岩qpk＝4000kpa

U――桩身周长，5.34m

li――桩身穿过i土分层深度

Ap――桩端面积

λp――桩端闭塞效应系数，对闭口桩λp＝1，对开口桩取上述计算值

hb――桩端进入持力层深度

d――桩外直径，1.7m

侧Qsk＝ U∑qfili＝5.34×（14×3.1＋70×1.9＋100×1）=1476kN。该竖向承载力远远大于施工平台自重荷载与冲击灌注桩桩机施工荷载之和（约300 kN）。固钢护筒的承载力在其内冲孔孔底低于护筒底后能满足施工荷载要求。

大直径薄壁钢护筒锤击沉桩时桩身强度验算

按一端自由一端固定的支承条件，由欧拉公式计算钢护筒长柱压曲极限荷载Pcr：

式中：E――弹性模量，E=2.06×1011Pa

I――惯性矩，I=π（D4-d4）/64=0.0189m4

L――钢护筒长度，L=28m

则计算得Pcr=12300KN，极限应力σcr=230MPa。

根据以往钢管桩打桩经验及本工程已经施打的钢管桩的高应变动力检测的成果，用于施打本钢护筒的D100筒式柴油锤在开1档初打工况下作用于桩上最大打击力约为7000～9000KN，打击应力为130～168MPa。根据钢管的压曲理论，打击应力低于屈服强度应不会发生局部压曲。本钢护筒属于大直径薄壁结构，大直径桩曲率小，管壁薄等原因成了接近于平板压曲的关系，因此还需要进行平板压曲校核，按下式静态压曲应力公式计算：

14.5E（≤fy=345MPa

式中E――弹性模量，E=2.1×1011

t――钢管桩壁厚（cm）

ds――钢管桩直径（cm）

fy――Q345钢材屈服强度

因此以上计算结果可判定可以采用D100筒式柴油锤开低档位1档施打长28m，直径1.7m，壁厚1cm，材质Q345B的螺旋钢护筒，钢护筒不会发生变形。

钢护筒现场施打实际情况描述如下：8根大直径钢护筒施打顺利，钢护筒没有发生压曲现象。经观侧，每根钢护筒施打完成后桩顶在潮流影响下基本不发生水平位移，说明单根钢护筒具有较好的抗倾覆稳定性。筒底标高、最后贯入度及总锤击数见下表1。

表1：钢护筒实际施打相关主要记录表

（2）施工平台结构

8根钢护筒施打完成后，及时用连杆将其连接成整体，以提高其整体稳定。然后焊接牛腿，铺设分配梁。平台结构示意图见图2，施工过程照片见图3。为提高平台的抗台风能力，平台搭设完成后抢先完成平台2根对角桩的冲孔灌注施工。

图3：施工过程照片

图2：施工平台结构示意图

5结语

该系缆墩的8根灌注桩施工从2008年5月初施打钢护筒到7月初冲孔桩灌注完成，耗时2个月，顺利完成任务，整个冲孔过程，平台相当稳定，基本不出现晃动。实践证明利用钢护筒本身作海上灌注桩施工平台的支承桩方案是可行的，利用D100筒式柴油锤的低档位施打大直径薄壁钢护筒可以穿过较薄的全风化土层，到达强风化岩面。同时该方案施工成本相对较低，值得类似工程借鉴。

参考文献：

（1）《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）. 中华人民共和国住房和城乡建设部. 中国建筑工业出版社.2008年8月第1版

（2）《港口工程桩基规范》（JTJ254-98）. 中华人民共和国交通部.人民交通出版社.1998年8月第1版

（2）《钢管桩的设计与施工》俞振全编著.地震出版社.1993年10月第1版

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。