大型雙排鋼板樁在海域圍堰中的施工關(guān)鍵技術(shù)

上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200432

雙排鋼板樁圍堰具有施工速度快、防水性能好、可重復(fù)利用等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種永久性和臨時性工程[1-3]，包括港口、核電站取排水、碼頭、河道護岸等。在海域工況下，工程多位于海陸結(jié)合處，施工難度和風(fēng)險大大增加。船舶和打樁設(shè)備的選擇受到海域環(huán)境及工程本身設(shè)計要求的影響；受到海域潮汐風(fēng)浪的影響，鋼板樁插打、合攏的質(zhì)量控制難度增加[4]。

本文就三門核電站一期排水口工程為例，結(jié)合現(xiàn)場工況條件，介紹了海域大型雙排鋼板樁圍堰工程的施工過程，針對鋼板樁插打質(zhì)量控制、圍檁拉桿系統(tǒng)、鋼板樁合攏等關(guān)鍵技術(shù)進行分析研究，提出了相關(guān)問題的解決方案和改進措施，為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

圍堰為雙排鋼板樁內(nèi)填芯土筑成，寬10 m，周長535.4 m。鋼板樁采用拉森WRU26型，外排鋼板樁頂標(biāo)高為+6.0 m，最大樁長28.5 m；內(nèi)排鋼板樁頂標(biāo)高為+3.0 m，最大樁長為25.5 m。鋼拉桿采用Φ40 mmQ345圓鋼對拉，間距2.6 m，圍檁采用雙拼32b#槽鋼。圍堰內(nèi)側(cè)采用格柵型水泥土攪拌樁作為基坑圍護，寬度4～9 m。圍堰圖示如圖1、圖2所示。

根據(jù)地質(zhì)勘查報告描述：圍堰跨越2 種地貌單元，分別為基巖區(qū)及海灘區(qū)。西側(cè)基巖區(qū)向東逐步過度到海域，海域地貌為海涂灘地，灘地表面地形較為平坦，平均高程在－0.5～－1.0 m左右。海域地層分布主要為①3層流泥、②層淤泥、③黏土等，分布相對穩(wěn)定，具不同的結(jié)構(gòu)強度，其他地層多呈透鏡體產(chǎn)出，層位不穩(wěn)定。第①3層流泥、第②層淤泥、第③層黏土超固比＜1，為欠固結(jié)土，具高壓縮性。其余為正?！探Y(jié)土，具中等壓縮性。

圖1 圍堰結(jié)構(gòu)體系平面示意

圖2 圍堰結(jié)構(gòu)體系剖面示意

本海域每天2 次高低潮，每月2 次大潮汛。平均高潮位為2.41 m，平均低潮位為－1.86 m，平均潮差4.25 m。受主導(dǎo)風(fēng)向影響，本海域涌浪較大。

2 船機設(shè)備選擇

由于海域環(huán)境的復(fù)雜多變，地質(zhì)條件、潮汐、風(fēng)浪、氣候條件等外界因素，以及樁型、樁長、入土深度等工程要求，綜合地影響著船機設(shè)備的選擇。本工程所在地海域灘面地形較為平緩，平均高程為－0.5～－1.0 m，灘面為海水內(nèi)泥沙淤積的部分，呈流動狀。根據(jù)該區(qū)域海域環(huán)境及施工要求，選用2 000 t平甲板駁船，駁船長46 m，寬18 m，型深3 m。寬大駁船有利于提高海域作業(yè)的平穩(wěn)性，退潮時灘面平緩，駁船可落于灘面，利于施工。施工用鋼板樁最長為28.5 m，單根質(zhì)量約2.8 t。船上配備700 kN及500 kN履帶吊各1 臺，采用雙機抬吊的方式進行送樁，履帶吊的把桿長度滿足落潮時的打樁要求。

錘型選擇應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、沉樁深度、樁型等因素確定。在軟土及砂性土地區(qū)，可選擇振動錘及柴油錘；在需要穿越含碎石的土層時，振動錘的選擇必須慎重；在無經(jīng)驗的前提下，不宜選擇振動錘進行沉樁。本工程區(qū)域鋼板樁入土地層為軟弱土，選擇振動錘進行沉樁。振動錘的選擇應(yīng)根據(jù)樁的類型、尺寸以及地質(zhì)資料計算，沉樁至設(shè)計深度。

本工程鋼板樁周長理論值為2.45 m，不考慮樁尖阻力，選取沉樁摩阻力最大的截面，根據(jù)上述公式計算并考慮一定安全余量，選用DZ90A振動錘，激振力最大570 kN，質(zhì)量6.19 t。

3 鋼板樁沉樁方法

鋼板樁沉樁方法有單獨打入法和屏風(fēng)法等[5]。單獨打入法是從一端開始，逐根插打至設(shè)計深度，這種方法施工簡便，速度快，但容易使樁向一側(cè)傾斜。屏風(fēng)法是將一排鋼板樁先預(yù)打至一定深度，然后間隔將鋼板樁以1/3、1/2板樁高度呈階梯狀打入。這種方法的優(yōu)點是可以減少鋼板樁在沉樁過程中的傾斜和扭轉(zhuǎn)，減少誤差；缺點是對吊機、振動錘的要求比較高，而且費時，且在鋼板樁在未沉樁到設(shè)計標(biāo)高前，整排都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，風(fēng)險較大。綜合比較，決定采用單獨打入法。

在沉樁過程中不可避免地發(fā)生軸向（扇形變形）及垂直軸向的偏移，對打入順序及限位裝置進行了改進，如下所述：

（a）在第1根鋼板樁的沉樁過程中，用經(jīng)緯儀和垂線嚴(yán)格校準(zhǔn)鋼板樁的垂直度，保證鋼板樁沿軸線方向以及垂直軸線方向不發(fā)生偏移；

（b）第2根鋼板樁就位后，沿第1根的槽口利用自身重力插入，待振動錘加緊鋼板樁上口后，緩慢松開吊機主鉤，使鋼板樁在振動錘的自重下繼續(xù)下沉，穩(wěn)定后開啟振動錘，使第2根鋼板樁下沉到位；

（c）第3根鋼板樁沉樁位置選擇在第1根的另一側(cè)，按照第2根鋼板樁沉樁方式下沉到位；

（d）第4根鋼板樁沉樁在第2根一側(cè)，第5根鋼板樁沉樁在第3根一側(cè)，以此類推。

鋼板樁沿軸向傾斜的主要原因是在施打后面一根樁時，對前面已成型的鋼板樁形成沿軸向的拉力，造成已成型的鋼板樁傾斜。這種傾斜程度是累計增加的，當(dāng)達到一定傾斜程度后，繼續(xù)沉樁將使鋼板樁扭曲。本工程中采用上述沉樁方法減少了沉樁的偏移，在打入一定數(shù)量（約20 根）的鋼板樁后，可沿用單獨打入法按順序依次沉樁，這樣可減少樁向一側(cè)傾斜。

4 圍檁與拉桿安裝

雙排鋼板樁圍堰的圍檁拉桿系統(tǒng)至關(guān)重要，是保證圍堰實體在形成中以及在后續(xù)工作中穩(wěn)定的重要受力體系。在圍堰芯土填筑期間，2 排鋼板樁通過圍檁拉桿系統(tǒng)約束芯土的側(cè)向位移，確保鋼板樁、圍檁拉桿系統(tǒng)與芯土三者相對穩(wěn)定；在圍堰形成后，內(nèi)外排鋼板樁通過圍檁拉桿系統(tǒng)，與芯土形成一個整體系統(tǒng)發(fā)揮作用。

工程所在區(qū)域地層淤泥土深厚，呈流塑狀，強度低。在填土過程中，鋼板樁外側(cè)的土體所能提供的側(cè)向約束力小，大部分依靠鋼板樁自身剛度以及圍檁拉桿系統(tǒng)承擔(dān)。根據(jù)計算結(jié)果，采用單根Φ40 mm Q345b圓鋼作為拉桿（間距2.6 m），外側(cè)圍檁采用雙拼32b#槽鋼。原方案中拉桿與圍檁的連接方式采用焊接，經(jīng)分析這種現(xiàn)場焊接的工藝存在不足，一是海域工況環(huán)境，對現(xiàn)場焊接作業(yè)的質(zhì)量控制難度大；二是施工效率底，漲潮時用電設(shè)備無法作業(yè)。針對上述情況，對圍檁拉桿系統(tǒng)進行改進，采用“抱箍”方式，如圖3所示。

圖3 雙排鋼板樁圍堰的圍檁拉桿系統(tǒng)示意

這種圍檁拉桿體系有如下優(yōu)點：

（a）受力結(jié)構(gòu)體系簡單可靠。該體系中，圍檁和拉桿是聯(lián)系內(nèi)、外排鋼板樁的主要受力構(gòu)件。在2 排鋼板樁外側(cè)安裝圍檁，一方面提高單排鋼板樁的整體性，同時分散了拉桿與鋼板樁的受力；拉桿通過圍檁、牛腿支撐等將內(nèi)、外鋼板樁聯(lián)系起來，主要承受填筑芯土?xí)r的側(cè)向壓力。

（b）減少現(xiàn)場焊接作業(yè)，提高了施工質(zhì)量可靠性。整個安裝過程除了需在鋼板樁上開孔供拉桿穿入之外，無需其他的焊接作業(yè)，提高了海域工況環(huán)境下鋼板樁圍堰施工的質(zhì)量控制，同時也提高了施工速度和安全性。

（c）拉桿的松緊程度可以現(xiàn)場調(diào)節(jié)，有利于圍檁拉桿系統(tǒng)受力的均勻性。在芯土填筑期間，由于鋼板樁之間的相互聯(lián)系，填筑的位置的前后一段范圍均受到影響，導(dǎo)致安裝好的拉桿松動，需及時進行調(diào)節(jié)。采用螺栓的形式，可以靈活地調(diào)節(jié)圍檁拉桿系統(tǒng)的松緊程度，從而使鋼圍檁拉桿系統(tǒng)受力均勻。

圍檁和拉桿安裝采用船上吊機配合。首先進行測量定位，定出外側(cè)圍檁中心標(biāo)高位置，在鋼板樁上作出明顯標(biāo)記，標(biāo)高誤差不超過±5 mm。安裝圍檁時，每隔5.2 m焊接牛腿于鋼板樁上，作為擱置、安裝圍檁槽鋼的支座。用吊機將外側(cè)圍檁槽鋼擱置在牛腿上，然后焊接上部限位板，圍檁與鋼板樁不貼合處，采用鋼板墊實。拉桿安裝時，先將鋼板樁上穿孔位置開孔，比拉桿直徑大約10 mm，設(shè)置橡膠止水墊，減少沿拉桿孔的滲漏，然后安裝墊板、螺栓等附件。螺栓安裝必須緊固，保證整個拉桿基本呈水平狀態(tài)。

在填土過程中，下層拉桿始終保持受拉狀態(tài)，隨著填土高度的增加，鋼板樁之間的填土壓力影響范圍逐漸向下發(fā)展，使內(nèi)、外鋼板樁在入土一定深度范圍內(nèi)均受到向外的側(cè)向壓力。鋼板樁入土部分向外變形，以下層拉桿為固定點，鋼板樁頂端逐漸向內(nèi)偏移，造成上層拉桿逐漸松弛。經(jīng)分析計算，鋼板樁插入的土層較軟，土體的基床系數(shù)小，不足以提供足夠大的被動土壓力，下層拉桿以下的土層受填土影響，向兩側(cè)擠壓，導(dǎo)致鋼板樁頂端向內(nèi)偏移。在施工過程中，對上層拉桿及時進行緊固。

5 鋼板樁合攏

鋼板樁合攏位置宜根據(jù)圍堰形狀、地質(zhì)條件、水文情況等因素進行選擇。本圍堰為喇叭口形，圍堰合攏前，過水面積較小，受潮漲潮落影響，其合攏口處的水流較快，會對鋼板樁的沉樁帶來一定影響，因此合攏處沉樁選擇在低潮位時施工，減少水流對鋼板樁的影響。針對合攏前的工況，相應(yīng)采取一些措施：

（a）鋼板樁鎖口之間具有一定的密封性，由于過水?dāng)嗝嫘。跐q落潮期間，鋼板樁內(nèi)外存在一定水位差，導(dǎo)致鋼板樁發(fā)生變形，為減少合攏前圍堰內(nèi)外水位差對鋼板樁的側(cè)向壓力，在鋼板樁上設(shè)置了若干道活動閘門。

（b）在合攏位置的兩側(cè)的5 根鋼板樁范圍內(nèi)，初步估算最后合攏的鋼板樁鎖口之間的寬度，利用鋼板樁鎖口之間的自由轉(zhuǎn)角（一般在10°以內(nèi)）進行調(diào)整。嚴(yán)格控制鋼板樁的垂直度，確保連接合攏樁的兩側(cè)鋼板樁的垂直度和開口距離。

（c）將合攏樁兩側(cè)的鋼板樁調(diào)整為高低樁，在合攏樁插入時，一側(cè)對準(zhǔn)后，再對準(zhǔn)另一側(cè)，可降低同時對準(zhǔn)2 個鎖口的難度。如遇到稍許的錯口偏差（＜10 mm），可利用手拉葫蘆進行調(diào)整。待合攏樁達到設(shè)計標(biāo)高后，再將高處的樁錘擊到位。

6 結(jié)語

鋼板樁圍堰因施工速度快、受力性能好、抗?jié)B性好、節(jié)約鋼材等優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用于大型海工、港工工程中。在海域環(huán)境下施工大型雙排鋼板樁圍堰，施工工藝、施工方法、施工順序等受制于外界環(huán)境因素和工程內(nèi)在因素的影響。

針對外界環(huán)境因素，主要從海域的潮汐、地質(zhì)、氣候及水文等方面進行考慮；針對工程內(nèi)在因素，需從圍堰結(jié)構(gòu)形式、鋼板樁型號、圍檁拉桿形式及芯土填筑要求等方面進行考慮。

（a）由于海域環(huán)境較為復(fù)雜，應(yīng)對現(xiàn)場的施工環(huán)境條件進行分析，考慮到潮汐、風(fēng)浪、地質(zhì)條件的影響，結(jié)合工程質(zhì)量、安全及工期等要求選擇合適的船型、吊車以及振動錘等機具。

（b）沉樁錘型應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、沉樁深度、樁型等因素進行選擇。在軟土及砂性土地區(qū)，可選擇振動錘；對于需要穿越含碎石的土層，振動錘的選擇必須慎重，在無經(jīng)驗的前提下，不宜選擇振動錘進行沉樁。

（c）鋼板樁沉樁方法有單獨打入法和屏風(fēng)法等。單獨打入法施工簡便，速度快，但容易使樁向一側(cè)傾斜。屏風(fēng)法可以減少鋼板樁在沉樁過程中的傾斜和扭轉(zhuǎn)，減少誤差；但對吊機、振動錘的要求比較高又費時，在沉樁過程中風(fēng)險較大。在施工過程中針對單獨打入法進行工藝改進，有效地控制了鋼板樁的垂直度偏差。

（d）圍檁拉桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)考慮到海域施工環(huán)境的復(fù)雜性，實際施工過程中宜采用簡單有效地圍檁拉桿結(jié)構(gòu)體系，同時應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件、鋼板樁插入深度、芯土填筑等對拉桿圍檁系統(tǒng)進行驗算和調(diào)整，確保圍堰的安全性。