濱海雙排寬幅長(zhǎng)懸臂鋼板樁圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

熊昊翔

（深中通道管理中心，廣東 中山 528400）

0 引言

圍堰形式由前期較為傳統(tǒng)的木樁圍堰、土方圍堰、拋石圍堰逐步發(fā)展為鋼結(jié)構(gòu)圍堰[1]。其中，又以鋼板樁圍堰在實(shí)際工程中應(yīng)用較多[2-4]。相比于傳統(tǒng)圍堰，鋼板樁圍堰具有施工速度較快、容許變形能力大、占用水域面積小、對(duì)生態(tài)環(huán)境影響及破壞弱等優(yōu)勢(shì)[5-7]。近年來，隨著基坑深度及圍堰規(guī)模的增加，單排鋼板樁圍堰頂部水平位移大、抗彎能力差的缺點(diǎn)進(jìn)一步凸顯[8]，此時(shí)雙排鋼板樁便應(yīng)運(yùn)而生，應(yīng)用也越來越普遍。由于雙排鋼板樁受力情況復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究主要集中在穩(wěn)定性分析方面[9-10]，而針對(duì)鋼板樁施工過程中的工序安排、精度控制、合龍方法等關(guān)鍵技術(shù)的探討較少，在濱海地區(qū)進(jìn)行雙排長(zhǎng)懸臂鋼板樁的施工研究則更為鮮見[11]。

深中通道采用在主線設(shè)置堰筑段的方式，解決了鋼殼沉管隧道與東人工島主線隧道（含匝道）變寬段對(duì)接問題[12]。本文以深中通道堰筑段圍堰施工實(shí)例為依托，結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)在近岸區(qū)域雙排寬幅鋼板樁施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)，以期對(duì)類似施工環(huán)境下擬采用類似方案的工程設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況及周邊環(huán)境

深中通道主線堰筑段位于深圳寶安機(jī)場(chǎng)南側(cè)約2 km 處，緊鄰福永碼頭[13]。東側(cè)與深中通道東人工島相接，西端與沉管隧道對(duì)接，如圖1 所示。

圖1 臨時(shí)圍堰平面布置圖Fig.1 Layout plan of temporary cofferdam

堰筑段圍堰采用雙排鋼板樁圍堰方案，圍堰軸線長(zhǎng)度約1.39 km，為施工臨時(shí)建筑物，等級(jí)5 級(jí)，里程樁號(hào)K6+511.5—K7+072。雙排鋼板樁間距10 m，采用鋼拉桿（+2.0 m）連接，堰體內(nèi)側(cè)鋼板樁標(biāo)頂高+3.00 m，外側(cè)鋼板樁頂標(biāo)高+6.00 m，樁長(zhǎng)27～35 m。鋼板樁型號(hào)為冷彎U 型750 mm×225 mm×14.5 mm 鋼板樁，鋼材為Q390BZ。

堰體下方存在大量的淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。堰體內(nèi)自海床面以下≥8 m 范圍內(nèi)分層清除表層淤泥、換填中粗砂，并用機(jī)械振密。圍堰外側(cè)采用拋石保護(hù)，圍堰內(nèi)側(cè)≥6 m 范圍內(nèi)分層換填中粗砂。原設(shè)計(jì)典型橫斷面圖如圖2 所示。

圖2 臨時(shí)圍堰原設(shè)計(jì)典型橫斷面圖Fig.2 Typical cross section of the original design of temporary cofferdam

1.2 水文地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地地質(zhì)和水文條件復(fù)雜，工程左右線土層分布不均，巖面起伏較大[14]。地表水主要為海水，位于珠江入?？?，與外海聯(lián)通，海水深度受潮汐影響較大，設(shè)計(jì)高潮位（+2.85 m）與低潮位（-1.28 m）水位差超過4 m。場(chǎng)區(qū)海水退潮到漲潮的時(shí)間間歇較短，約1 h，漲潮與退潮持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，約為4～5 h。鋼板樁打設(shè)區(qū)域海床面-3～-5 m，由上至下依次為淤泥（-4～-10 m）、黏土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（-10～-18m）、殘積粉質(zhì)黏土（-18～-21 m）、全風(fēng)化花崗巖（-21～-25 m）、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（-25～-38 m）。

1.3 工程制約條件及難點(diǎn)

1.3.1寬幅超長(zhǎng)懸臂精度控制

本項(xiàng)目鋼板樁幅寬75 cm，相比傳統(tǒng)的鋼板樁（45 cm）寬度增加了66.7%，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)27～35 m，插入原狀海床面（-3～-5 m）以下12～17 m，懸臂長(zhǎng)度15～18 m。寬幅、長(zhǎng)懸臂特征導(dǎo)致打設(shè)過程中產(chǎn)生縱向偏移后采用傳統(tǒng)方式修正較難。此外，導(dǎo)向架拆除后、堰體填筑前鋼板樁超長(zhǎng)懸臂在外海環(huán)境下隨波浪擺動(dòng)較大。

1.3.2機(jī)場(chǎng)航空限高及近岸水深限制

由于東人工島毗鄰深圳寶安國(guó)際機(jī)場(chǎng)，受機(jī)場(chǎng)航線及飛機(jī)起降的影響，施工允許最大高度為35 m。同時(shí)，受近岸水深（1～5 m）限制，如采用大噸位級(jí)船舶施工需專門疏浚航道，代價(jià)過大。不得不放棄需使用大型、超大型設(shè)備的工藝。

1.3.3毗鄰運(yùn)營(yíng)碼頭

福永碼頭島壁基本平行于堰筑段北側(cè)堰體，直線間距最近約50 m，最遠(yuǎn)約75 m。高速客輪航線與堰筑段北側(cè)堰體平行，船行波對(duì)鋼板樁打樁船穩(wěn)定性、鋼板樁打設(shè)精度會(huì)產(chǎn)生影響。

2 施工工藝及設(shè)備

2.1 工藝流程

本項(xiàng)目鋼板樁以施工船舶作為工作平臺(tái)，打設(shè)流程與傳統(tǒng)方式類似，見圖3。

圖3 鋼板樁施工流程圖Fig.3 Construction flow chart of steel sheet pile

2.2 設(shè)備配備及終錘原則

2.2.1鋼板樁吊運(yùn)

根據(jù)工期計(jì)劃要求，配備3 艘作業(yè)母船，分3 個(gè)工作面同步組織施工，每艘母船上配備1 臺(tái)130 t 履帶吊進(jìn)行鋼板樁吊運(yùn)。

2.2.2鋼板樁插打

根據(jù)工作面地質(zhì)情況，為滿足鋼板樁插打及工期需求，3 艘作業(yè)母船分別配置90 kW 電動(dòng)振動(dòng)錘、120 kW 電動(dòng)振動(dòng)錘+機(jī)械手、135 kW 電動(dòng)振動(dòng)錘+機(jī)械手。

2.2.3終錘原則

原設(shè)計(jì)要求鋼板樁沉樁以樁尖設(shè)計(jì)高程作為主要控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的樁間插打出現(xiàn)火花、鋼板樁上部發(fā)生輕微撓曲等實(shí)際情況，補(bǔ)充終錘。補(bǔ)充終錘的原則為：持續(xù)振動(dòng)30 s 樁尖深度無變化時(shí)停止施工，如距離設(shè)計(jì)高程小于2 m，直接割除；大于2 m，各方現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核后再作決策。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工工序

3.1.1原施工工序

原設(shè)計(jì)中對(duì)圍堰主要施工工序明確如下：表層清淤→打設(shè)雙排鋼板樁→分層同步拋填迎水側(cè)塊石、換填堰體內(nèi)及圍堰內(nèi)中粗砂→施工反壓土坡→安裝鋼拉桿。

3.1.2調(diào)整后施工工序

為滿足特殊氣象條件下施工安全的需求，對(duì)圍堰設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了調(diào)整。主要調(diào)整內(nèi)容為：

1）堰體外側(cè)拋石調(diào)整為回填中粗砂后拋填塊石，塊石厚度為1 m；

2）堰體內(nèi)側(cè)壓腳塊石采用中粗砂替代；

3）土工膜鋪設(shè)的位置由清淤面～+3 m 調(diào)整為原海床面～+3 m。調(diào)整后堰體典型橫斷面如圖4所示。

圖4 臨時(shí)圍堰調(diào)整后典型橫斷面圖Fig.4 Typical cross section of temporary cofferdam after adjustment

同時(shí)，對(duì)施工工序進(jìn)行了細(xì)化和調(diào)整。具體調(diào)整為：

表層清淤→換填中粗砂至原海床面→打設(shè)雙排鋼板樁→外排鋼板樁外側(cè)砂肋軟體排、袋裝碎石和袋裝土護(hù)頂、200～300 kg 塊石拋填及內(nèi)外排鋼板樁之間土工膜鋪設(shè)→安裝鋼拉桿→同步分層回填堰體內(nèi)中粗砂至標(biāo)高-2.0～+1.0 m→根據(jù)土層情況，加固堰體下方軟弱下臥層→回填堰體至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.2 鋼板樁糾偏

3.2.1測(cè)量定位

采用RTK-GPS 定位系統(tǒng)，在鋼板樁打設(shè)前測(cè)定導(dǎo)向架位置；在鋼板樁打設(shè)過程中，根據(jù)測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)，將控制點(diǎn)引測(cè)至鋼板樁縱向軸線附近福永碼頭上，在福永碼頭控制點(diǎn)設(shè)置全站儀，采用前方交會(huì)，用全站儀十字絲測(cè)量樁的垂直度。

3.2.2橫向糾偏

橫向偏差主要是由測(cè)量誤差以及鋼板樁入水后樁尖偏離原定位置所導(dǎo)致。在本項(xiàng)目中，采用在鋼板樁軸線上設(shè)置導(dǎo)向架的方式對(duì)鋼板樁進(jìn)行橫向糾偏。

導(dǎo)向架立柱樁采用4 根長(zhǎng)24 m，直徑609 mm、壁厚12 mm 的鋼管，打入土層約8 m；導(dǎo)向架采用[ 400、長(zhǎng)12 m 型鋼，在母船甲板加工廠制作、組裝成整體，兩側(cè)橫梁與鋼管立柱采用焊接方式連接。

導(dǎo)向架安裝示意圖如圖5 所示。

圖5 導(dǎo)向架安裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of guide frame installation

3.2.3縱向糾偏

逐根打設(shè)時(shí)，以第一根鋼板樁為垂直導(dǎo)向。由于鋼板樁為單側(cè)受力，一側(cè)存在摩擦，一側(cè)無約束，兩側(cè)受力不均易導(dǎo)致鋼板樁向無約束側(cè)傾斜。因此，用鋼筋將已插打鋼板樁上部懸臂區(qū)焊接成一個(gè)整體，防止鋼板樁鎖扣部位松脫。同時(shí)，往一個(gè)方向施工一段時(shí)間后，采取反方向新開工作面施工，以對(duì)整體垂直度進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)鋼板樁沿圍堰軸線方向產(chǎn)生過大傾斜時(shí)，通常采用楔形板樁進(jìn)行調(diào)整，傳統(tǒng)方案如下：

方案一：采用2 根鋼板樁，將鋼板樁一側(cè)翼板割除，割除后鋼板樁重新搭接焊，一端搭接多一端搭接少，重新焊接鋼板樁為上小下大。鋼板樁內(nèi)、外側(cè)采用角焊縫滿焊。

方案二：采用2 根鋼板樁，將鋼板樁一側(cè)翼板割除并在凸面加焊厚1.5 cm 的梯形鋼板，焊接成上小下大的鋼板樁。

本項(xiàng)目鋼板樁長(zhǎng)度超過27 m、幅寬75 cm，采用傳統(tǒng)糾偏方式存在角度難以精確預(yù)加工、橫向焊縫易拉裂等難題。創(chuàng)新性地采取方案三“鎖口鋼管樁+水下不擴(kuò)散混凝土”的方式（圖6）進(jìn)行縱向糾偏。即采用直徑630 mm、壁厚10 mm 的鋼管樁，一側(cè)開口一側(cè)焊接半邊鋼板樁，將傾斜鋼板樁包入鋼管樁內(nèi)，鋼管樁內(nèi)自樁頂至原海床面澆筑水下不擴(kuò)散混凝土，鋼管樁外采用縱向鋼搭板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)連接，自海床面至樁底在堰體形成后施作止水措施，以形成有效咬合確保結(jié)構(gòu)整體受力及止水。

圖6 異形樁施工圖Fig.6 Construction drawing of special-shaped pile

3.3 合龍方案

相比于內(nèi)湖施工，濱海環(huán)境水位直接受漲落潮影響，在特殊天氣條件下，考慮浪高時(shí)項(xiàng)目所在地日內(nèi)水位差超過6 m。同時(shí)，堰體鋼板樁長(zhǎng)懸臂直接為臨水狀態(tài)，無法采用傳統(tǒng)的“鋼板樁縱向搭接+旋噴止水”方案。因而，對(duì)合龍時(shí)機(jī)及合龍方案的選擇均提出了較高的要求。

3.3.1合龍時(shí)機(jī)選擇

根據(jù)水文觀測(cè)情況，落潮到漲潮間隔時(shí)間短，漲潮到落潮間隔時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，為減少因水位變化帶來的瞬時(shí)壓力差而引起樁頂水平位移，在鋼板樁打設(shè)至合龍口后，結(jié)合海洋氣象預(yù)報(bào)信息，選擇漲潮到落潮的時(shí)間區(qū)間進(jìn)行合龍鋼板樁施工。同時(shí)，考慮堰體設(shè)計(jì)為鋼板樁外高內(nèi)低+內(nèi)側(cè)設(shè)反壓土坡的形式，為避免合龍后因退潮導(dǎo)致堰內(nèi)水位高于堰外，對(duì)鋼板樁堰體產(chǎn)生側(cè)向壓力，最后合龍時(shí)機(jī)原則上選擇低潮位進(jìn)行合龍?zhí)庝摪鍢斗饪凇?/p>

3.3.2合龍具體操作

在封口鋼板樁打設(shè)時(shí)，鋼板樁兩側(cè)鎖口有平行、不平行等多種情況，需采取針對(duì)性措施。

1）合龍口兩側(cè)鋼板樁軸線及接口均平行時(shí)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)判鋼板樁最后合龍時(shí)的狀態(tài)，通過測(cè)量合龍口長(zhǎng)短的方式?jīng)Q定封口鋼板樁的寬度。

2）鋼板樁懸臂較長(zhǎng)，在風(fēng)浪作用下出現(xiàn)兩側(cè)接口輕微不平行的狀況，此時(shí)需通過外力使鋼板樁小角度偏轉(zhuǎn)，促使兩側(cè)鋼板樁平行后進(jìn)行合龍。

3）若鋼板樁軸線及接口均不平行，同時(shí)又存在縱向傾斜的情況時(shí)，采用異形鋼管樁（方案三）進(jìn)行合龍。

3.4 監(jiān)控量測(cè)

3.4.1測(cè)量方案

受限于近岸水上作業(yè)，鋼板樁軸線偏差測(cè)量以人工手持RTK 沿鋼圍檁走道板進(jìn)行測(cè)量。

鋼板樁水平位移過程變形采用在鋼板樁頂板安裝小棱鏡等措施進(jìn)行測(cè)量。測(cè)點(diǎn)布設(shè)水平間距約為20 m，部分區(qū)域測(cè)點(diǎn)加密至約10 m。主要對(duì)鋼板樁頂部位移進(jìn)行測(cè)量。

3.4.2測(cè)量數(shù)據(jù)

測(cè)量數(shù)據(jù)反映出鋼板樁打設(shè)過程在導(dǎo)向架控制下，實(shí)測(cè)軸線與設(shè)計(jì)軸線偏差基本控制在10 cm 以內(nèi)。但在合龍口、堰體成型過程中及臺(tái)風(fēng)前后，鋼板樁長(zhǎng)懸臂受潮水變化、回填順序及軟弱地層影響明顯，樁頂出現(xiàn)較大的水平位移。

1）合龍口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。受圍堰封閉時(shí)內(nèi)外海水落差、合龍時(shí)吸力及合龍口自由端擺動(dòng)影響，合龍口附近鋼板樁在合龍后呈現(xiàn)樁頂明顯向堰內(nèi)傾斜的特征。其中內(nèi)排鋼板樁頂部向內(nèi)傾斜最大位移約56 cm，外排鋼板樁頂部向內(nèi)傾斜最大位移超過1 m，此后基本穩(wěn)定保持該傾斜狀態(tài)。

2）堰體形成期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。自鋼板樁打設(shè)完成至圍堰外側(cè)反壓、雙排鋼板樁間填砂完成，該階段絕大部分區(qū)域鋼板樁頂部位移小于10 cm，但局部淤泥層較厚且未進(jìn)行完全清淤的地層軟弱區(qū)域鋼板樁變形較為明顯，鋼板樁頂部水平位移最大達(dá)到45 cm。

3） 臺(tái)風(fēng)前后變形數(shù)據(jù)。在鋼板樁實(shí)施過程中，臺(tái)風(fēng)“山竹”（14 級(jí)）對(duì)施工區(qū)域造成直接影響，臺(tái)風(fēng)登陸前，鋼板樁完成約70%，且受海砂供應(yīng)及工序制約，部分區(qū)域未形成完整堰體。臺(tái)風(fēng)前，已完成鋼板樁與設(shè)計(jì)軸線偏差在10 cm 以內(nèi)；臺(tái)風(fēng)后，未形成堰體區(qū)域在風(fēng)浪流等多重因素影響下，鋼板樁長(zhǎng)懸臂端出現(xiàn)撓曲，頂部最大位移超過1 m。

4 結(jié)語

深中通道堰筑段采用雙排寬幅、長(zhǎng)懸臂鋼板樁圍堰筑島，采取一系列技術(shù)措施解決了精度控制、縱橫向糾偏、合龍等技術(shù)難題，對(duì)施工工序進(jìn)行了優(yōu)化及總結(jié)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可知：

1）雙排鋼板樁堰體容許變形能力強(qiáng)，在濱海區(qū)域鋼板樁圍堰受潮位及風(fēng)浪影響顯著，施工運(yùn)營(yíng)周期長(zhǎng)時(shí)需重點(diǎn)考慮臺(tái)風(fēng)等不利氣象因素并采取針對(duì)性措施，如在堰體中增設(shè)橫向隔斷形成子圍堰或采用剛度更大的臨時(shí)圍堰方案，如鋼管樁圍堰。

2）采用“清淤后先回填砂再打設(shè)鋼板樁”方案替代“清淤后直接打設(shè)鋼板樁”，減小了鋼板樁自由端長(zhǎng)度，較好地控制水平位移。因此，建議在后續(xù)采用類似工法的工程中優(yōu)先選用“先填筑后打樁”的施工方案。同時(shí)，堰體回填過程受多種因素影響，局部仍發(fā)生了較大的初始水平位移，原則上應(yīng)對(duì)下臥淤泥完全清除。

3）鋼管樁糾偏異型樁，可有效解決鋼板樁傾斜及合龍問題，保證鋼板樁垂直度的同時(shí)避免鎖扣出現(xiàn)撕裂情況。

4）合龍口鋼板樁易受圍堰封閉時(shí)潮水吸力、內(nèi)外海水落差及合龍口自由端擺動(dòng)影響，產(chǎn)生較大的位移，合龍時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在潮位變化平緩的時(shí)段。