一种用于既有船舶船坞的密实地层环境下的桩基施工方法与流程

本发明属于对既有船舶船坞的改造技术领域，具体涉及一种用于既有船舶船坞的密实地层环境下的桩基施工方法。

背景技术：

特种船舶研制保障条件建设项目4#船坞改造工程位于中船长兴造船基地一期工程内。施工内容包括现有船坞后方接长200m以及原有船坞的底板改造。原有4#船坞为上海典型软土地基上的大型船坞，建成于2008年。船坞尺寸为365m(长)x82m(宽)x14m(深)，坞墙为单锚板桩(caz组合钢板桩)高桩承台现浇混凝土廊道结构。底板为群桩上的现浇混凝土厚大底板结构，沿船坞横向分为5块，其中中板尺寸为40mx18mx1.2m，下为φ600phc(ab)型，桩长35m和25m，最小桩间距为2.5m×2.0m。

因原有船坞底板不能满足超大型船舶建造承载力的要求，设计对原坞室底板中板区约14m宽×190m(含原坞尾处改造中间坞门门槽部分)长范围进行改造，增加部分桩基，为尽可能减小沉桩阻力，在加固区域内新增φ800×14mm钢管桩329根，钢管桩长40m(单桩极限承载力750t)，增加桩基后桩间距为1.2mx1m。

本工程改造底板需在原有中板底板下增加40米长，直径800mm壁厚14mm的钢管桩，原坞底板当初沉入了大量的phc管桩，并且船坞使用了将近10年，底板下地基经过土体固结，已经相当密实，再增加管桩困难非常大。具体表现为以下几方面：

1)原有船坞底板本身即为群桩基础的大底板结构，中板区域phc管桩间距为为3.4m左右，最小处2.5mx2m，现再梅花形插入直径800mm的钢管桩，桩的距离减小为1.2～1.7m左右，挤土效应将会导致沉桩困难。

2)桩顶标高为-10.3m，按照勘察资料(船坞后侧平台位置孔，非老船坞底板位置)，整个桩穿越地层无软弱层，经过前期沉桩挤土及10年的使用后，必然发生土体固结，摩擦力增大情况。本次钢管桩长度为40m，远比原phc管桩35m和25m长，施打困难。

3)为避免噪声、振动等影响周边生产作业，本工程桩基要求采用静压施工，但静压沉桩受本身方法影响，在摩擦力大的情况下，施工速度慢。

4)静压管桩施工产生的挤土效应，一般表现为浅层土体的隆起和深层土体的横向挤出，可能引起周边底板、坞墙板桩等结构变形位移，使已经施打的桩产生上浮，或者挤压损坏，对此必须予以高度重视。

5)加固改造工期紧张，因船坞需分段交付业主使用，桩基工程必须在3个月内完成。

技术实现要素：

本发明的目的是，提供一种用于既有船舶船坞的密实地层环境下的桩基施工方法，以克服现有技术中，对既有船舶船坞的施工中存在的沉桩困难、施打困难、施工速度慢、挤土效应影响以及施工工期紧张的缺陷。

为了实现上述技术效果，本发明通过以下技术手段实现：

一种用于既有船舶船坞的密实地层环境下的桩基施工方法，包括以下步骤：通过凿出方式露出桩位，将静压桩机移动至桩位处；加工成整根的桩管通过吊装的方式调至桩位处的静压桩机上方，经静压桩机的夹桩钳口喂桩后，采用反复压桩的方式，将桩管压入地基后，采用送装器配合将压入地基的桩管送桩至要求标高处，实现地基的施工。

本技术方案中，通过静压桩机施工的方案，选用预先加工成的整根的桩管进行施工，以便于提高承载力，满足设计要求。

本技术方案中，整根进行施工，进而相比于整节施工，具有以下优势：

1)、沉桩时间短；整根施工过程中，其与分节施工相比，节省了电焊接桩及焊缝检测时间，效率成倍提升；

2)、减少了土体固结效应；分节沉桩时，破坏的土体会在停顿时间逐渐恢复，增加了沉桩难度，整根施工，中间不需停顿，易于沉桩；

3)、沉桩质量好；分节沉桩时，现场焊接，焊接质量及接桩垂直度不易保证，整根施工时，桩的拼接在工厂制作(螺旋焊接为整体，到现场不拼装)，质量好；

本技术方案中，当挤土作用较大时，进一步地，可以选用取土或射水辅助法实现静压沉桩。具体地，用吊车吊小型抓斗，沿钢管桩内下放至土塞处，取土。

作为本发明的进一步改进，所述通过槽出方式露出桩位，具体为：通过桩机在船坞混凝土底板上，经排钻切割混凝土凿出桩位并通过土孔的方式显示出桩位。

本发明中，采用精力切割方式的排钻钻孔凿出桩位，避免了通常镐头机拆除产生的振动及冲击力破坏桩基及周边混凝土底板。并且切割面平整，便于后期新、老混凝土接缝的处理。排钻切割可以避免拆除产生的扬尘，拆出的混凝土块，可以进行资源回收利用。排钻拆除后，剩余底板结构平整、承载力好，便于后续静压桩机施工。

具体地，凿出桩位施工如下：首先按照施工图纸，确定本次需增加桩基位置，再根据原桩基竣工图纸，避开原有桩基位置，确定需凿出桩位的大小及位置。测量放样后，在需凿出方孔位置的四边用钻孔机钻孔，取出混凝土芯(如条件具备，也可用排钻在桩位四角点钻孔后，以sk-sd金刚链锯切割机切割桩位混凝土底板)。待方孔位置混凝土与周边底板彻底脱开后，将吊环锚入混凝土块，汽车吊起吊混凝土块，露出桩位。

作为本发明的进一步改进，所述通过凿出方式露出桩位中，所述桩机(1000t--地基承载力--混凝土上面)通过下部的短靴传至地面压力，所述桩机通过下部的短靴传至地面压力为160-180kpa。

在施工过程中，由于桩机放置于现场的地面上，一般静压桩机最大柱压力为1000吨，其主要位于混凝土上面，对应混凝土板承载上述压力；

本技术方案中，如果至地面压力小于160kpa，则静压桩机行走、作业会产生对地面的较大压力，可能会压坏地面机；如果大于180kpa，则需要较大强度混凝土形成混凝土板，整个施工的成本较大。

作为本发明的进一步改进，所述整根管桩通过螺旋焊接工艺焊接而成。

本技术方案中，采用螺旋焊接工艺，其指用钢带或钢板弯曲变形为圆形、方形等形状后再焊接成的、表面有接缝的钢管。螺旋焊可通过改变旋转角度来实现管径变化，在大管焊接上有极大的优势。

作为本发明的进一步改进，所述加工成整根的桩管包括若干节，相邻节桩管之间通过环缝预先连接，所述环缝采用v型坡口双面焊。

作为本发明的进一步改进，所述整加工成整根的桩管上至少设有两个吊点。

本技术方案中，设置多个吊点，能够方便后期吊装，以提高施工效率。

作为本发明的进一步改进，所述吊装的方式具体为：加工成整根的桩管通过70t以上的履带吊通过竖直的方式调至桩位处的静压桩机上方。

本技术方案中，采用直接将横放的桩管吊起使其垂直的方案。如果还有更长的桩，考虑道桩起吊过程变形损坏，可以采用多点吊的方式。

吊桩起吊高度越高越好，因为桩在移入桩机过程中，怕碰撞到桩机。但吊装高度高的话，吊车起吊能力要加大，也不安全，碰高空建筑物。所以一般高于静压桩机1～1.5m为宜。

作为本发明的进一步改进，所述静压桩机的夹桩钳口喂桩具体为：加工成整根的桩管经静压桩机的桩口进入静压桩机的夹桩钳口以实现喂桩。

作为本发明的进一步改进，所述压桩过程具体为：通过静压桩机的压桩油缸，使喂桩后的桩管下压至土中，所述下压至土中的深度小于等于2m。相较于桩体进入土中深度不深，则方便拔出；本技术方案中，如果下压至土中的深度大于2m，首先不方便拔出；另外即使能拔出，对于施工现场需要更大的设备和人力投入，及其不方便。

作为本发明的进一步改进，所述送桩中，加工成整根的桩管采用送桩器配合送桩。

附图说明

图1为本发明提供的方案二中两根试验的深度与压力值的变化曲线图

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的发明内容进行阐述。

特种船舶研制保障条件建设项目4#船坞改造工程位于中船长兴造船基地一期工程内。施工内容包括现有船坞后方接长200m以及原有船坞的底板改造。原有4#船坞为上海典型软土地基上的大型船坞，建成于2008年。船坞尺寸为365m(长)x82m(宽)x14m(深)，坞墙为单锚板桩(caz组合钢板桩)高桩承台现浇混凝土廊道结构。底板为群桩上的现浇混凝土厚大底板结构，沿船坞横向分为5块，其中中板尺寸为40mx18mx1.2m，下为φ600phc(ab)型，桩长35m和25m，最小桩间距为2.5m×2.0m。

因原有船坞底板不能满足超大型船舶建造承载力的要求，设计对原坞室底板中板区约14m宽×190m(含原坞尾处改造中间坞门门槽部分)长范围进行改造，增加部分桩基，为尽可能减小沉桩阻力，在加固区域内新增φ800×14mm钢管桩329根，钢管桩长40m(单桩极限承载力750t)，增加桩基后桩间距为1.2mx1m。又因周边临的近船坞及设施均正在生产中，施工不得影响周边生产，要求采用静压施工。

具体施工中，老底板加固区钢管桩施工量一览表如表1所示：

老底板加固区钢管桩工程量一览表

表1

施工中，地质情况，如表2所示：

土层地基承载力一览表

表2

注：1、表中承载力设计值fd仅作为评价土层工程特性之用，设计时应根据实际基础形状、尺寸和埋深进行修正。

表中承载力设计值fd计算时未考虑软弱下卧层影响。

改造船坞工程不同于新建船坞工程，施工必须考虑对周边结构的影响。

本工程改造底板需在原有中板底板下增加40米长，直径800mm壁厚14mm的钢管桩，原坞底板当初沉入了大量的phc管桩，并且船坞使用了将近10年，底板下地基经过土体固结，已经相当密实，再增加管桩困难非常大。具体表现为以下几方面：

1)原有船坞底板本身即为群桩基础的大底板结构，中板区域phc管桩间距为为3.4m左右，最小处2.5mx2m，现再梅花形插入直径800mm的钢管桩，桩的距离减小为1.2～1.7m左右，挤土效应将会导致沉桩困难。

2)桩顶标高为-10.3m，按照勘察资料(船坞后侧平台位置孔，非老船坞底板位置)，整个桩穿越地层无软弱层，经过前期沉桩挤土及10年的使用后，必然发生土体固结，摩擦力增大情况。本次钢管桩长度为40m，远比原phc管桩35m和25m长，施打困难。

3)为避免噪声、振动等影响周边生产作业，本工程桩基要求采用静压施工，但静压沉桩受本身方法影响，在摩擦力大的情况下，施工速度慢。

静压管桩施工产生的挤土效应，一般表现为浅层土体的隆起和深层土体的横向挤出，可能引起周边底板、坞墙板桩等结构变形位移，使已经施打的桩产生上浮，或者挤压损坏，对此必须予以高度重视。

4)加固改造工期紧张，因船坞需分段交付业主使用，桩基工程必须在3个月内完成。

解决思路

根据经验及现场情况的分析，本工况静压桩施工无先例可循。要达到单桩750t静压力，静压设备选择jyz1000静压桩机。

针对以上施工难点：本工况下静压沉桩无先例可寻。根据经验分析，沉桩难度非常大，未必能够成功。但为保障我国特种船舶的建造工期，按照最不利条件考虑设备及工艺。静压设备先选用最大设备1000t，如果能够将桩基沉放到位，根据静压沉桩经验，待后期土层恢复后，承载力将提高，能够满足设计要求。后期通过高应变来检测。

拟定试桩方案

因对底板下土体的固结状态导致的摩擦力及挤土效应究竟多严重无法预估，我们拟定2套施工方案：方案一位分节取土静压方案，方案二为分节不取土静压。

通过方案一的实际操作，发现采用大吨位的静压桩机，通过桩内取土减少摩阻力的方式，顺利完成了钢管桩静压沉桩，但是施工过程中要需挖土、设备移动转换速度慢，桩分节多、电焊工作量大，施工功效非常低，每天只能完成1根桩，不可能满足工期要求。且待土层恢复，桩基恢复较高承载力需较长时间。桩芯土体基本都能够上至桩长的2/3，挤土作用不是特别明显，设置在板四周的观测点几乎没有变化。

采用方案二的实际操作中，通过的两根试验根试桩我们得出，在土体已经过长期固结情况下，不采取其他措施，采用大吨位全液压式压桩机静压钢管桩施工是可行的。

在本工程钢管桩沉桩过程中，桩端土一部分被排向桩周，另一部分涌入管桩内形成土塞，如图1所示，其表示不同深度时整根施工的压力值，通过图1可以看出，随着深度的增加，压力值是增加的，而在大概23米左右土塞达到完全闭塞状态，同时在23米开始，沉桩阻力开始成线性增加。

实际施工中，如果没有土塞，会导致挤土效应变大，引起周边建筑物沉降；且土塞不在增加，说明形成闭塞，沉桩阻力将直线加大。

上述表格中，压力值是反应沉桩难易程度，如果压力已经很大，但桩没有沉至设计标高，施工方法是失败的。且压力大，说明桩本身承受的压力大，超过承受范围，桩会变形、损坏，且容易导致桩机损坏。

在施工过程中我们还发现，现场钢管桩共分3节(2条焊缝),单节压桩时间大约为10分钟，每2节管桩之间焊接时间大约为1小时(两人同时电焊)。焊接完成后，再冷却后进行超声波检测，检测合格，才能继续下节桩沉桩，每根桩施工总时间都在4小时以上，每天最多完成2根桩，工效非常低，不能满足工期要求，且由于接桩耗时较长，不能连续作业，压桩时明显感觉瞬时压力很大，压桩时设备有上浮及打滑现象。

因此考虑方向主要为如何缩短沉桩时间，提高沉桩工效。从整个施工过程来看，缩短焊接时间不太可行(焊接工作严重影响接桩质量)，那么是否可以取消焊接环节？我们根据水上沉钢管桩，整节预制、整节施打的思路，分析目前情况。

对照水上沉桩，整节施工主要受以下问题：

制作、运输问题。工厂预制不存在问题，且管桩直接在厂家制作，可确保桩接头质量，但陆上运输至现场不可能，如何解决运输问题

沉桩、喂桩问题。水上打桩船桩架很高，且可借助水深，可满足长桩施工，陆地桩架基本不具备此条件。但本次静压桩原理为夹具抱紧产生摩擦力压桩入土，上方自由。可以沉桩，但自带吊机不论吊重还是吊高都无法满足要求。

针对以上问题我们分析后拟采取如下措施：

委托加工方不分节制作整根钢管桩，由水上船运至长兴船厂码头，由船厂龙门吊将桩驳运至坞室内；

增加一台足够吊高和吊重均满足要求的吊机，专门喂桩给静压桩机。另外因桩在吊入桩机后，自由端很高，为确保桩机稳定，桩垂直度良好，吊机在桩入土前，不得完全松钩。

吊机的参数无特殊要求，只要能够将桩起吊至一定的高度及距离即可。

在桩顶，对称开两个孔，用钢丝绳及吊钩起吊桩，靠重心桩自然会垂直。静压桩机靠自身设备确保垂直，因桩长太长，桩基上部自由端太长，所以，吊机不能完全松钩。

本发明中，采用整根管桩进行既有船舶船坞地基施工方法，具体操作如下：

1、整根桩管的加工及运输

委托管桩厂制作整节40米长的钢管桩。加工时采用螺旋焊接工艺，环缝采用v型坡口双面焊。为了便于吊装，在钢管桩上设置两个吊点。

钢管桩制作完成后，只能直接从加工厂码头装船运输至船厂江侧突堤码头，然后由船厂龙门吊，从船上将管桩吊至坞室临时堆放点。具体地，通过船机直接将钢管桩从预制场运送至船厂码头，运桩方案上，通过160t门机起重机，将其运送至临时堆放点。

2、施工准备

2.1施工场地

全液压式压桩机机型和重量都较大，通过桩机下部的短靴传至地面的压力高达160-180kpa,对场地要求很高。所以本工程桩机在混凝土底板上作业，桩位通过排钻切割混凝土孔露出。

2.2施工机具

本工程钢管桩桩径为800mm，桩长为40m，总重约12t。并且周围土体固结时间较长，沉桩阻力很大，所以现场仍采用一套1000t的静压桩机，吊桩作业时，需要将整根钢管桩吊入静压桩机夹桩钳内，故需要吊机具有45米以上的起升高度，根据吊高、吊重选配70t履带吊一台，用于钢管桩的起吊作业。

3.施工过程要点

(1)测量定位

放线前将桩位处的底板混凝土凿除吊开，形成方形桩坑，在桩坑内的泥面上放出桩的中心位置，打入一根钢筋并涂上红油漆，当桩机大体就位之后再重新测定桩位。

(2)桩机就位：静压桩机行至桩位处，使桩机夹持钳口中心(挂中心线陀)与桩坑内的钢筋基本对准，调平压桩机后，再次校核无误，将长步履(长船)落地受力。

(3)吊桩、喂桩

钢管桩改为整节预制后，单根长度为40m，重约12t，这增加了施工时喂桩的难度，试桩时的分节吊桩、喂桩方式已无法满足施工需求，故现场改用70t履带吊，履带

吊为主吊，履带吊慢慢抬升吊杆将钢管桩吊直竖立并高出静压桩机，转动至静压桩机夹桩口上方后使桩身缓慢进入夹桩的钳口。当桩被吊入夹桩钳口后，由指挥员指挥司机将桩缓慢降到桩尖离泥面10cm左右为止，然后夹紧桩身，微调压桩机使桩尖对准桩位，并将桩压入土中0.5～1.0m，暂停下压，从桩的两个侧面通过互成90度角的两个经纬仪校正桩身垂直度，当桩身垂直度偏差小于0.5％时再正式压桩。

(4)压桩

通过主机的压桩油缸伸程的力将钢管桩压入土中，每次下压深度为2.0m，下压到位置后松夹具夹桩钳口上升再夹紧，然后下压，如此反复进行，将管桩压入土中。

(5)送桩

送桩采用送桩器配合施工，送桩器上划好刻度线，以方便停压时标高控制，送桩时严格控制送桩深度，保证桩顶标高符合设计要求。桩沉到设计标高后再连续满载复压3次。

(6)监测

在压桩过程中对附近老底板的沉降或抬升进行监测，观察老底板表面是否产生裂缝。并监测压桩时桩内土芯和外侧泥面的高差，反应土体的挤土情况。

4、效果

通过整根不分节静压沉桩，圆满完成了施工任务，具体表现为以下方面：

(1)本工程共增加329根桩，全部沉桩到位，除极个别桩因为地质原因高出20～30cm，其余均达到设计标高；

(2)在底板拆除后，对老桩基选择15％进行小应变检验，结果显示老桩基未因为挤土导致水平破坏；

(3)钢管桩进行高应变检测后，承载力为，均满足设计极限承载力要求；

(4)周边底板在整根沉桩实施过程中，发生了底板隆起5cm，在及时调整施工速度(每天沉桩控制在10根)后，未再次发生类似现象；

(5)对周边船坞及轨道监测数据显示，未有明显变化；

(6)因采用静压桩施工，未产生噪音及环境污染；

5、总结

通过施工之前的详细策划及实施过程中的发现-研究-解决问题的思路，最终采用了整桩工厂预制，船运至现场，由门吊送入作业区，由履带吊送入桩机，整根一次性沉桩的方法。其他情况若具备陆运及工厂制作的情况下，均可采用。另外若挤土作用明显，可采用取土或射水辅助法静压沉桩。