填海造陸區域基坑工程中的箱型鋼板樁制作及其圍護體施工

周屹東

上海建工集團（澳門）有限公司 上海 200120

1 工程概況

1.1 項目概況

澳門離島醫療綜合體位于路凼連貫公路石排灣水庫側，工程包括綜合醫院大樓、輔助設施大樓、綜合服務行政大樓、護理學院、中央化驗大樓、員工宿舍大樓及康復醫院（圖1）。

圖1 離島醫療綜合體規劃示意

離島醫療綜合體占地面積約77 000 m2，建筑面積約為320 000 m2。其中綜合醫院及輔助設施大樓樁基礎工程占地面積約為29 361 m2，施工內容包括結構樁基礎工程及支護工程。其基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑分別有1.5 m、2.0 m及2.5 m，樁的總數量為527根。支護工程包括直徑1 200 mm鉆孔樁96根，箱型鋼板樁墻16 896 m2（1 165根、長24.7 m）。另外，地庫基坑采用閘板樁、混凝土樁及旋噴樁作為臨時擋土結構。

本工程基坑圍護設計采用NSP600箱型鋼板樁作為擋土結構，鋼板樁圍堰周長約700 m，單根鋼板樁打入深度為24.7 m，鋼板樁頂標高＋4.9 m，底標高－19.8 m。支護邊線為不規則多邊形，且轉角較多，不利于作業（圖2）。

圖2 工程平面及箱型鋼板樁圍護布置

1.2 地質情況

工程地處回填土處理區域，自上而下分別為填土、海洋沉積物及沖積層（－27.16 m范圍內）。

2 箱型鋼板樁概況

2.1 樁型

本工程采用NSP600箱型鋼板樁作為擋土結構，即以原來的LZU607普通槽型鋼板樁，將2根槽型鋼板樁相對組合成箱型后，再焊接2塊厚20 mm的加強鋼板，形成復合箱型鋼板樁（圖3），既作擋土又兼作防水帷幕。

圖3 NSP600箱型鋼板樁橫斷面示意

2.2 箱型鋼板樁加工

2.2.1 加工準備

鋼板樁組合成箱型時，為確保拼接的精度，需對鋼板樁原材的線型和截面進行嚴格的測量，對變形過大的應作退換處理。由于鋼板樁長度較大，通長焊縫的焊接還需注意焊接變形的控制，須采取適當的焊接次序和工藝。

其加工準備分2個部分，一為工廠代工；二為現場定制加工設備。

1）工廠代工：主要是加強鋼板的切割，將鋼板原材切割為寬250 mm的加強板，打包運輸至施工場地。加強板材質亦與原槽型鋼板樁材質同，為S430GP，為減少損耗，鋼板采取定尺采購方式直接向鋼廠訂貨。根據加強板的尺寸，并考慮切割的損耗，確定訂貨規格為20 mm×2 030 mm×12 500 mm和20 mm×2 030 mm× 11 500 mm兩類。每條加強板的質量約為498.46 kg，每10條為1捆進行打包，每捆質量約為5 t，每車可運輸6捆，每車運輸質量為30 t。

2）現場定制加工設備：由于本項目鋼板樁使用數量龐大，加工制作工序精細，對變形量控制要求較高，為滿足施工要求，在本項目施工場地周邊專門搭建了鋼板樁加工廠棚，進行鋼板樁原材的堆放、篩選、拼裝、焊接、對接等。拼裝前先搭建組立機，形成胎架后進行拼裝，以保證箱型鋼板樁4個側面的角度；同時使用6臂埋弧自動焊機對箱型復合鋼板樁6道縱向樁身上的等長焊縫進行焊接，以減小因燒焊引起的形變；使用63#工字鋼制作對接胎架，并定期檢查對接胎架是否在同一水平面上。

2.2.2 箱型樁組合加工

鋼板樁及加強鋼板組合成箱型主要通過組立機及組裝胎架進行校正、定位、點焊固定成型。組立機及胎架上均設有傳送軸承，依次將底面加強鋼板、底面原材鋼板樁、頂面原材鋼板樁、頂面加強鋼板放置于組裝胎架上，鋼板樁及加強鋼板在傳送軸承的驅動下來回移動以調整、校正組合位置直至組合成預設箱型形狀。同時，安排工人于組立機處對合拼完好的箱型組合進行點焊定型（圖4）。

圖4 箱型鋼板樁組合加工

1）組合焊縫自動焊接。鋼板樁組合成箱型后，需對樁身上的縱向6道組合焊縫進行焊接，由于焊縫工作量大且質量要求高，決定使用埋弧自動焊進行焊接，以保證焊接質量、提高加工速度。由于埋弧焊中焊劑和熔渣不僅可防止空氣中的氮、氧侵入熔池，而且熔池凝固較慢，使液態金屬與熔化的焊劑間有較多時間的冶金反應，從而降低了焊縫中產生氣孔、裂紋等缺陷的可能性。焊劑還可以向焊縫滲合金，提高焊縫金屬的力學性能以及成型美觀感。埋弧自動焊所用焊接電流大，加上焊劑和熔渣的隔熱作用，熱效率高，熔深大，單絲埋弧焊在焊件不開坡口的情況下，一次可熔透20 mm，焊接效率高。同時焊接過程的機械化操作顯得更為便利，而且煙塵少，沒有弧光輻射，勞動條件得到很大的改善[1-4]。

2）鋼板樁接長。將2節箱型鋼板樁進行對接，長度分別為11.7 m和13 m，選取其中一節鋼板樁，將其對接端頭外側開設坡口。構件的坡口采用氣刨機加工。坡口形式應符合焊接標準圖要求。坡口面應無裂紋、夾渣、分層等缺陷（圖5）。氣刨機開制坡口時的切割速度應適當，使斷面平整無瑕。然后，由專項質檢員進行100%的切口、直線度等外觀檢查。焊接施工前，將2節箱型鋼板樁（11.7 m＋13 m）放入胎架中，先行調直（豎直方向通常采用水平尺來檢測），以保證鎖口平直并行，不扭曲、彎曲或突變。當在胎架中調直合格后，先點焊加固再進行對接焊接，對接焊接完成后加焊駁口處的加強鋼板。最后，送交檢驗，進入施工環節。

圖5 鋼板樁接長

3 鋼板樁施工方法

分兩組機背靠背施打作業，由于鋼板樁轉角位為90°轉彎，無法通過原有鎖口進行鋼板樁的固定，因此本工程采用2條鋼板樁軸線調整法施打，在轉角施工處外側進行鉆孔灌漿以堵截地下水（圖6）。

圖6 鋼板樁90°轉彎角位置處理示意

傳統的鋼圍護樁均采用屏風式施打法，需在地面安裝設置雙面雙層導向架，以準確控制樁的平面位置，所以若采用屏風打法，全長24.7 m的鋼板樁需在現場第1節鋼板樁施打完成后進行第2節鋼板樁跟第1節鋼板樁的直立對接工作。但由于箱型鋼板樁直立對接時鎖扣及鎖扣附近處很難完整焊接（本項目鋼板樁對接口仍在基坑深度范圍內），故不滿足本項目要求。

本工程選擇采用單樁打入法，即從鋼板樁墻的一角開始，逐樁打設，直至工程結束。

全長24.7 m箱型鋼板樁一次性完成施打，須有效控制鋼板樁的垂直度和平面位置，避免傳統單樁打法中易使板樁向一側傾斜、誤差積累后不易糾正、只適用于鋼板樁墻要求不高且板樁長度較小的情況等缺點。

采用多功能鉆機搭配足夠高度的桅桿以一次性完成鋼板樁的施打，充分利用了多功能鉆機自有高樁架的導向作用，使鋼板樁沿著既定的軌道下沉，沉樁的垂直度得到有效的控制。地面導向架有效控制成樁的平面位置，使鋼板樁墻的總體施工精度得到大大提高。因此，采用液壓振動錘配合多功能鉆機施打箱型復合鋼板樁，突破了單樁打入法的限制[5-7]。

3.1 導向架制作

1）導向架有足夠的強度和剛度，打樁時樁的軸線偏差和傾斜要靠導向架來控制。

2）導向架每組長為12.0 m，寬2.0 m，主要用200#工字鋼作支架及305#工字鋼作導軌。導向支撐點采用Ⅲ號閘板，打入土層6 m深，作為臨時固定支撐點。

3）一組導向架可以滿足插打10根鋼板樁施工需要。計劃現場每臺機械配備兩組導向架作為循環使用（圖7）。

圖7 導向架施工示意

3.2 鋼板樁打設

本工程采用單樁打入法，雖施工簡便，且速度快，但單塊打入易向一邊傾斜，誤差積累不易糾正。因此，在打樁過程中為保證鋼板樁的垂直度，用2臺經緯儀加以控制，每組機械各配一臺。開始打設的第1、2塊鋼板樁的位置和方向應確保精確，以便起到導向樣板作用，施打過程中保持垂直度監測；打至預定深度后立即用鋼筋或鋼板與圍檁支架電焊作臨時固定。本工程鋼板樁長度為24.7 m，根據地質情況結合以往的施工經驗，利用振動鉗插入鋼板樁并振沉至一定深度后，鋼板樁可能無法繼續下沉，這時改用液壓打樁錘進行施工，但需在鋼板樁上安裝樁帽進行套打。

3.3 施工進度安排

合約要求鋼板樁施打所需總工期為150 d，且工地邊上有個直升機維修中心，直升機升降時段不能施工，同時考慮天氣等因素影響，故采用2組機同時施工作業，每組機再采用2套導向架，作為施打鋼板樁固定架循環使用。這樣，每一個導架內可以施打10根鋼板樁（圖8）。

圖8 箱型鋼板樁施工

4 效益分析

工程實踐表明，在施工現場搭建鋼板樁臨時加工廠，不僅可節省成品箱型鋼板樁運輸費用，而且還可根據現場需要調整加工速度，解決了箱型鋼板樁占用場地和空間較大等問題。

本工程采用液壓振動錘配合多功能鉆機施打鋼板樁是對傳統工法的創新，在離島醫療綜合體綜合醫院及輔助設施大樓樁基礎工程實踐中，突破了單樁打入法只適用于鋼板樁墻要求不高且板樁長度較小這一情況的限制，彌補了屏風打入法中鎖扣焊接困難的缺陷，發揮了較好的工程效益。本工程實際施工工期為120 d，比原計劃提前了30 d完成。實際施打箱型鋼板樁1 168根，平均每組每天施打5根鋼板樁，最高記錄一組一天可施打12根鋼板樁。