淺析HZ1080MB/AZ26-700組合鋼板樁施工技術

扶曉林

(中交三航局第二工程有限公司 上海200122)

淺析HZ1080MB/AZ26-700組合鋼板樁施工技術

扶曉林

(中交三航局第二工程有限公司 上海200122)

根據地質資料的分析結果，合理選擇振動錘、沖擊錘及預鉆孔旋轉開挖設備，分別從AZ26-700輔樁錨點固定方式、導向架制作、替打設計、樁尖焊接樁靴、局部地質遇障礙物或預埋管等方面對HZ1080MB/AZ26-700組合鋼板樁的施工工藝進行優化設計。在合理設計施工工藝及施工順序的基礎上，總結出第1階段振動插樁、第2階段(硬質土層)沖擊沉樁和第3階段(非常堅硬土層)預鉆孔松土(或取土)的聯合沉樁工藝。該工藝經新加坡大士南二期工程施工實踐證明，無論是沉樁效率還是沉樁質量都符合既定目標。

振動錘 輔助設施優化設計 聯合沉樁施工工藝 處理方法和措施

1 工程概況

新加坡大士南二期工程順岸長450,m，頂面高程為5.95,m，前沿海測疏浚標高為-1.0,m。整個順岸碼頭采用單錨碇結構體系，前沿樁基采用HZ1080MB/AZ26-700組合鋼板樁，用低合金鋼高強度拉桿與后方錨碇鋼板樁、錨碇墻及拋石棱體作為錨碇系統。

HZ1080MB鋼板樁承受來自墻后的土體、地下水、地面超載等引起的水平側壓力并承受額外的豎向荷載，作為承重樁。HZ1080MB樁樁頂標高為+1.4,m，底標高為-24.6,m，單根重8.1,t。AZ26～ 700鋼板樁主要起著保證墻體的連續性，同時兼顧擋土與荷載傳遞的作用。AZ26-700鋼板樁頂標高為+0.6,m，底標高為-20.6,m，單根重2,t。碼頭典型斷面如圖1所示。

2 地質資料

新加坡大士南二期場地海床以上部分為2011年左右吹填砂，并采用水下振沖、陸上施打塑料排水板等工藝進行砂體密實。

①松散的粗砂，標高為+6.0～-20,m；②非常堅硬的粉質粘土，標高為-20～-23,m；③非常密實的細泥沙，標高為-23～-25,m(SPT35～SPT65)；④硬粘土質砂質粉土，標高為-25～-30,m(SPT35～SPT65)；⑤不同地質條件下沉樁機械設備適用范圍與地質SPT分布如表1所示。

圖1 #6順岸碼頭典型斷面示意圖Fig.1 Typical section of Wharf #6

表1 不同地質條件下沉樁設備的適用范圍Tab.1 Piling equipment scope in different geological conditions

3 施工機具和附屬設施

3.1 施工機具

3.1.1 液壓振動錘

振動式沉樁、沖擊沉樁等方式目前在港口建設、橋梁施工等領域應用廣泛。隨著港口建筑技術的不斷提高，振動式樁基設備也隨之更新換代。結合相關知識并參閱相關文獻資料，振動錘的選擇必須滿足以下3個基本條件：

①振動錘的激振力0P大于被振沉構件與土的側面動摩擦阻力T；②振動錘系統的總重量Q0大于被振沉構件的端阻力R；③振動系統的工作振幅A0大于振沉構件振沉到設計深度的最小振幅A。

首先，根據樁的類型、尺寸和地質資料計算激振力是否可以克服樁的側面動摩擦阻力，滿足此關系的計算公式如下：

目前沒有統一計算側面動摩擦阻力Tvi的方法，僅采用經驗公式計算，下面(3)、(4)為各土層極限靜側摩擦阻力的總和：

式中：0P為激振力，kN；TV為側面動摩擦阻力之和，kN；U為樁橫斷面周長，m；Hi為第i層圖的厚度，m；Tvi為第i層土的極限動摩擦阻力，2kPa/m；Ni為第i層土層的標準貫入擊數。通過以上公式可計算出土體的側摩動阻力TV，振動加速與土的摩擦阻力降低度的關系曲線如圖2所示。

圖2 振動加速與土的摩擦阻力降低度的關系曲線圖Fig.2 Relational graph of vibration acceleration and soil frictional resistance reduction

其次，計算振動錘沉樁克服樁端阻力，即振動錘系統的總重量Q0大于被振沉構件的端阻力R，滿足此關系的計算公式如下：

粘性土的樁端動阻力：

砂性土的樁端動阻力：

式中：Rv為樁端動阻力，kN；N為樁沉入深度土層的最大標準貫入擊數；F為樁的橫截面面積，2m；e為自然對數的底；I為振動錘的動量，kg；k為偏心力矩，kg? m；ω為振動錘負荷軸角速度，即頻率，l/s；g為重力加速度，2m/s。

最后，計算振動錘振動系統A0和被振沉構件振到設計深度的最小振幅A，可根據如下經驗公式進行粗略估算：

以上部分參數可以直接在振動錘技術規格書中查閱，其余數據根據所列公式進行計算，反復求證，直至滿足選擇振動錘的3個條件為止。綜合以上信息，本工程選用APE400型振動錘，詳細資料如表2所示：

表2 APE400型振動錘技術規格一覽Tab.2 Specification list of APE400 vibration hammer

3.1.2 液壓沖擊錘

綜合上述信息，本工程液壓沖擊錘選用15,t液壓沖擊錘，參數如表3所示：

表3 15,t液壓沖擊錘技術規格一覽Tab.3 Specification list of 15 t hydraulic impact hammer

3.1.3 起重設備

起重機臂長必須滿足以下要求：樁長(26,m)＋導架凈高度[從地面到導架上部圍欄高度(5,m)]＋振動錘高度(3,m)＋振動錘吊具高度(2,,m)＋吊車大勾及部分鋼纜繩長度(4,m)，需大于40,m。

選擇起重機噸位必須滿足以下要求：樁重(8.1,t)+錘重(17,t)＋振動錘附屬液壓管重(2,t)＋其他(2,t)，需大于30,t。

綜合以上信息，選用3臺中聯重科QUY200T履帶吊車。

3.2 附屬設施

3.2.1 導向架設計

根據以往鋼板樁施工經驗，必須采用雙層雙向導架開展鋼板樁施工。在本工程中，為HZ1080MB主樁和AZ26-700輔樁間隔設置形式，必須對打樁導向架的剛度、凈高尺寸、限位裝置、輔助措施等進行優化設計。主樁和輔樁布置形式如圖3所示：

圖3 主樁和輔樁布置形式Fig.3 Layout plan of main piles and minor piles

本工程導向架兩層水平架的垂直距離為3.5,m，長度為12,m，定型“H”型鋼，導架上下兩層主梁采用400,mm×400,mm×21,mm×13,mm的“H”型鋼，連接上下兩層采用340,mm×250,mm×22,mm×13,mm的“H”型鋼，4根定位樁采用長度為12,m、直徑為800,mm、壁厚為20,mm的鋼管。HZ1080MB主樁的海側迎水面部位有油漆涂層，導向架內應設置合適的導向系統(見圖4)，避免打樁過程對涂層的損壞(如使用橡膠導輪)。

圖4 導向系統設置示意圖Fig.4 Guide system configuration

3.2.2 樁帽及夾具設計

圖5 HZ1080主樁“T”型鎖口夾Fig.5 “T”Clamps of the HZ1080 piles

圖6 AZ26-700輔樁“八”字型鎖口夾Fig.6 Splayed clamps of the AZ26-700 piles

樁帽主要起著緊固樁頭、保護樁頭及傳遞荷載的作用，在對樁帽設計時需充分考慮以上因素。本工程中對于HZ1080主樁和AZ26-700輔樁采用兩種樁帽設計(見圖5、6)。

4 施工工藝

4.1 施工工藝流程

HZ1080MB主樁和AZ26-700輔樁為連續間隔設置。為了確保主樁和輔樁都滿足設計要求，在具體施工過程中，先施工HZ1080MB主樁，每一個導向架為1單元，先將1單元的主樁全部送至設計標高，然后再施工AZ26-700輔樁，具體施工工藝及步驟如圖7所示：

圖7 HZ主樁和AZ輔樁施工工藝流程圖Fig.7Construction process of the HZ1080MB piles and AZ26-700 piles

4.1.1 施工導向架安裝

施工導向架的安裝要求必須水平放置，確保與定位樁連接可靠，保證在打樁過程中施工導向架不會發生移動或晃動。

4.1.2 HZ1080MB主樁施工

HZ1080MB主樁和AZ26-700輔樁施工順序及導向架示意如圖8、9所示。按照圖9第①步1-2-3-4-5-6的打樁順序，首先使用振動錘將HZ1080MB主樁打入地層一定深度。將導向架內所有的主樁都打入預定標高后，移走導向架，繼續使用振動錘打樁。土層較硬，振動錘打樁困難時換用沖擊錘打樁(見圖8第②步)，將HZ1080MB主樁打入設計標高，最后1根主樁應保留作為下一排樁的第1根樁，確保后續打樁直線度以及主樁之間的距離。

4.1.3 AZ26-700輔樁施工

如圖8中第③步，一個導向架主樁全部施工結束后，接著施工AZ26-700輔樁，并一次性將輔樁送至設計標高。

圖8 HZ1080MB主樁和AZ26-700組合樁施工Fig.8 Construction of HZ1080MB piles and AZ26-700 piles

圖9 HZ1080主樁施工順序Fig.9 Construction sequence of HZ1080 piles

4.2 施工過程中輔助措施

4.2.1 預鉆孔

根據之前地質資料顯示，本工程中有許多部位的地質比較堅硬，常規打樁較為困難，需對部分地質層進行預鉆孔，減小土體阻力，提高打樁效率，如圖10所示：

圖10 地基預鉆孔措施Fig.10 Foundation predrilled measures

4.2.2 樁尖焊接樁靴

組合鋼板樁施工之前將HZ1080MB主樁和AZ26-700輔樁樁尖焊接樁靴，有利于在打樁過程中遇到地質比較堅硬部位順利下沉，減小樁尖阻力，從而起到保護樁頭等作用，如圖11所示：

圖11 樁尖焊接樁靴Fig.11 Pile shoe welding of the pile tip

4.2.3 輔樁鎖口調整允許偏差

在AZ26-700樁出廠時，僅要求對樁頂部位進行壓點，保證AZ26-700輔樁在施工過程中能靈活調節HZ1080MB主樁的打樁偏差，此處主要利用了AZ26-700樁3個鎖口的調節，每個鎖口理論調節角度為8 °，幾種組合體系分別見圖12、13、14、15。

圖12 HZ/AZ組合樁正常組合體系Fig.12 Normal combination of HZ/AZ combined pile

圖13 HZ/AZ組合樁拓寬組合體系Fig.13 Broadened combination of HZ/AZ combined pile

圖14 HZ/AZ組合樁縮窄組合體系Fig.14 Narrowing combination of HZ/AZ combined pile

4.2.4 輔樁位置的可變換性

圖15 HZ/AZ組合樁自行調節組合體系Fig.15 Automatically adjusted combination of HZ/AZ combined pile

在施工HZ1080MB/AZ26-700組合鋼板時，除前面闡述的利用預鉆孔進行土體鉆松，降低樁尖阻力措施外，還有另外一種輔樁設置。當輔樁一側遇到障礙物或者有預埋管道時，可以將輔樁設置在另外一側，以避開障礙物或者預埋管道。

4.2.5 鋼板樁鎖口檢查與矯正

插打鋼板之前封堵鋼板樁下部凹型鎖口，清除鎖口內的雜物，并涂以黃油、黏土、干鋸末等混合物以減少插打時的阻力，并增強防滲能力。選用長度為2,m的鎖口對使用的鋼板樁鋼鎖口進行檢查，遇彎曲、變形及鎖口不合的樁，主要采用以下幾種矯正方法：①表面缺陷矯正；②端部矩形比矯正；③樁體撓曲矯正；④樁體扭曲矯正；⑤樁體截面局部變形矯正；⑥鎖口變形矯正。

5 HZ/AZ組合鋼板樁特性

5.1 規格型號

本工程根據用鋼量、碼頭前沿設計水深以及承載力要求，選擇了HZ1080MB作為主樁，AZ26-700作為輔樁，其具體規格如表4、5所示。

表4 HZ1080MB主樁參數一覽表Tab.4 List of HZ1080MB main pile specifications

表5 AZ26-700輔樁參數一覽表Tab.5 List of AZ26-700 minor pile specifications

5.2 組合鋼板樁體系的靜力學特性

5.2.1 靜力學力學名詞解釋

IHZ：HZ1080MB主樁的慣性矩，cm4/m；

IAZ：AZ26-700輔樁的慣性矩，cm4/m；

B：組合鋼板樁體系的寬度，m；

H：HZ1080MB主樁的斷面高度，m；

I：組合鋼板樁體系的慣性矩，4cm/m；

S：組合鋼板樁體系的截面抵抗矩，3cm/m。

5.2.2 HZ1080MB主樁和AZ26-700輔樁的應力計算

5.3 典型較短輔樁的組合鋼板樁墻體

本工程中HZ1080MB主樁長26,m，頂標高1.4,m，底標高-24.6,m，AZ26-700輔樁長21.2,m，頂標高中0.6,m，底標高為-20.6,m，HZ1080MB主樁比AZ26-700輔樁長近5,m，如圖16所示。

5.4 結構耐久性

HZ1080MB和AZ26-700組合鋼板樁體系在海水中表面氧化腐蝕的結構耐久性遠遠慢于常規的Z型、U型鋼板樁連續墻體，如圖17所示。

圖16 典型組合樁斷面圖Fig.16 Typical section of the combination piles

圖17 組合樁與常規鋼板樁在海水中腐蝕速率對比Fig.17 Corrosion rate comparison of combination piles and conventional steel sheet pile in seawater

6 施工總結

本工程共計HZ1080,MB/AZ26-700組合樁234組，克服施工時潮水影響，施工時間為60,d，樁頭破壞率為2%,，達到設計標高保證率99%,，主樁和輔樁之間脫鎖口、撕裂率為2.5%,。

6.1 施工定位

必須確保導向架定位樁的打入深度，同時確保定位樁的位置、標高及其導向架與定位樁之間連接的穩定性。

6.2 機械設備

根據地質情況、樁型及施工環境選擇適合振動頻率的振動錘、沖擊錘以及旋挖設備。

6.3 預鉆孔措施

實時分析地質資料，對地質堅硬的部位預先開展鉆孔松土措施，確保主樁和輔樁施工順利。

6.4 施工導向架

必須制作一個安全性高、穩定性好、剛度大的施工導向架。

6.5 樁帽(替打)設計

根據施工樁型制作一個能傳遞荷載、保護樁頭、具有一定程度的抗打性能的樁帽(替打)。

6.6 施工順序

嚴格按照前述施工順序進行指導施工。待一個施工導向架主樁全部送至設計標高后再行施工輔樁，并一次性將輔樁送至設計標高。■

［1］ 法國PTC公司. PTC振動沉樁介紹與說明[R]. 2002.

［2］ 美國ICE公司. ICE振動樁機[R]. 2002.

［3］ 歐洲鋼板樁技術協會. 歐洲鋼板樁施工方法[Z].

［4］ 歐洲鋼板樁施工. Arcelor Mittal /ORIENTAL sheet piling[Z]. 2009.

［5］ JTJ 222—87. 港口工程技術樁基規范[S].

［6］ JTS 147-1—2010. 港口工程地基規范[S].

［7］ 中交第三航務工程局第二工程有限公司新加坡大士南船塢二期工程施工組織總設計[Z]. 2013.

Analysis of HZ1080MB / AZ26-700 Combination Steel Pile Construction Technique

FU Xiaolin

(No.2 Engineering Co.，Ltd．of CCCC Third Harbor Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200122，China)

Based on an analysis of geological data，vibration hammer，hammer and rotary drilling pre-excavation equipment were reasonably selected and construction technology of the combination of HZ1080MB / AZ26-700 with steel sheet pile was optimized from the aspects of AZ26-700 auxiliary pile anchor fixation，guide frame production，driving design，pile tip soldering pile shoe，local geology encountered obstacles or embedded tubes．On the basis of the rational design of construction techniques and sequence，this paper summs up a joint pile process including the first phase of vibration instrumentation，the second phase of the impact of hard soil pile and the third stage of pre-drilled holes(or borrow)in very hard soil tillage．This joint pile construction technology has been proved by the phase 2 construction of Singapore Tuas South project as its efficiency and quality of pile sinking were in line with the stated objectives on pile quality.

vibratory hammer；auxiliary facilities design optimization；united pile construction technology；processing methods and measures

U655.4

A

1006-8945(2016)08-0050-07

2016-07-01