組合式鋼板樁施工技術在美洲深水碼頭改造中的應用

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，樁頂標高位于地面以上，但在樁頂標高位于深水的情況下，傳統施工方法無法滿足要求。本文以智利圣安東尼奧碼頭三號泊位南側擴建工程為例，講述了水下組合式鋼板樁在碼頭邊坡防護中的施工技術，包括工藝特點、工藝原理、送樁器和導向架的設計以及鋼板樁的打設與水下成型。該工藝的成功實施，為國內外碼頭港口改造及水下岸坡穩定設計和施工可行性提供了參考，對類似工程有一定的借鑒意義。

關鍵詞：組合式鋼板樁 邊坡防護 送樁器及導向架設計 水下成型

1.引言

近年來，在水運船舶大型化、現代化和物流運輸業發展迅速的情況下，要求港口設施隨之向深水化、大型化發展，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量不足的現狀下，對老舊碼頭和港池改造升級成為了必然選擇，而現有岸坡防護是改造升級的必要條件。

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，現有港池水深-12m，業主為增加碼頭靠泊能力，計劃將現有港池疏浚至-15m，需要在碼頭前沿下方打設一排鋼板樁以保護現有岸坡的穩定性。

鋼板樁為H型組合式鋼板樁，分為C1型及C23型兩種規格，其中C1型鋼板樁數量為303根，長度為10m，設計底標高-22m；C23型鋼板樁數量為604根，長度為5m，設計底標高-17m， C1及C23型鋼板樁按照單雙樁交替形式布置，鋼板樁之間設置鎖口連接，在板樁迎水側鎖口連續布置，在背水側僅在C2及C3型鋼板樁間設置鎖口。

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%；標高誤差范圍±2cm。

3.工藝特點

（1）本工藝采用陸上分組拼裝，設計了組裝架，組裝時對組合樁組進行點焊連接處理，實現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生滑動、扭曲，對樁位控制較好；

（2）本工藝設計了可移動可調節的沉樁導向架，用來進行鋼板樁組水下安裝及沉樁導向，有效地控制了鋼板樁組的平面位置與垂直度；

（3）本工藝設計了夾壁式與插套式結合的送樁器，可同時進行雙樁與單樁的沉設施工，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鋼板樁沉設施工的要求。

4.工藝原理

本項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。核心內容為錘型選擇、水下沉樁送樁器設計以及沉樁導向架的應用。

4.1錘型選擇

打樁錘選型。本項目選用HHP8型液壓沖擊錘進行沉樁施工，主要考慮如下：

①液壓沖擊錘比柴油錘更加先進，具有沉樁力作用時間長，有效貫入能量大；沖擊力的大小可調節，沖擊能量損失較柴油錘小，不易打壞樁頭并且能適應不同地質；無廢氣污染及噪聲、振動等公害等優點；

②前期項目施工時當地施工單位使用的打樁錘為德國德爾瑪克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，根據地質資料顯示，鋼板樁已完成區域與待建區域地質相同，選用HHP8型樁錘滿足沉樁需要；

③ 沖擊式沉樁比振動式沉樁的優點在于可減少沉樁時對周圍土體的擾動，從而減少在沉樁時帶動上根樁下沉的可能性。

4.2送樁器設計

考慮到鋼板樁需要在現有碼頭面層上進行水下打設，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，送樁器鎖口通長設置，設置位置與其匹配的鋼板樁相同，如圖1所示。

4.3導向架設計

本項目導向架共兩套，一套為組裝導向架，一套為沉樁導向架。設計如圖2所示。

5.鋼板樁施工技術

5.1坡腳開挖

根據施工設計圖紙要求，現有海床標高在-12m標高處，從原海床面向下清理出一個順碼頭縱向通長，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站于碼頭前沿進行。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型鋼板樁設為一組，使用75t履帶吊陸上起吊并安放至組裝導向架內，對好鎖口進行組裝，完成后對相互間的鋼板樁點焊處理，進行整體吊裝。

吊機緩慢吊起鋼板樁組，起吊高度超出組裝導向架0.5m，使之與組裝導向架分離，之后吊機旋轉調整鋼板樁到打樁導向架位置，潛水人工配合使待打板樁與上一根已經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

送樁器使用現有相同型號的鋼板樁制作，潛水水下將送樁器下端的卡槽卡進鋼板樁的腹板內（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，吊機小鉤起吊吊籃人工完成解鉤，之后吊機起吊液壓錘，使錘下方的錘筒對齊并套在送樁器頂部的替打上，啟動液壓錘開始沉樁。

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

沉樁順序：首先，將安裝好的鋼板樁組1號、3號C1型鋼板樁打樁5m，之后將2號、4號C23型鋼板樁沉樁完成，最后再將1號、3號C1型鋼板樁打設至設計標高。完成后進行下一組鋼板樁的安裝及打設。

5.5水下切割及彎折成型

根據設計要求，為確保?？吭诓次簧系拇鞍踩?，需要對已完成的鋼板樁進行切割及彎折處理。切割由潛水水下進行，采用BROCO水下切割系統進行，保證切割安全。

切割完成后，采用自制鋼板樁彎折器將海側的板進行彎折，彎折擬采用75t履帶吊進行，受力計算情況如下：

H型鋼板樁鋼材的質量等級應為ASTM A 572 Gr.50等級，其屈服強度與抗拉強度分別為355N/mm2、480N/ mm2，鋼板樁折彎時，可將其簡化為一端固定，另一端活動的懸臂結構。

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

Wx—彎曲截面系數；

M—被彎板所折翼受的彎矩；

σx—該種鋼材的屈服強度。

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，其彎曲截面系數為

則彎折鋼板樁時需要吊機提供的力需大于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社會效益

組合式鋼板樁打樁及水下成型技術的成功實施，對于岸坡防護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意義。該工藝可提升施工單位鋼板樁施工水平，同時也帶動了相關機械設備生產制造。

6.2經濟效益

該工藝采用了陸上組裝導向架和沉樁導向架，有效提高了鋼板樁拼裝、打設的質量和效率，大量減少了機械設備和人工的投入，進而降低了造價；同時大量減少了潛水水下施工工作量，確保了水下施工作業人員的安全。

7.結論

組合式鋼板樁施工技術在智利圣安東尼奧國際集裝箱碼頭工程中得到了成功應用，在業主提供的80個有效工作日內完成了907根的鋼板樁施工任務，一次打設質量合格率達100%，取得顯著的經濟效益。該施工技術，成功解決了水下施工質量難以控制的問題，為該類樁基工程施工提供了技術參考。

參考文獻：

[1]JTS 257-2008.水運工程質量檢驗標準[S].北京：人民交通出版社，2008.

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