組合式鋼板樁施工技術(shù)在美洲深水碼頭改造中的應(yīng)用

李景寶+張利軍

摘 要：目前大部分鋼板樁施工普遍采取陸上施工方式，樁頂標(biāo)高位于地面以上，但在樁頂標(biāo)高位于深水的情況下，傳統(tǒng)施工方法無法滿足要求。本文以智利圣安東尼奧碼頭三號(hào)泊位南側(cè)擴(kuò)建工程為例，講述了水下組合式鋼板樁在碼頭邊坡防護(hù)中的施工技術(shù)，包括工藝特點(diǎn)、工藝原理、送樁器和導(dǎo)向架的設(shè)計(jì)以及鋼板樁的打設(shè)與水下成型。該工藝的成功實(shí)施，為國內(nèi)外碼頭港口改造及水下岸坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)和施工可行性提供了參考，對類似工程有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：組合式鋼板樁 邊坡防護(hù) 送樁器及導(dǎo)向架設(shè)計(jì) 水下成型

1.引言

近年來，在水運(yùn)船舶大型化、現(xiàn)代化和物流運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅速的情況下，要求港口設(shè)施隨之向深水化、大型化發(fā)展，目前許多老舊碼頭及港池條件無法滿足大型船舶的?？恳?。在海岸線資源有限和深水泊位數(shù)量不足的現(xiàn)狀下，對老舊碼頭和港池改造升級(jí)成為了必然選擇，而現(xiàn)有岸坡防護(hù)是改造升級(jí)的必要條件。

2.工程概況

智利圣安東尼奧國際集裝箱碼頭是智利最大的集裝箱碼頭，現(xiàn)有港池水深-12m，業(yè)主為增加碼頭靠泊能力，計(jì)劃將現(xiàn)有港池疏浚至-15m，需要在碼頭前沿下方打設(shè)一排鋼板樁以保護(hù)現(xiàn)有岸坡的穩(wěn)定性。

鋼板樁為H型組合式鋼板樁，分為C1型及C23型兩種規(guī)格，其中C1型鋼板樁數(shù)量為303根，長度為10m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-22m；C23型鋼板樁數(shù)量為604根，長度為5m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-17m， C1及C23型鋼板樁按照單雙樁交替形式布置，鋼板樁之間設(shè)置鎖口連接，在板樁迎水側(cè)鎖口連續(xù)布置，在背水側(cè)僅在C2及C3型鋼板樁間設(shè)置鎖口。

樁位及垂直度要求：距離碼頭前沿，誤差范圍在0～10cm之間；橫縱向垂直度，誤差范圍±0.5%；標(biāo)高誤差范圍±2cm。

3.工藝特點(diǎn)

（1）本工藝采用陸上分組拼裝，設(shè)計(jì)了組裝架，組裝時(shí)對組合樁組進(jìn)行點(diǎn)焊連接處理，實(shí)現(xiàn)鋼板樁樁組整體吊裝，減少水下施工工作量，有效避免了鋼板樁組在吊裝過程中發(fā)生滑動(dòng)、扭曲，對樁位控制較好；

（2）本工藝設(shè)計(jì)了可移動(dòng)可調(diào)節(jié)的沉樁導(dǎo)向架，用來進(jìn)行鋼板樁組水下安裝及沉樁導(dǎo)向，有效地控制了鋼板樁組的平面位置與垂直度；

（3）本工藝設(shè)計(jì)了夾壁式與插套式結(jié)合的送樁器，可同時(shí)進(jìn)行雙樁與單樁的沉設(shè)施工，避免了在施工過程中兩種送樁器交替使用。該送樁器長20m，有效解決了水下14m鋼板樁沉設(shè)施工的要求。

4.工藝原理

本項(xiàng)目鋼板樁沉樁施工的工藝原理主要為陸上組裝板樁墻，水下潛水輔助吊裝，液壓沖擊錘跳打。核心內(nèi)容為錘型選擇、水下沉樁送樁器設(shè)計(jì)以及沉樁導(dǎo)向架的應(yīng)用。

4.1錘型選擇

打樁錘選型。本項(xiàng)目選用HHP8型液壓沖擊錘進(jìn)行沉樁施工，主要考慮如下：

①液壓沖擊錘比柴油錘更加先進(jìn)，具有沉樁力作用時(shí)間長，有效貫入能量大；沖擊力的大小可調(diào)節(jié)，沖擊能量損失較柴油錘小，不易打壞樁頭并且能適應(yīng)不同地質(zhì)；無廢氣污染及噪聲、振動(dòng)等公害等優(yōu)點(diǎn)；

②前期項(xiàng)目施工時(shí)當(dāng)?shù)厥┕挝皇褂玫拇驑跺N為德國德爾瑪克D30柴油錘，打擊能量為48～03kN.m，HHP8型液壓沖擊錘的最大打擊能量為120kN.m，根據(jù)地質(zhì)資料顯示，鋼板樁已完成區(qū)域與待建區(qū)域地質(zhì)相同，選用HHP8型樁錘滿足沉樁需要；

③ 沖擊式沉樁比振動(dòng)式沉樁的優(yōu)點(diǎn)在于可減少沉樁時(shí)對周圍土體的擾動(dòng)，從而減少在沉樁時(shí)帶動(dòng)上根樁下沉的可能性。

4.2送樁器設(shè)計(jì)

考慮到鋼板樁需要在現(xiàn)有碼頭面層上進(jìn)行水下打設(shè)，且鋼板樁為組合式，有鎖扣連接，因此送樁器選用與工程樁相同的鋼板樁制作，長度為21m，送樁器重約12.5t，C1型與C23型送樁器通用，送樁器鎖口通長設(shè)置，設(shè)置位置與其匹配的鋼板樁相同，如圖1所示。

4.3導(dǎo)向架設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目導(dǎo)向架共兩套，一套為組裝導(dǎo)向架，一套為沉樁導(dǎo)向架。設(shè)計(jì)如圖2所示。

5.鋼板樁施工技術(shù)5.1坡腳開挖

根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖紙要求，現(xiàn)有海床標(biāo)高在-12m標(biāo)高處，從原海床面向下清理出一個(gè)順碼頭縱向通長，寬度為1.5m，深度為60cm的溝槽即滿足施工要求。

溝槽塊石清理施工采用垂直臂液壓抓斗挖泥機(jī)站于碼頭前沿進(jìn)行。開挖完成后，潛水下水檢查塊石是否清理干凈。

5.2組裝及安裝鋼板樁

兩根C1和兩根C23型鋼板樁設(shè)為一組，使用75t履帶吊陸上起吊并安放至組裝導(dǎo)向架內(nèi)，對好鎖口進(jìn)行組裝，完成后對相互間的鋼板樁點(diǎn)焊處理，進(jìn)行整體吊裝。

吊機(jī)緩慢吊起鋼板樁組，起吊高度超出組裝導(dǎo)向架0.5m，使之與組裝導(dǎo)向架分離，之后吊機(jī)旋轉(zhuǎn)調(diào)整鋼板樁到打樁導(dǎo)向架位置，潛水人工配合使待打板樁與上一根已經(jīng)施打完成板樁鎖口對齊，之后緩慢落鉤完成板樁插樁。

5.3送樁器安裝

送樁器使用現(xiàn)有相同型號(hào)的鋼板樁制作，潛水水下將送樁器下端的卡槽卡進(jìn)鋼板樁的腹板內(nèi)（單樁）或兩腹板之間（雙樁），完成鋼板樁與送樁器的夾樁連接。

5.4鋼板樁沉樁

插樁完成后，吊機(jī)小鉤起吊吊籃人工完成解鉤，之后吊機(jī)起吊液壓錘，使錘下方的錘筒對齊并套在送樁器頂部的替打上，啟動(dòng)液壓錘開始沉樁。

打樁前必須在檢查導(dǎo)向架是否固定牢固，以維持導(dǎo)向架打樁過程保持平衡狀態(tài)，并調(diào)校導(dǎo)向架處的水平位置。

沉樁順序：首先，將安裝好的鋼板樁組1號(hào)、3號(hào)C1型鋼板樁打樁5m，之后將2號(hào)、4號(hào)C23型鋼板樁沉樁完成，最后再將1號(hào)、3號(hào)C1型鋼板樁打設(shè)至設(shè)計(jì)標(biāo)高。完成后進(jìn)行下一組鋼板樁的安裝及打設(shè)。

5.5水下切割及彎折成型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為確保停靠在泊位上的船舶安全，需要對已完成的鋼板樁進(jìn)行切割及彎折處理。切割由潛水水下進(jìn)行，采用BROCO水下切割系統(tǒng)進(jìn)行，保證切割安全。

切割完成后，采用自制鋼板樁彎折器將海側(cè)的板進(jìn)行彎折，彎折擬采用75t履帶吊進(jìn)行，受力計(jì)算情況如下：

H型鋼板樁鋼材的質(zhì)量等級(jí)應(yīng)為ASTM A 572 Gr.50等級(jí)，其屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為355N/mm2、480N/ mm2，鋼板樁折彎時(shí)，可將其簡化為一端固定，另一端活動(dòng)的懸臂結(jié)構(gòu)。

當(dāng)受彎截面最大正應(yīng)力大于屈服極限時(shí)，即：σmax=σx，鋼板樁被彎折翼板將發(fā)生彎曲變形。被彎折的翼板所受到的彎矩為：M=dF

Wx—彎曲截面系數(shù)；

M—被彎板所折翼受的彎矩；

σx—該種鋼材的屈服強(qiáng)度。

按照最不利情況考慮，將切割后的鋼板樁截面簡化為矩形截面，其彎曲截面系數(shù)為

則彎折鋼板樁時(shí)需要吊機(jī)提供的力需大于1.145t。

75t履帶吊小鉤能夠提供6t的豎直向上的力，滿足施工要求。

6.效益分析

6.1社會(huì)效益

組合式鋼板樁打樁及水下成型技術(shù)的成功實(shí)施，對于岸坡防護(hù)或者地基加固的水下鋼板樁施工以及陸上H型鋼板樁施工都具有一定的指導(dǎo)意義。該工藝可提升施工單位鋼板樁施工水平，同時(shí)也帶動(dòng)了相關(guān)機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)制造。

6.2經(jīng)濟(jì)效益

該工藝采用了陸上組裝導(dǎo)向架和沉樁導(dǎo)向架，有效提高了鋼板樁拼裝、打設(shè)的質(zhì)量和效率，大量減少了機(jī)械設(shè)備和人工的投入，進(jìn)而降低了造價(jià)；同時(shí)大量減少了潛水水下施工工作量，確保了水下施工作業(yè)人員的安全。

7.結(jié)論

組合式鋼板樁施工技術(shù)在智利圣安東尼奧國際集裝箱碼頭工程中得到了成功應(yīng)用，在業(yè)主提供的80個(gè)有效工作日內(nèi)完成了907根的鋼板樁施工任務(wù)，一次打設(shè)質(zhì)量合格率達(dá)100%，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。該施工技術(shù)，成功解決了水下施工質(zhì)量難以控制的問題，為該類樁基工程施工提供了技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]JTS 257-2008.水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社，2008.

[2]江正榮.建筑施工計(jì)算手冊（第2版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.