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(shù)

扶曉林

(中交三航局第二工程有限公司 上海200122)

根據(jù)地質(zhì)資料的分析結(jié)果，合理選擇振動(dòng)錘、沖擊錘及預(yù)鉆孔旋轉(zhuǎn)開挖設(shè)備，分別從AZ26-700輔樁錨點(diǎn)固定方式、導(dǎo)向架制作、替打設(shè)計(jì)、樁尖焊接樁靴、局部地質(zhì)遇障礙物或預(yù)埋管等方面對(duì)HZ1080MB/AZ26-700組合鋼板樁的施工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在合理設(shè)計(jì)施工工藝及施工順序的基礎(chǔ)上，總結(jié)出第1階段振動(dòng)插樁、第2階段(硬質(zhì)土層)沖擊沉樁和第3階段(非常堅(jiān)硬土層)預(yù)鉆孔松土(或取土)的聯(lián)合沉樁工藝。該工藝經(jīng)新加坡大士南二期工程施工實(shí)踐證明，無(wú)論是沉樁效率還是沉樁質(zhì)量都符合既定目標(biāo)。

振動(dòng)錘 輔助設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì) 聯(lián)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(zhǎng)450,m，頂面高程為5.95,m，前沿海測(cè)疏浚標(biāo)高為-1.0,m。整個(gè)順岸碼頭采用單錨碇結(jié)構(gòu)體系，前沿樁基采用HZ1080MB/AZ26-700組合鋼板樁，用低合金鋼高強(qiáng)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(tǒng)。

HZ1080MB鋼板樁承受來(lái)自墻后的土體、地下水、地面超載等引起的水平側(cè)壓力并承受額外的豎向荷載，作為承重樁。HZ1080MB樁樁頂標(biāo)高為+1.4,m，底標(biāo)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(xù)性，同時(shí)兼顧擋土與荷載傳遞的作用。AZ26-700鋼板樁頂標(biāo)高為+0.6,m，底標(biāo)高為-20.6,m，單根重2,t。碼頭典型斷面如圖1所示。

2 地質(zhì)資料

新加坡大士南二期場(chǎng)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(jìn)行砂體密實(shí)。

①松散的粗砂，標(biāo)高為+6.0～-20,m；②非常堅(jiān)硬的粉質(zhì)粘土，標(biāo)高為-20～-23,m；③非常密實(shí)的細(xì)泥沙，標(biāo)高為-23～-25,m(SPT35～SPT65)；④硬粘土質(zhì)砂質(zhì)粉土，標(biāo)高為-25～-30,m(SPT35～SPT65)；⑤不同地質(zhì)條件下沉樁機(jī)械設(shè)備適用范圍與地質(zhì)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(zhì)條件下沉樁設(shè)備的適用范圍Tab.1 Piling equipment scope in different geological conditions

3 施工機(jī)具和附屬設(shè)施

3.1 施工機(jī)具

3.1.1 液壓振動(dòng)錘

振動(dòng)式沉樁、沖擊沉樁等方式目前在港口建設(shè)、橋梁施工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著港口建筑技術(shù)的不斷提高，振動(dòng)式樁基設(shè)備也隨之更新?lián)Q代。結(jié)合相關(guān)知識(shí)并參閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，振動(dòng)錘的選擇必須滿足以下3個(gè)基本條件：

①振動(dòng)錘的激振力0P大于被振沉構(gòu)件與土的側(cè)面動(dòng)摩擦阻力T；②振動(dòng)錘系統(tǒng)的總重量Q0大于被振沉構(gòu)件的端阻力R；③振動(dòng)系統(tǒng)的工作振幅A0大于振沉構(gòu)件振沉到設(shè)計(jì)深度的最小振幅A。

首先，根據(jù)樁的類型、尺寸和地質(zhì)資料計(jì)算激振力是否可以克服樁的側(cè)面動(dòng)摩擦阻力，滿足此關(guān)系的計(jì)算公式如下：

目前沒(méi)有統(tǒng)一計(jì)算側(cè)面動(dòng)摩擦阻力Tvi的方法，僅采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，下面(3)、(4)為各土層極限靜側(cè)摩擦阻力的總和：

式中：0P為激振力，kN；TV為側(cè)面動(dòng)摩擦阻力之和，kN；U為樁橫斷面周長(zhǎng)，m；Hi為第i層圖的厚度，m；Tvi為第i層土的極限動(dòng)摩擦阻力，2kPa/m；Ni為第i層土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)。通過(guò)以上公式可計(jì)算出土體的側(cè)摩動(dòng)阻力TV，振動(dòng)加速與土的摩擦阻力降低度的關(guān)系曲線如圖2所示。

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

其次，計(jì)算振動(dòng)錘沉樁克服樁端阻力，即振動(dòng)錘系統(tǒng)的總重量Q0大于被振沉構(gòu)件的端阻力R，滿足此關(guān)系的計(jì)算公式如下：

粘性土的樁端動(dòng)阻力：

砂性土的樁端動(dòng)阻力：

式中：Rv為樁端動(dòng)阻力，kN；N為樁沉入深度土層的最大標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)；F為樁的橫截面面積，2m；e為自然對(duì)數(shù)的底；I為振動(dòng)錘的動(dòng)量，kg；k為偏心力矩，kg? m；ω為振動(dòng)錘負(fù)荷軸角速度，即頻率，l/s；g為重力加速度，2m/s。

最后，計(jì)算振動(dòng)錘振動(dòng)系統(tǒng)A0和被振沉構(gòu)件振到設(shè)計(jì)深度的最小振幅A，可根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行粗略估算：

以上部分參數(shù)可以直接在振動(dòng)錘技術(shù)規(guī)格書中查閱，其余數(shù)據(jù)根據(jù)所列公式進(jìn)行計(jì)算，反復(fù)求證，直至滿足選擇振動(dòng)錘的3個(gè)條件為止。綜合以上信息，本工程選用APE400型振動(dòng)錘，詳細(xì)資料如表2所示：

表2 APE400型振動(dòng)錘技術(shù)規(guī)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(shù)如表3所示：

表3 15,t液壓沖擊錘技術(shù)規(guī)格一覽Tab.3 Specification list of 15 t hydraulic impact hammer

3.1.3 起重設(shè)備

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

選擇起重機(jī)噸位必須滿足以下要求：樁重(8.1,t)+錘重(17,t)＋振動(dòng)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(tái)中聯(lián)重科QUY200T履帶吊車。

3.2 附屬設(shè)施

3.2.1 導(dǎo)向架設(shè)計(jì)

根據(jù)以往鋼板樁施工經(jīng)驗(yàn)，必須采用雙層雙向?qū)Ъ荛_展鋼板樁施工。在本工程中，為HZ1080MB主樁和AZ26-700輔樁間隔設(shè)置形式，必須對(duì)打樁導(dǎo)向架的剛度、凈高尺寸、限位裝置、輔助措施等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(dǎo)向架兩層水平架的垂直距離為3.5,m，長(zhǎng)度為12,m，定型“H”型鋼，導(dǎo)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(zhǎng)度為12,m、直徑為800,mm、壁厚為20,mm的鋼管。HZ1080MB主樁的海側(cè)迎水面部位有油漆涂層，導(dǎo)向架內(nèi)應(yīng)設(shè)置合適的導(dǎo)向系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)，避免打樁過(guò)程對(duì)涂層的損壞(如使用橡膠導(dǎo)輪)。

圖4 導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)置示意圖Fig.4 Guide system configuration

3.2.2 樁帽及夾具設(shè)計(jì)

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(hù)樁頭及傳遞荷載的作用，在對(duì)樁帽設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮以上因素。本工程中對(duì)于HZ1080主樁和AZ26-700輔樁采用兩種樁帽設(shè)計(jì)(見(jiàn)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(xù)間隔設(shè)置。為了確保主樁和輔樁都滿足設(shè)計(jì)要求，在具體施工過(guò)程中，先施工HZ1080MB主樁，每一個(gè)導(dǎo)向架為1單元，先將1單元的主樁全部送至設(shè)計(jì)標(biāo)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(dǎo)向架安裝

施工導(dǎo)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(guò)程中施工導(dǎo)向架不會(huì)發(fā)生移動(dòng)或晃動(dòng)。

4.1.2 HZ1080MB主樁施工

HZ1080MB主樁和AZ26-700輔樁施工順序及導(dǎo)向架示意如圖8、9所示。按照?qǐng)D9第①步1-2-3-4-5-6的打樁順序，首先使用振動(dòng)錘將HZ1080MB主樁打入地層一定深度。將導(dǎo)向架內(nèi)所有的主樁都打入預(yù)定標(biāo)高后，移走導(dǎo)向架，繼續(xù)使用振動(dòng)錘打樁。土層較硬，振動(dòng)錘打樁困難時(shí)換用沖擊錘打樁(見(jiàn)圖8第②步)，將HZ1080MB主樁打入設(shè)計(jì)標(biāo)高，最后1根主樁應(yīng)保留作為下一排樁的第1根樁，確保后續(xù)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(gè)導(dǎo)向架主樁全部施工結(jié)束后，接著施工AZ26-700輔樁，并一次性將輔樁送至設(shè)計(jì)標(biāo)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(guò)程中輔助措施

4.2.1 預(yù)鉆孔

根據(jù)之前地質(zhì)資料顯示，本工程中有許多部位的地質(zhì)比較堅(jiān)硬，常規(guī)打樁較為困難，需對(duì)部分地質(zhì)層進(jìn)行預(yù)鉆孔，減小土體阻力，提高打樁效率，如圖10所示：

圖10 地基預(yù)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(guò)程中遇到地質(zhì)比較堅(jiān)硬部位順利下沉，減小樁尖阻力，從而起到保護(hù)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(diào)整允許偏差

在AZ26-700樁出廠時(shí)，僅要求對(duì)樁頂部位進(jìn)行壓點(diǎn)，保證AZ26-700輔樁在施工過(guò)程中能靈活調(diào)節(jié)HZ1080MB主樁的打樁偏差，此處主要利用了AZ26-700樁3個(gè)鎖口的調(diào)節(jié)，每個(gè)鎖口理論調(diào)節(jié)角度為8 °，幾種組合體系分別見(jiàn)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(diào)節(jié)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(shí)，除前面闡述的利用預(yù)鉆孔進(jìn)行土體鉆松，降低樁尖阻力措施外，還有另外一種輔樁設(shè)置。當(dāng)輔樁一側(cè)遇到障礙物或者有預(yù)埋管道時(shí)，可以將輔樁設(shè)置在另外一側(cè)，以避開障礙物或者預(yù)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(nèi)的雜物，并涂以黃油、黏土、干鋸末等混合物以減少插打時(shí)的阻力，并增強(qiáng)防滲能力。選用長(zhǎng)度為2,m的鎖口對(duì)使用的鋼板樁鋼鎖口進(jìn)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(guī)格型號(hào)

本工程根據(jù)用鋼量、碼頭前沿設(shè)計(jì)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(guī)格如表4、5所示。

表4 HZ1080MB主樁參數(shù)一覽表Tab.4 List of HZ1080MB main pile specifications

表5 AZ26-700輔樁參數(shù)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(xué)特性

5.2.1 靜力學(xué)力學(xué)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(yīng)力計(jì)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(zhǎng)26,m，頂標(biāo)高1.4,m，底標(biāo)高-24.6,m，AZ26-700輔樁長(zhǎng)21.2,m，頂標(biāo)高中0.6,m，底標(biāo)高為-20.6,m，HZ1080MB主樁比AZ26-700輔樁長(zhǎng)近5,m，如圖16所示。

5.4 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)耐久性遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于常規(guī)的Z型、U型鋼板樁連續(xù)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(guī)鋼板樁在海水中腐蝕速率對(duì)比Fig.17 Corrosion rate comparison of combination piles and conventional steel sheet pile in seawater

6 施工總結(jié)

本工程共計(jì)HZ1080,MB/AZ26-700組合樁234組，克服施工時(shí)潮水影響，施工時(shí)間為60,d，樁頭破壞率為2%,，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)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(dǎo)向架定位樁的打入深度，同時(shí)確保定位樁的位置、標(biāo)高及其導(dǎo)向架與定位樁之間連接的穩(wěn)定性。

6.2 機(jī)械設(shè)備

根據(jù)地質(zhì)情況、樁型及施工環(huán)境選擇適合振動(dòng)頻率的振動(dòng)錘、沖擊錘以及旋挖設(shè)備。

6.3 預(yù)鉆孔措施

實(shí)時(shí)分析地質(zhì)資料，對(duì)地質(zhì)堅(jiān)硬的部位預(yù)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(dǎo)向架

必須制作一個(gè)安全性高、穩(wěn)定性好、剛度大的施工導(dǎo)向架。

6.5 樁帽(替打)設(shè)計(jì)

根據(jù)施工樁型制作一個(gè)能傳遞荷載、保護(hù)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(yán)格按照前述施工順序進(jìn)行指導(dǎo)施工。待一個(gè)施工導(dǎo)向架主樁全部送至設(shè)計(jì)標(biāo)高后再行施工輔樁，并一次性將輔樁送至設(shè)計(jì)標(biāo)高?！?/p>

［1］ 法國(guó)PTC公司. PTC振動(dòng)沉樁介紹與說(shuō)明[R]. 2002.

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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