鋼板樁在海域沉樁過程中的垂直度控制

上海市基礎工程集團有限公司 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。整個圍堰東西向長168 m，中心線周長約535.4 m，為迄今為止該電廠項目最大的排水口圍堰工程。圍堰鋼板樁采用拉森WRU26型，外排鋼板樁頂標高為+6.0 m，最大樁長28.5 m；內排鋼板樁頂標高為+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#型槽鋼。圍堰形成后在內側施工水泥土攪拌樁，形成圍堰基坑的圍護體系，后續進行基坑開挖施工內部結構。

根據地質勘查報告描述：圍堰跨越2 種地貌單元，分別為基巖區及海灘區。西側基巖區向東逐步過渡到海域，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，分布相對穩定，具不同的結構強度，其他地層多呈透鏡體產出，層位不穩定。第①3層流泥、第②層淤泥、第③層黏土超固比＜1，為欠固結土，具高壓縮性。其余為正常—超固結土，具中等壓縮性。

2 沉樁準備

2.1 沉樁設備

根據該區域海域環境及施工要求，選用2 000 t平甲板駁船，利于提高海域作業的平穩性；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。錘型選擇應根據地質條件、沉樁深度、樁型等因素確定[1,2]。本工程所在區域地層分布主要為軟弱土，鋼板樁入土深度范圍無硬土層，選用DZ90A振動錘進行沉樁。

2.2 沉樁平臺

導樁及作業平臺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向，使鋼板樁始終沿著設計軸線排列；其次，通過在導樁上設置一些限位措施，對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量；同時，也為施工人員提供海上作業平臺。導樁及作業平臺必須保證準確性，利用岸上平面控制網對導樁進行定位，導樁在沉樁過程中可能產生一定偏移，可通過導梁、作業平臺進行微調。導樁及作業平臺必須穩定，并具備一定強度，防止在鋼板樁插打過程中與其碰撞產生變形。

圖1 導梁及作業平臺示意

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

3 鋼板樁沉樁

鋼板樁沉樁方法有單獨打入法和屏風法等[3]。綜合比較，決定采用單獨打入法。

通過對鋼板樁在沉樁過程中貫入速度、貫入狀態等分析，將沉樁分為幾個階段：

（a）依靠鋼板樁以及振動錘的自重，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。該層在宏觀上表現特征為自然狀態下強度極低、有流動性、失水后強度高。

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

（c）進入③層黏土時，沉樁速度明顯下降，約為3 m/min，振動錘電流逐步上升。隨著沉樁深度的增加，鋼板樁發生一定量的傾斜。

（d）在基巖淺埋段，樁底在進入基巖附近，貫入度很小，振動錘上跳強烈，鋼絲繩帶動履帶吊把桿大幅度抖動，振動錘的電流突變增大。經與地質剖面圖核對，樁底位于層粉質黏土混角礫層中，未有明顯貫入。后選擇DZ120A振動錘進行試沉，振動錘跳動明顯，甚至出現鋼板樁底口卷邊的現象，也無法貫入層中。最終沉樁的樁底控制以該層為止。

4 沉樁質量控制

4.1 沉樁垂直度偏差分析

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

（a）振動錘由于偏心作用力，在運行的同時會產生一定幅度的自轉，導致鋼板樁在沉樁過程中發生扭曲，引起垂直軸向的偏移；

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

（c）鋼板樁鎖扣對準后，另一側相對自由，在沉樁過程中由于擠土作用，容易起垂直軸向的偏移；

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

4.2 沉樁垂直度改進措施

針對上述原因，作出具體措施，對鋼板樁沉樁時垂直度控制進行了相應改進。

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

圖2 振動錘平衡裝置示意

（b）鋼板樁鎖口之間有一定的自由旋轉角度，通過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偏移過大；限位滑輪及橫檔采用滾動軸，減小下樁過程中的摩擦力（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，成樁過程中一側受到相鄰鎖口的限制，另一側相對自由，受土壓力的擠壓，相對自由部分的鋼板樁會產生變形，造成了鋼板樁上大下小的形狀，而且越深的位置變形越大。通過在鋼板樁兩口間設置橫向翼板，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）在累計垂直度偏差達到設計允許值時，可采用異形樁進行糾偏。在現場加工條件允許的情況下，可利用原有鋼板樁進行制作，從中間進行氣割，然后焊接成上小下大的形狀進行調整。鋼板樁切割后焊接，需輔板進行補強，防止在焊口強度降低造成鋼板樁整體變形。根據垂直度偏差大小，異形樁的兩邊不平行邊的夾角盡量控制在1.0%～1.5%，并且通過多次糾偏的方式進行調整。

圖4 鋼板樁增加翼板減少扭轉

（e）充分利用本海域的地質條件，在成樁過程中，振動錘夾緊鋼板樁后，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程中的變形。

通過上述技術措施的改進，鋼板樁的垂直度得到了有效控制，均在規范控制的范圍內。對于累計下來垂直度偏大的情況，則采取異形柱調整。

5 結語

海域軟弱土鋼板樁施工在振動沉樁時，受到地質水文條件、自身運行等因素影響，將產生垂直度偏差。

本工程通過改進沉樁施工工藝，包括增加振動錘防扭轉配重和鋼板樁沉樁限位裝置、對開口鋼板樁增加翼板以增強其抗扭剛度等措施，有效地提高了鋼板樁的垂直度控制質量和工效。對不同工程，宜根據具體工況條件進行沉樁工藝選擇和過程控制，確保沉樁質量。