格型钢板桩码头施工技术.docx

格形钢板桩码头结构施工中几个主要技术问题1 前言格形钢板桩结构是1988 年引进首先用于广州港新沙港区一期1#5#泊位中,1992 年深圳盐田港一期3.5 万、5 万吨级集装箱码头工程中是第二次应用。这一结构以其施工筹备期之短、施工速度之快,施工质量之好,在国内引起强烈的反响。盐田港一期工程3.5 万、5 万吨级集装箱码头采用的是带基桩的格形钢板桩结构,岸线长694.6m ,共设有直径21.65m的主格体33 个及相应的副格体,使用的钢板桩总量为7138t/ 5192 根,板桩长度17. 521. 5m。入土深度2.5m 6.0m。工程自1991 年10 月正式开工,至1993 年10 月竣工,历时2年。图1 格形钢板桩码头断面图2 关于钢围囹的结构型式钢围囹是钢板桩格体拼插成形的模具, 也是钢板桩格体施工的操作平台,不论是整体安放工艺或是水上拼插工艺,都是必不可少的,它可分为固定式与浮式两种。图2是固定式钢围囹,它由主骨架(圆形框架) 和支腿(钢管桩)组成,既可用于整体安放,也可用于水上拼插工艺。固定式钢围囹的整体性强,刚度大,有较大的空间,为施工设施的安置和施工操作提供了良好的条件,其缺点是自重大(总重大于110t ) ,给起重设备选型增加了难度; 另外, 体积大, 存放与搬运非常困难。图3 所示浮式钢围囹是第一航务工程局七十年代在援外工程30万吨级干船坞施工中应用的结构形式。这种结构的特点是结构简单,轻便(自重约30 余t ) ,环型导架上设有浮筒,除了可漂于水面进行锚泊定位外, 还可以通过浮筒上的排灌装置调节主骨架的标高以满足施工需要,同时采用拼装式结构以便搬运;其不足之处在于整体刚度较差,只能适用于水上拼插工艺。另一种浮式钢围囹的设计,是在图2 所示的钢围囹的基础上,在其内侧加挂四个63 3m 的浮箱,以适用于水上拼插工艺。这一结构型式解决了组装式浮围囹刚度差的问题,与整体吊安工艺相比,对起重船的要求要小一些,但自重及外形尺寸依然较大,存放、搬运的矛盾仍不能有效的解决。格形钢板桩所用的钢围囹是一项较为复杂的大型施工设备,不仅造价高,而且加工制作也很费时。主骨架的外直径一经加工制作,如要改造利用,只能加大,不能缩小,为了适应钢板桩格体直径的变化,今后研究制作一种通用化的钢围囹是非常必要的。图2固定式钢围囹图3浮式钢围囹3 关于格体施工工艺的评述3. 1 整体吊装施工工艺3. 1. 1 工序流程图4整体吊装施工工艺的工序流程见图4示。3. 1. 2 施工工艺整体吊装施工工艺是格形钢板桩结构或格形钢板结构施工中机械化程度高、施工质量好、施工速度快的先进施工工艺。它的显著优点是将格形钢板桩闭合的难点从水上转移到陆上, 避免了潮流、风浪的影响, 使格体拼插能一次性的完整闭合(即不使用异形桩的闭合) 。由于陆上拼插桩位易控制, 锁口的松紧适度, 吊运过程中钢板桩处于然悬垂状态, 给水上钢板桩施振下沉打下良好的基础。同时, 陆上拼插与水上沉放格体是两个施工作业面, 可以平行流水作业, 因此,施工进度快。在盐田工程中曾创造了两天沉放一个格体, 一个月沉放14 个格体的最高纪录。整体吊装施工工艺的最大缺点是起重设备(包括起重船机及吊具) 的技术性能要求很高。首先, 需要制作一整套吊、索具, 以保证格体在起吊、运输、安放过程中每根钢板桩都处于良好的悬垂状态, 并使钢围囹与钢板桩之间的位置相对固定。因此, 吊具的制作是相当复杂和费时的。其次, 对起重设备的技术要求很高, 不仅要起重能力大(一般要求500t 起重量以上) , 更主要的是对起吊高度与起吊幅度也很苛求, 需要说明的是, 整体吊装施工中由于格体的体积大, 其起吊的控制高度常常是下吊具与吊杆接触点(尚应考虑一定的富裕量) 至地面(水面)的高度hi (图5) 。图5格体整吊图根据施工实践, 交通部广州救捞局的“南洋”号起重船(最大起重能力500t , 最大起吊高度42m , 最大吊幅25m) , 在起吊22m 直径的钢板桩格体时的允许最大桩长约21. 5m (相应的格体及吊具等的总重量一般不超过400t) 。3. 2 水上拼插施工工艺3. 2. 1 工序流程水上拼插施工工艺的工序流程见图6示。3. 2. 2 施工工艺水上拼插是格体施工中的常规施工工艺, 它的特点是: (1) 施工工序少, 施工作业面小; (2) 不占或少占陆域场地, 这对新辟的港区或陆域面积非常紧缺的扩建工程来讲是非常难得, 且深得业主欣赏的条件;(3) 由于直腹式钢板桩的自重轻, 对起重设备的技术性能要求比较低, 航务工程系统一般都具有满足施工要求的起重船机设备。水上拼插的作业面完全在水上, 由于潮流与风浪的影响, 钢板桩的就位精度难以控制, 因此, 格体的完整闭合(特别是一次性完整闭合) 是水上拼插工艺中尚未妥善解决的技术难题, 成为施工网络计划编制与实施过程中最难预控的制约因素。3. 3 对格体施工工艺的评议综上所述, 整体吊装工艺具有机械化程度高、施工质量好、施工速度快的优点, 不足之处是对起重设备的技术性能要求很高,特别是格体直径大, 板桩长度长时, 起重设备的技术性能就成为选择这一工艺的最大障碍。水上拼插工艺具有对施工设备的技术性能要求低、通用性好; 对格体直径和钢板桩长度的变化适应性强; 不用或少用施工陆域等优点, 因而施工筹备期短, 工程上马快,易于业主和施工单位接受。最突出的缺点就是受潮流、风浪影响很大, 格体的完整闭合尚未妥善解决, 使施工质量和施工进度得不到确切的保证。选择和评定施工工艺的标准是施工质量好、施工速度快、施工综合造价低。通过新沙与盐田工程的实践, 整体吊装工艺的施工质量好、施工速度快(可以说是特别快) , 已为建设、设计、监理、施工各方所共识。虽然, 大型起重船舶的费用高,如果善于管理, 合理安排大型起重船舶的进、退场时间, 由于施工速度快, 施工效率高, 仍能降低施工综合造价, 使建设与施工单位获得较好的经济效益。因此, 在能合理解决起重设备的前提下, 整体吊装工艺应为最优选择。水上拼插工艺中的格体完整闭合(特别是一次性完整闭合) 的技术难点是该工艺必须解决和亟待解决的关键问题, 解决的途径是克服潮流、风浪的影响, 提高钢板桩插入就位的精度。克服潮流影响的要点是充分利用平潮时间进行封闭作业, 克服风浪影响的要点是合理安排施工网络计划,将格体拼插安排在风浪较小的季节, 并根据风浪方向合理调整拼插顺序。在提高钢板桩插入就位精度方面则考虑设计制作桩位控制器, 采用悬挂装置,确保钢板桩的垂直度和可调整度。我们认为, 按以上要点实施, 水上拼插完整闭合的技术难点是完全能够解决的。4 施工程序和施工工序相互关系的评议4. 1 钢板桩施振与格体内填砂的顺序钢板桩整体吊装工艺实施时, 对格体回填砂工序曾有两种意见: 一是在格体定位完成后先对格仓抛填部分砂, 使格体充分胀开、钢板桩锁口相互拉紧后再沉桩, 以减少后期格仓填砂格体上部胀大而产生的钢板桩格体“铅笔尖型”变形; 二是认为先填砂后沉桩工艺增加了钢板桩下沉的难度, 隐发钢板桩达不到设计桩尖标高的可能性, 同时在格体钢板桩未嵌固前填砂,将会因填砂偏心造成格体变位, 所以应该先沉桩到设计标高后再填砂。为此, 在工程施工初期, 我们进行了典型施工, 针对上述两种意见做了对比。从施工工效上看, 由于格仓填砂使钢板桩锁口胀紧, 桩的入土深度相对增加, 使得填砂后的沉桩阻力增加较大, 沉桩过程中拖带邻桩的现象严重。实测设计入土深度4m的桩平均单桩下沉时间为5min30s , 入土深度2m 的桩平均单桩下沉时间为4min , 一个格体的累计沉桩时间为10h ; 相应的沉桩后开始填砂的格体钢板桩单桩平均下沉时间分别为4. 5 min 和1min , 一个格体的累计沉桩时间为5h 。这样, 在施工时间上, 前者沉桩过程中必须中断等待一个高潮期后, 经历两个低平潮期才能完成一个格体的沉桩作业, 增长了施工周期, 同时由于沉桩历时长, 桩位容易产生移动。而后者则可以在一个低平潮期完成一个格体的沉桩作业, 大大有利于提高施工进度, 保证格体稳定; 另一方面, 从格体原型观测的结果上看, 格体填砂至设计标高后, 钢板桩格体的确呈上大下小的“铅笔尖型”, 并在基槽面附近出现最大值, 对采用先沉桩后填砂工序施工的格体实测了五根桩的结果是: 在基槽面附近的实测倾斜度分别为0. 89 %、0. 33 %、1. 03 %、0.5 %、0. 65 % ,其中仅1. 03 %略高于技术规格书中1 %的要求。通过对比施工后, 认为先沉桩后填砂工序的效果是好的。而先填砂工序中的沉桩前填砂量一般只能在设计填砂量的1/ 4 以内,相应对减小格体“铅笔尖型”变形的影响很小。4. 2 钢板桩振动下沉的顺序与每次下沉的深度要求工程的“技术规格书”要求: 钢板桩的振动下沉宜按顺、逆时针方向交替通道依次打入, 每次打入深度不宜大于1. 5 m。通过正、反两个方面的实践, 我们体会到按顺、逆时针方向依次打入具有预防钢板桩扭斜的效果, 如果在钢围囹上、下环上安设钢板桩限位控制卡具, 其预防钢板桩扭斜的作用更加显著。限制钢板桩每次打入深度, 减小钢板桩锁口内的“砂塞”阻力是确保钢板桩顺利下沉的有力措施。就具体沉桩深度而言, 一次下沉1. 5m 应该说是上限值, 其取值应根据钢板桩锁口的通畅程度, 基床的密实度和钢板桩的入土深度综合考虑。例如, 当采用“国际钢板桩公司( ISPC) ”生产的进口钢板桩, 在基床为振冲密实中粗砂(N 15击) 的情况下, 沉桩入土超过3m 时要求每一次的沉桩深度1m , 沉桩入土超过5m 时要求每一次的沉桩深度0. 5m。另外, 在原要求沉桩顺序的前提下, 对沉桩工艺作了进一步的完善: 一是以每个格体中侧向刚度较大的四根“Y”型连接桩做基准桩先沉入一定深度, 减少沉桩过程中产生的格体变位和钢板桩沉桩产生的扭斜累加; 二是沉桩顺序不机械的依次施沉, 而是间隔下振, 一个顺逆时针的循环为一次等深打入, 这样对减小扭斜偏差效果很好; 三是在进入最终一次找平设计标高的沉桩以前,以两根以上的钢板桩成组施沉, 从而增加沉桩过程中的钢板桩刚度, 保证桩的垂直度,并减少桩锤中振动时的激振力损失。5 钢板桩格体的实际抗风浪能力盐田工程钢板桩格体施工时连续经历了1992 年6 月28日7 月22 日间的47 号热带风暴的侵袭。风暴时的实测水面风力78 级, 波高100150cm , 波浪频率10 次/min 左右; 其时已施沉了16 个格体, 格体内填砂深度414. 5m 不等。通过对风暴侵袭时的现场观测, 使我们对钢板桩格体的实际抗风浪能力有了一次难得的感性认识机会。5. 1 格体内填砂的影响由于格体钢板桩之间是靠锁口联接的,这就在很大程度上决定了钢板桩格体的可变性, 当风暴侵袭时, 波浪作用于格体上的能量必然要转化一部分为格体变形的势能, 而这一部分能量自然也随着格仓内填砂的增加、格体钢板桩自由长度的减小、格仓刚度的增加而减小, 但对此的定量计算较困难,因此钢板桩格体的实际抗风浪能力一直没有较有说服力的答案。在盐田港工程中, 相应于格仓内的填砂量, 在风暴时已施沉的16 个格体钢板桩的自由长度在1011. 5m 不等。在波浪的作用下未充分填砂的钢板桩格体上端呈“”形前后摆动, 最大摆幅约3m , 摆动范围集中在迎浪面1/ 41/ 3 周长段, 后部无明显晃动, 而充分填砂的格体则基本稳定。风暴过后对桩位的复测表明, 所有格体均未出现因风暴原因而产生的变位。5. 2 钢围囹的作用为了解钢围囹的抗风浪作用, 在风暴到来前的最后一个格体沉放后没有取出钢围囹, 不过从安全出发, 仍向格仓内抛填了23m 深度的砂, 结果表明有钢围囹的格体抗风浪能力很强, 面对波浪的作用所有钢板桩都能保持较好的稳定, 无明显摆动。5. 3 副格体的约束在考虑格体防风浪方案时, 副格钢板桩连接弧的闭合曾经是一项增强格体抗风浪性的措施, 但从这次观察的情况看, 主格体的稳定主要取决于其内部的填砂量, 而与副格连接弧的闭合没有关系。5. 4 波浪对格仓填料的淘带作用风暴前我们很耽心格仓内的填砂会被波浪及水流淘带走, 从而影响整个格体的稳定。事后表明, 波浪主要造成在格体上部自钢板桩顶以下1. 01. 5 m 范围有不同程度的回填砂流失, 而对下部的填砂影响很小。5. 5 其它在现场发现钢板桩除了因基床表面承载力低, 一些支承其上的钢板桩会由波浪的摇摆作用而下沉外, 还会因钢板桩之间啮合过紧, 在风浪作用下不但未向下沉, 反而向上挤出的现象, 挤出高度最多达7m。这一现象仅发生在水上拼插的副格连接弧段, 而在钢板桩锁口之间受力条件较好的陆上拼插整体吊装的格体中无此现象。因此, 这就提醒我们: 在格体抗风浪问题上, 无论采用什么样的施工工艺, 都应确保格体钢板桩锁口有一个良好的啮合环境。6 结语现将我们的施工能力与在格形钢板桩结构施工工艺方面较成熟的日本作一对比, 对比内容见附表示。格形钢板桩结构在我国起步较晚, 但通过新沙工程和盐田工程两座深水码头的成功应用, 在经历了引进、消化、改革、提高四个阶段后, 可以认为我们已掌握了这种结构的设计、施工技能, 就其中的设计水平, 施工工艺、技术管理而言, 我们与在这方面应用较早、设备先进的日本等发达国家比, 无论是理论水平还是施工经验上都毫不逊色。（二航局陈斌）附表陆上拼插整体吊装工艺陆上拼插整体吊装工艺水上整拼工艺主要工序:格体拼插、水上吊运、定位、沉放主要工序:格体拼插、水上吊运、定位、沉放主要工序:格体拼插、水上吊运、定序:格体拼插、水上吊运、定位、沉放500t 起重船1 艘50t 吊车+ 方驳组合起重船2 艘1300t 起重船1 艘主格施工用100t 专用起重船1 艘(配4 台200t 吊机、4 台50t 吊机)副格沉桩用350t 起重船1 艘300kW拖轮2 艘300kW拖轮2 艘1500kW 拖轮1 艘1875 、975 、1200kW 拖轮各1 艘起锚艇1 艘起锚艇1 艘起锚艇1 艘120kVA 柴油机发电机2 台2300kVA 发电船1 艘250kVA 柴油发电机10 台300kV、350kVA、600kVA柴油发电机共24 台警戒船及交通船3 艘警戒船及交通船3 艘警戒船及交通船3 艘60kW双夹头振动打拔桩锤2 台60kW 双夹头振动打拔桩锤36 台90kW 双夹头振动打拔桩锤4 台60kW 双夹头振动打拔桩锤36 台90kW 双夹头振动打拔桩锤4 台21. 65m L21. 5m 格体的施工周期23d29. 54m L24. 5m 格体的施工周期34d29. 54m L24. 5m 格体的施工周期34d