鋼板樁在海域沉樁過(guò)程中的垂直度控制

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200432

1 工程概況

本工程海域圍堰采用雙排鋼板樁形式，呈喇叭口狀，出口段寬67 m、末端寬171 m。整個(gè)圍堰東西向長(zhǎng)168 m，中心線周長(zhǎng)約535.4 m，為迄今為止該電廠項(xiàng)目最大的排水口圍堰工程。圍堰鋼板樁采用拉森WRU26型，外排鋼板樁頂標(biāo)高為+6.0 m，最大樁長(zhǎng)28.5 m；內(nèi)排鋼板樁頂標(biāo)高為+3.0 m，最大樁長(zhǎng)為25.5 m。鋼拉桿采用Φ40 mmQ345圓鋼對(duì)拉，間距2.6 m，圍檁采用雙拼32b#型槽鋼。圍堰形成后在內(nèi)側(cè)施工水泥土攪拌樁，形成圍堰基坑的圍護(hù)體系，后續(xù)進(jìn)行基坑開挖施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)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(guò)渡到海域，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之間。海域地層分布主要為①3層流泥、②層淤泥、③層黏土等，分布相對(duì)穩(wěn)定，具不同的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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。其余為正常—超固結(jié)土，具中等壓縮性。

2 沉樁準(zhǔn)備

2.1 沉樁設(shè)備

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，利于提高海域作業(yè)的平穩(wěn)性；退潮時(shí)灘面平緩，駁船可落于灘面，利于施工。施工用鋼板樁最長(zhǎng)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(tái)，采用雙機(jī)抬吊的方式進(jìn)行送樁，履帶吊的把桿長(zhǎng)度滿足落潮時(shí)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[1,2]。本工程所在區(qū)域地層分布主要為軟弱土，鋼板樁入土深度范圍無(wú)硬土層，選用DZ90A振動(dòng)錘進(jìn)行沉樁。

2.2 沉樁平臺(tái)

導(dǎo)樁及作業(yè)平臺(tái)在鋼板樁施工中作用非常重要（圖1）。首先，作為鋼板樁施工的導(dǎo)向，使鋼板樁始終沿著設(shè)計(jì)軸線排列；其次，通過(guò)在導(dǎo)樁上設(shè)置一些限位措施，對(duì)鋼板樁的垂直度及軸線上扇形偏移起到控制作用，保證了鋼板樁的施工質(zhì)量；同時(shí)，也為施工人員提供海上作業(yè)平臺(tái)。導(dǎo)樁及作業(yè)平臺(tái)必須保證準(zhǔn)確性，利用岸上平面控制網(wǎng)對(duì)導(dǎo)樁進(jìn)行定位，導(dǎo)樁在沉樁過(guò)程中可能產(chǎn)生一定偏移，可通過(guò)導(dǎo)梁、作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行微調(diào)。導(dǎo)樁及作業(yè)平臺(tái)必須穩(wěn)定，并具備一定強(qiáng)度，防止在鋼板樁插打過(guò)程中與其碰撞產(chǎn)生變形。

圖1 導(dǎo)梁及作業(yè)平臺(tái)示意

導(dǎo)樁采用500 mm×300 mm×10 mm×20 mmH型鋼，沿圍堰軸線每隔14 m設(shè)置導(dǎo)樁，每組導(dǎo)梁打設(shè)4 根導(dǎo)樁，然后在導(dǎo)樁上焊接牛腿，牛腿位置為標(biāo)高+4.8 m及+1.8 m，牛腿下部與導(dǎo)樁之間焊接斜撐，再在牛腿上擱置導(dǎo)梁，通過(guò)全站儀精確定位導(dǎo)梁位置，焊接固定。為嚴(yán)格控制鋼板樁豎向垂直度，采用雙層導(dǎo)梁，上下間距3 m，可限制鋼板樁在初始下沉過(guò)程中的方向，以便控制鋼板樁的軸線。兩側(cè)導(dǎo)梁與鋼板樁寬度之間間隙控制在5 cm，即保證了導(dǎo)向的準(zhǔn)確性，又可防止鋼板樁在下沉過(guò)程中由于振動(dòng)擺幅過(guò)大而影響導(dǎo)梁的穩(wěn)定。

3 鋼板樁沉樁

鋼板樁沉樁方法有單獨(dú)打入法和屏風(fēng)法等[3]。綜合比較，決定采用單獨(dú)打入法。

通過(guò)對(duì)鋼板樁在沉樁過(guò)程中貫入速度、貫入狀態(tài)等分析，將沉樁分為幾個(gè)階段：

（a）依靠鋼板樁以及振動(dòng)錘的自重，在靜力作用下，鋼板樁一般可貫入5～7 m，該部分土層主要以①3流泥層為主。該層在宏觀上表現(xiàn)特征為自然狀態(tài)下強(qiáng)度極低、有流動(dòng)性、失水后強(qiáng)度高。

（b）開啟振動(dòng)錘后，在激振力的作用下，鋼板樁逐步下沉，在穿越②層淤泥土?xí)r，沉樁速度較快，為4～6 m/min，振動(dòng)錘的電流較小，反映出沉樁阻力較小。在此過(guò)程中，相鄰鋼板樁基本上無(wú)跟樁現(xiàn)象發(fā)生。

（c）進(jìn)入③層黏土?xí)r，沉樁速度明顯下降，約為3 m/min，振動(dòng)錘電流逐步上升。隨著沉樁深度的增加，鋼板樁發(fā)生一定量的傾斜。

（d）在基巖淺埋段，樁底在進(jìn)入基巖附近，貫入度很小，振動(dòng)錘上跳強(qiáng)烈，鋼絲繩帶動(dòng)履帶吊把桿大幅度抖動(dòng)，振動(dòng)錘的電流突變?cè)龃蟆＝?jīng)與地質(zhì)剖面圖核對(duì)，樁底位于層粉質(zhì)黏土混角礫層中，未有明顯貫入。后選擇DZ120A振動(dòng)錘進(jìn)行試沉，振動(dòng)錘跳動(dòng)明顯，甚至出現(xiàn)鋼板樁底口卷邊的現(xiàn)象，也無(wú)法貫入層中。最終沉樁的樁底控制以該層為止。

4 沉樁質(zhì)量控制

4.1 沉樁垂直度偏差分析

在沉樁過(guò)程中不可避免地發(fā)生軸向（扇形變形）及垂直軸向的偏移，經(jīng)分析研究，主要原因有以下幾點(diǎn)：

（a）振動(dòng)錘由于偏心作用力，在運(yùn)行的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定幅度的自轉(zhuǎn)，導(dǎo)致鋼板樁在沉樁過(guò)程中發(fā)生扭曲，引起垂直軸向的偏移；

（b）根據(jù)施工情況，土層強(qiáng)度越小，插入深度越大，垂直度偏差越大。經(jīng)分析，區(qū)域地層土質(zhì)主要為流泥和淤泥，強(qiáng)度低，在沉樁過(guò)程中樁端較自由，加之鋼板樁本身較長(zhǎng)，整體剛度低，慣性矩小，引起軸向及垂直軸向的偏移；

（c）鋼板樁鎖扣對(duì)準(zhǔn)后，另一側(cè)相對(duì)自由，在沉樁過(guò)程中由于擠土作用，容易起垂直軸向的偏移；

（d）鋼板樁鎖扣存在一定間隙，在沉樁過(guò)程中，入土部分樁體之間的鎖扣相對(duì)緊密，土面以上部分鎖扣相對(duì)松弛，形成下壓上拉的狀態(tài)，多根樁累計(jì)后形成扇形變形。

4.2 沉樁垂直度改進(jìn)措施

針對(duì)上述原因，作出具體措施，對(duì)鋼板樁沉樁時(shí)垂直度控制進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。

（a）增加配重平衡裝置，限制振動(dòng)錘自轉(zhuǎn)（圖2）。在履帶吊的把桿上安裝2 個(gè)定滑輪，鋼絲繩一端連接配重塊，另一端連接振動(dòng)錘的兩側(cè)，限制振動(dòng)錘自轉(zhuǎn)。在振動(dòng)錘起落的過(guò)程中，依靠滑輪裝置，配重平衡塊始終作用于振動(dòng)錘的兩側(cè)。通過(guò)上述裝置的改進(jìn)，振動(dòng)錘在沉樁過(guò)程中穩(wěn)定下沉，減少了自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的鋼板樁扭曲。

圖2 振動(dòng)錘平衡裝置示意

（b）鋼板樁鎖口之間有一定的自由旋轉(zhuǎn)角度，通過(guò)橫向限位滑輪及限位橫檔，控制鋼板樁沿軸線方向的傾斜及鎖口的位移，使鋼板樁在垂直于鋼板樁的軸線方向上不會(huì)偏移過(guò)大；限位滑輪及橫檔采用滾動(dòng)軸，減小下樁過(guò)程中的摩擦力（圖3）。

圖3 鋼板樁垂直度及軸線控制裝置示意

（c）由于鋼板樁成開口形，成樁過(guò)程中一側(cè)受到相鄰鎖口的限制，另一側(cè)相對(duì)自由，受土壓力的擠壓，相對(duì)自由部分的鋼板樁會(huì)產(chǎn)生變形，造成了鋼板樁上大下小的形狀，而且越深的位置變形越大。通過(guò)在鋼板樁兩口間設(shè)置橫向翼板，限制鋼板樁的變形，增加鋼板樁的抗扭剛度。這種增加翼板的措施使鋼板樁扇形變形的減小（圖4）。

（d）在累計(jì)垂直度偏差達(dá)到設(shè)計(jì)允許值時(shí)，可采用異形樁進(jìn)行糾偏。在現(xiàn)場(chǎng)加工條件允許的情況下，可利用原有鋼板樁進(jìn)行制作，從中間進(jìn)行氣割，然后焊接成上小下大的形狀進(jìn)行調(diào)整。鋼板樁切割后焊接，需輔板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，防止在焊口強(qiáng)度降低造成鋼板樁整體變形。根據(jù)垂直度偏差大小，異形樁的兩邊不平行邊的夾角盡量控制在1.0%～1.5%，并且通過(guò)多次糾偏的方式進(jìn)行調(diào)整。

圖4 鋼板樁增加翼板減少扭轉(zhuǎn)

（e）充分利用本海域的地質(zhì)條件，在成樁過(guò)程中，振動(dòng)錘夾緊鋼板樁后，利用自重下沉到一定深度（主要穿越上部的流泥層、淤泥層），可使鋼板樁露出泥面的自由端盡可能短，利用入土部分限制鋼板樁在成樁過(guò)程中的變形。

通過(guò)上述技術(shù)措施的改進(jìn)，鋼板樁的垂直度得到了有效控制，均在規(guī)范控制的范圍內(nèi)。對(duì)于累計(jì)下來(lái)垂直度偏大的情況，則采取異形柱調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

海域軟弱土鋼板樁施工在振動(dòng)沉樁時(shí)，受到地質(zhì)水文條件、自身運(yùn)行等因素影響，將產(chǎn)生垂直度偏差。

本工程通過(guò)改進(jìn)沉樁施工工藝，包括增加振動(dòng)錘防扭轉(zhuǎn)配重和鋼板樁沉樁限位裝置、對(duì)開口鋼板樁增加翼板以增強(qiáng)其抗扭剛度等措施，有效地提高了鋼板樁的垂直度控制質(zhì)量和工效。對(duì)不同工程，宜根據(jù)具體工況條件進(jìn)行沉樁工藝選擇和過(guò)程控制，確保沉樁質(zhì)量。