xx油田北海堤防護加固工程水下沉樁施工技術研究1引言近幾年來，由于xx小浪底工程的建成截流，xx下流河水挾帶泥沙越來越少，使過去靠xx攜帶大量泥砂沉積形成的xx三角洲海岸線沖淤平衡被打破，造成xx三角洲勝利油田海岸線不斷蝕退。1986～1987年花巨資修建的海堤工程對xx油田開發(fā)上產和xx三角洲濕地保護及生態(tài)平衡起著天然屏障作用，但隨著堤前的蝕退沖淘，給海堤的穩(wěn)固、安全帶來巨大的威脅，如不及時防護根治，海堤有被沖垮的危險。為此，中國石化集團為確保xx油田安全生產和xx三角洲濕地生態(tài)平衡，決定對勝利油田xx海堤進行加固防護，以達到防災減災的目的。xx油田北海堤防護加固工程（樁號為K10+000～K16+884.99）位于山東省東營市xx入?？诒眰取９こ唐鹗加跇短朘10+000總理臺處，終止于樁號K16+884.99樁303海堤處，全長6884.99m。防護加固設計采用堤腳直接加固結構形式,具體結構形式如下圖所示：該段原海堤堤腳外側已有少量拋石及一層三排扭工字塊防護，現設計結構為：在海堤外側，離堤腳25m的位置，平行海堤方向設一排Φ500mm預應力鋼筋砼管樁，管樁直徑為0.5m，凈間距為0.3m，樁長15m，強度為C80，管樁頂設計高程為－2.9m；管樁與堤腳之間拋填毛石，海堤堤腳前設頂寬10m，頂高程0.5m的拋石棱體，邊坡為1：3，拋石下設30cm厚的石渣墊層，拋石棱體頂面為一層四腳空心塊護面（空心塊單塊在重為2噸），坡面采用扭工體防護。管樁迎海側為寬10m、厚70cm、重300kg以上的塊石護灘，塊石下面設30cm厚的石渣墊層，石渣墊層下鋪設一層CE152耐特龍網。高強預應力鋼筋砼管樁需要海上打入法施工并且正常潮位下設計樁頂高程通常在水下4m左右，打樁工藝比較復雜，沉樁質量難以控制。2自然條件2.1氣象xx三角洲海域屬溫帶海洋性季風氣候。該海區(qū)秋冬季主要受來自西伯利亞的冷空氣影響，多偏北大風，氣候干冷；夏季主要受太平洋高壓邊緣影響，多偏南風。最低氣溫出現在1月份，平均最低氣溫-6.3℃。春季受大陸影響氣溫回升較快。最高氣溫出現在7月份，為28.8℃，8月份次之，為28.7℃。秋季氣溫下降迅速，從9月份到11月份，平均氣溫從20.8℃降到5.3℃。全年平均氣溫為11.7℃。本海區(qū)夏季極端高溫為39.6℃；冬季極端最低氣溫為-18.0℃。本海區(qū)全年平均以南風出現頻率最大，為10.81％，次常風向為東北偏東風，頻率為7.3％。最少風向為正北風，頻率為3.94％。全年平均風速為5.28m/s。本海區(qū)各月都出現大于6級大風，4月、11月份大風日數最多，分別為14.2天和14.5天。7月、9月份大風日數較少，分別為8.6天和9.3天，其他各月均在10天以上，全年平均大于6級風以上日數為137.5天。全年8級以上大風日數平均為15.7天，強風向為北西、北北西、北北東、北東、及東北東五個方位，大風以秋、冬季多見。該海域百年一逾十分鐘平均風速為29.0m/s，二分鐘平均最大風速為31.0m/s，一分鐘平均最大風速為31.6m/s，三分鐘平均陣風風速最大可達34.8m/s。50年一遇瞬時最大風速為33.6m/s。2.2水文本海區(qū)平均海平面在黃海平均海平面上39.7cm，年極值增水一般為1.3～1.8m，增水的主要風向為東北大風。風暴潮與天文大潮相疊加時常使海面迅速升高。本區(qū)是受風暴潮影響的重災區(qū)，一年四季都可受到風暴潮增（減）水的威脅和危害。本海區(qū)災難性大浪均為渤海內的風生浪，具有生成快消失快、波周期10秒以上的大浪很少出現等特點。強浪向為北北東—東北東，其次為西北向。長浪向為偏南向，但波浪較小。大浪多出現在10月至翌年4月份。50年一遇10米水深處的波高為6.2m，有效波高為4.6m，周期為8.6s。該海域的海流性質屬正規(guī)半日潮流，潮流的運動形式為往復流。該區(qū)實測表層最大流速為114cm/s，最大可能表層流速為182cm/s，最大實測底層流速為81cm/s，最大可能底層流速為129cm/s。漲潮流方向為東東南，落潮流的方向為西西北。主流方向基本與岸平行。強流區(qū)發(fā)生在10～15米等深線的區(qū)域。2.3地質本區(qū)域位于xx1976—1996年行河河口北側，1996年以來行河河口以南，現行河河口三角洲沉積物與1996年以前行河河口三角洲沉積物在此迭加，現三角洲沉積物與老三角洲被侵蝕搬運來沉積物相間堆積，形成新老三角洲沉積物混合堆積的特征。表層沉積物以軟弱粉質粘土、粉質粘土為主，含少量淤泥。距目前行河河口較近部位表層為松散粉土—粉砂，亞粉質粘土薄層。三角洲沉積物之下為全新世海相沉積，主要為淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土、淤泥質粉土等軟弱土層；海相層之下為全新世早期濱海湖沼相粉質粘土、粘質粉土以及其下晚更新世河湖相粉質粘土、粘土、粉土和粉砂。3、海上打樁施工方案的確定本工程共需打入PHC管樁13200棵，管樁插打需在海上完成，因此，海上打樁是制約本工程施工的關鍵工序，選擇合理、經濟的施工方案，快速形成施工規(guī)模，是海上打樁施工的首要任務。由于施工受海水及風浪制約很大，根據本工程所在海域的海況條件及海上安全生產的要求，風力在5級以下時可以進行海上施工作業(yè)，在風力達到6級以上時，所有船只均應進入避風港避風。由于管樁樁頂高程在水下4米深處并且管樁插打受風浪制約嚴重，為此，我們對海上打樁施工進行了多方案試驗比選，如：振動錘雙體打樁船沉樁、柴油錘單體打樁船沉樁、利用固定鋼結構平臺沉樁等。經過對幾個方案的安全性、適用性、經濟性及施工工藝等方面進行了分析比較認為：振動錘雙體打樁船沉樁，穩(wěn)定、靈活、安全，速度快，遇有大風浪可隨時撤離至避風港避風；柴油錘單體打樁船沉樁，其吊裝、定位均靠船體移動來完成，速度較慢，因是單體船且打樁架高度在27m左右，對海況條件也要求較高，稍有風浪船體不穩(wěn)就影響打樁，打樁效率低而且容易打壞樁頭；利用鋼結構固定平臺沉樁，就插打砼管樁而言，穩(wěn)定性好、就位快，插打速度快，但搭設鋼結構平臺等附屬設施需耗費大量鋼材，并且需船只配合作業(yè)，施工費用高且平臺移動需要吊車吊裝倒運，遇有大風浪吊運困難，危險性大。根據以上分析、比較，砼管樁沉樁優(yōu)先采用振動錘打樁船沉樁方案，其次為利用鋼結構固定平臺沉樁方案，拋棄柴油打樁船沉樁方案。最終確定分階段采用不同方案打樁：第一個階段為4～8月份，此階段為海上施工黃金季節(jié)，采用振動錘打樁船打樁；第二階段為9月至翌年3月份，此階段為風暴潮多發(fā)季節(jié)，打樁船在海上有效作業(yè)天數極少，因此,進入9月份以后研究岸上打樁工藝，如采用振動錘在預先搭設好的鋼結構固定棧橋平臺上打樁或采用大型長臂履帶吊在岸上打樁。3.1管樁插打施工工藝采用振動錘打樁船沉樁方案，由于管樁樁頂設計高程為－2.9m，因此，施工時需將管樁送至水下4.0m深處。根據管樁插打施工工藝，管樁施工分兩步進行，第一步將管樁插打至定位框架頂面以上1m的位置，第二步需要進行二次送樁，采取加長送樁器的方式，將管樁送至水下設計高程。3.1.1工藝流程打樁船定位打樁船定位安裝定位框架立樁沉樁拆除定位框架管樁裝船運輸二次送樁到位3.1.2施工方法3.1.2.1砼管樁裝船及海上運輸砼管樁分別在位于K10+000、K13+200、K14+700及K15+700處臨時碼頭裝船。管樁按指定位置和存放要求在碼頭上存放，采用16噸汽車吊裝船。管樁海上運輸采用駁船，每船裝30根，船運至打樁施工現場。為了保證混凝土管樁的海運安全，需要在駁船兩側焊接護欄；管樁吊運采用捆綁方法，在每層混凝土管樁之間放置方木；為防止管樁在駁船上滾動，管樁之間均用木楔隔離固定。輸送口縫扎養(yǎng)護3.1.2.2打樁船定位：打樁作業(yè)船航行至作業(yè)區(qū)后，調整打樁船至合適的位置，將四個角的錨樁落下，將船只錨固穩(wěn)定后實施整套打樁作業(yè)程序。輸送口縫扎養(yǎng)護3.1.2.3安裝定位框架：定位框架采用兩片I500工字鋼并根據樁縱橫間距大小用角鋼焊接成整體框架。首先在前進方向插打四根鋼管樁，鋼管樁用振動錘打入，頂高程控制在＋1.0m左右，四根鋼管樁高程應大致相同。鋼管樁橫向上連接工字鋼橫擔梁（橫擔梁與鋼管樁連接可采用焊接或螺栓連接等方式）。在橫擔梁上安裝定位框架，定位框架應安裝在砼管樁中軸線上，調整至符合要求后與橫擔梁通過螺栓連接固定，定位平面示意圖如下。定位框架平面定位示意圖3.1.2.4砼管樁立樁：將運至施工地點的船上管樁一端吊起，脫離甲板直至整個樁身處于垂直穩(wěn)定狀態(tài)后，在指揮人員的指揮下，將管樁緩緩插入導向定位框架的樁位孔中，在樁自重及錘頭作用下管樁緩緩下沉，下沉過程中注意隨時糾偏，在管樁軸線和橫斷方向上分別派人觀察，配合指揮長指揮，保證管樁軸線位置和垂直度，至管樁不再下沉時，完成立樁過程。3.1.2.5砼管樁沉樁：立樁后，用吊機吊住連有長送樁器的振動錘液壓抱箍套住樁頂，啟動液壓系統(tǒng)將樁頭箍緊并將管樁扶正，開啟振動錘實施沉樁作業(yè)。在沉樁的初期，將變頻器打到輕振檔上，沉樁過程中通過吊機調整振動錘的位置，進行糾偏。當管樁沉至穩(wěn)定狀態(tài)時，更換變頻器檔位，全幅開啟振動錘，實施快速沉樁作業(yè)。在管樁頂接近定位框架上頂面1m時，停止沉樁作業(yè)。3.1.2.6二次送樁到位：當導向定位框架內的全部管樁插打至離定位框架上頂面1m時，拆除定位框架，然后依據樁頂設計高程輸送口縫扎養(yǎng)護推算出送樁器送到什么位置管樁才能達到設計高程，并在送樁器上做出標記。吊起連有長送樁器的振動錘二次實施振動送樁作業(yè)，至樁頂高出設計高程約3～5cm時（或根據地質情況確定），關閉振動系統(tǒng)，靠振動錘的余震將管樁送樁到位，進行樁頂高程、軸線等檢測，在檢驗評定標準規(guī)定允許偏差之內，完成沉樁作業(yè)；如超出標準，開啟振動錘將管樁稍稍進行調整。然后解除液壓，使振動錘液壓抱箍與樁分離，起吊振動錘使液壓送樁器離開水面。循環(huán)上述操作進行下一棵樁的送樁作業(yè)，直至完成全部管樁送樁作業(yè)。輸送口縫扎養(yǎng)護在打樁過程中應由專人做好沉樁記錄，準確記錄沉樁過程中的各種情況和變化，詳細記錄打樁時間和樁位編號、預制樁編號及樁的質量情況。4、試驗段施工總結xx北海堤防護加固工程500m試驗段打樁工程于2004年7月15日開工，至2004年8月22日完成，日歷天數為38天，共計打樁625棵。在試驗段施工過程中，由于工農關系及海上風浪天氣影響造成停工達20天，實際有效作業(yè)天數為18天。通過試驗段沉樁情況看，沉樁要穿透一個板沙層，在這個板沙層上要耗費較多的沉樁時間。根據完成的625根管樁的沉樁統(tǒng)計資料看，雖然使用的振動錘都為90KW，但由于使用的船只不同（單體或雙體船），配備的其他機械功率不同，地質條件不同，單棵樁的沉樁時間也不盡相同。使用進口發(fā)電機240KW，35t吊機，雙體船完成單棵樁的最短時間為40分鐘，最長時間為90分鐘，據統(tǒng)計，正常情況下，平均完成單棵樁的時間為70分鐘。使用國產發(fā)電機240KW，35t吊機，雙體船完成單棵樁的最短時間為45分鐘，最長時間為120分鐘，平均完成單棵樁的時間為80分鐘。使用國產發(fā)電機124KW，35t吊機，單體船完成單棵樁的最短時間為60分鐘，最長時間為120分鐘，平均完成單棵樁的時間為85分鐘，但單體船的有效作業(yè)時間短。單、雙體船施工效果差別：在施工過程中，我們采用了雙體船、單體船、浮吊及中間拉開空檔打樁船，通過試驗的結果看，雙體船由于其與水的接觸面積大，加上四角錨樁的控制，具有很好的穩(wěn)定性，施工的管樁質量好。單體船由于與海水的接觸面積小，雖四角插打了錨樁，其穩(wěn)定性與雙體船相比差得多，四角錨樁導向孔經常由于海浪的沖擊造成撕裂。在風力達到4～5級，雙體船能夠施工，但單體船由于搖晃的厲害已無法正常施工，由此造成單體船作業(yè)時間非常短。中間拉開空檔的打樁船，由于其與水面接觸面積大且打樁在船體中間展開，具有很好的適用性。目前海域征用手續(xù)已辦理完畢，基本具備大面積開工的條件，但時間已近9月，海上有效作業(yè)時間越來越短，為了加快打樁進度，提高打樁效率，我們將采取四項主要措施：第一，為盡量延長秋冬季海上打樁有效作業(yè)時間，利用海堤二層平臺搭建鋼結構固定棧橋平臺，在棧橋平臺上打樁，變海上打樁為陸上打樁。第二，先進行寬10m的平臺的拋石施工，為大型履帶吊車提供行走便道，在風力小于6級情況下，大型履帶吊車實施陸上打樁。第三，進一步加大振動錘的功率，采用120kw振動錘，以提高振動錘激振力從而加快單樁沉樁速度。第四，進一步改進水下沉樁工藝，將原來單純依靠振動力沉樁，改為振動與靜壓相結合的沉樁工藝系統(tǒng)，靠靜壓將液壓送樁器和管樁頂壓緊，再開啟振動錘，邊振動邊靜壓，這樣可一次性將管樁插打至設計高程，而不用二次送樁，從而加快沉樁進度。試驗證明，采用120kw振動錘打樁能夠大大加快沉樁進度，比90kw振動錘提高工效1／3。5、結語勝利灘海油田海堤附近海域有其特殊的海洋動力環(huán)境條件，海域開闊，水深較深，各方向大風都能生成大浪，該海區(qū)一年四季都出現風暴潮，海上施工環(huán)境極為惡劣。近幾年來上海江蘇等沿海地區(qū)海堤防護及保灘促淤工程大多采用退潮后打樁船坐灘打樁工藝，實際上相當于灘地打