[工作精品论文]船坞坞口围堰钢板桩拔除施工工艺介绍

中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集船坞坞口围堰钢板桩拔除施工工艺介绍李伟（中交四航局二公司中船龙穴项目部广东广州510300）摘要本文对船坞围堰钢板桩拔除施工工艺、拔桩设备选取和施工中遇到的难点及经验进行了全面介绍，供以后类似工程进行参考。关键词围堰的稳定性摩阻力计算拔桩设备选取1工程概况龙穴造船基地船坞式试验场坞口钢板桩围堰由水上双排钢板桩和东西两侧陆上钢板桩共两部分组成。水上双排钢板桩为临时性止水结构，其长度为163M,宽度为12M，内外板桩型号均为AU23（S355GP）型，共436根，内外板桩之间用三排共48根AU20型钢板桩隔成4段；拉杆规格为601500，拉杆所处的标高为15M。陆上钢板桩型号为AU20，主要是作为连接沉箱与船坞淤泥止水墙临时止水结构。本工程中的双排钢板桩围堰拔除施工时，由于围堰外侧为珠江水系，内侧为干施工坞区，内外水压力差大，双排钢板桩间为回填中粗砂，围堰拆除时必须确保围堰的整体稳定性，同时考虑钢板桩和拉杆能重复使用，因此钢板桩围堰拆除的重点和难点工作在于保证钢板桩围堰拆除过程中的整体稳定性。（钢板桩围堰见下图11、12）回填中粗砂棱体作者简介李伟（1983），男，助理工程师，从事港口工程技术管理工作。550中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集2施工工艺流程钢板桩围堰拆除施工的基本思路是将钢板桩围堰施工时的施工工序倒置过来施工，总共可分为四步施工，1、坞区灌水到标高0M；第二步回填砂开挖至10M；第三步钢拉杆拆除；第四步拔除钢板桩。围堰拆除施工关键点是确保围堰在拆除过程中每一种工况的稳定性。而围堰的稳定性主要是要在拆除过程中建立钢板桩围堰两侧压力的平衡系统，使钢板桩围堰恢复抽水前的状态。通过对围堰稳定性的验算，在确保围堰稳定性的前提下实现钢板桩的拆除。3围堰稳定性验算31挖除回填砂稳定性验算钢板桩内侧灌水到标高0M，钢板桩围堰中间回填砂挖至10M后，此时钢板桩围堰是由钢板桩、钢拉杆和导梁及内外护脚结构组成。根据钻孔柱状图、钢板桩施工记录，90钢板桩底标高在20M以下，入土深度21M，将近一半的钢板桩底标高在24M以下，入土深度23M,对照钻孔柱状图，钢板桩分别穿过了回填沙层、2淤泥层、淤泥质粘土层、1粉质粘土层、1全风化混合花岗岩、2强风化混合花岗岩，且经过船坞施工过程的观测钢板桩围堰十分牢固，所以可将整个钢板桩围堰看成一个整体受力。311围堰水压力计算围堰外侧底部水压力强度为21098324710035/PGHKN水MM（其中324为设计高水位，7为海底泥面标高）围堰内侧底部水压力强度为2109807686/PGHKN水围堰水压力分布图为551中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集EE图31钢板桩水压力强度图作用点位置计算132473433HEM外1707333HEM内312围堰土压力计算根据设计资料围堰内侧护底砂体标高为30M，外侧护底块石为50M，综合考虑围堰受力情况，围堰此时向内侧位移的趋势，受到内侧砂体的被动土压力，外侧土的主动土压力，钢板桩围堰土压力分布见图32。PA87PP228EAEP图32钢板桩土压力强度图根据郎金土压力理论计算主动土压力（查表知中粗砂19KN/M3,30；块石20KN/M3,40）M/70824045TG5720245ZTG00202KNPA）（）（被动土压力552中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集M/22823045TG3719245ZTGP00202KNP）（）（）（作用点位置计算1752333HEM外1733334HEM内313抗倾稳定性验算（1）将钢板桩下端看作弹性嵌固支承时，受力如图32所示；力矩计算M外872/3100353473522284/3139971KN/M图33卢森堡AU型钢板桩资料从钢板桩资料图33可知,AU23钢板桩截面弹性模量为2270CM3/M。钢板桩是3号钢，常用容许弯曲应力为180MPAM/W1399711000/22706166MPA所以此时围堰是安全的，安全系数杆、导梁拆除后稳定性验算当钢拉杆和导梁结构拆除后，此时内外排钢板桩均独立，且水位平衡，此时围堰结构验算主要是验算内外排钢板桩各自的抗弯稳定性。因为水位平衡，故只需要考虑两侧土压力作用。321内排钢板桩稳定性验算内侧护坡回填砂此时为被动土压力计算2452PZTGP19（73）TG24530/2228KN/M2452PZTGA19（71）TG24530/238KN/M稳定性计算M3871/322873/3228KN/MM/W228100022701004MPA所以此时内排钢板桩是安全的。322外排钢板桩稳定性验算553中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集此时外排钢板桩的内外侧水位平衡，外侧护底块石受到被动土压力，因此可得2452PZTGP20（75）TG24540/2184KN/M2452PZTGA19（71）TG24530/238KN/MM1842/3386/347KN/MM/W471000/2270207MPA此时外排钢板桩也是安全的。4拔桩设备的选型41水上双排钢板桩的拔除本工程双排钢板桩的拔除是水上作业，所以相关设备的选型主要是对拔桩船机的选择。从施工工艺流程可知，在拆除完拉杆后，打开进水管蝶阀，使钢板桩内外水位平衡，所以钢板桩的抗拔力主要克服钢板桩侧摩擦力和自重，设备选型时应按最大桩基抗拔力进行选型，参照钢板桩围堰实际施工标高和钢板桩的实际入土深度，在有地质钻孔柱状图附近的桩中选取入土深度最大的桩基进行抗拔力值计算比较得出，其中GBZA360钢板桩的抗拔力最大，该桩桩长30M，桩底标高2325M，泥面标高102M，入土深度1305M，对照第6754钻孔柱状图可知该桩分别穿过了1粉质粘土、淤泥质粘土、1粉质粘土和2强风化混合花岗岩，各土层的深度和见下表GBZA360钢板桩土层资料汇总表土层名称桩基入土深度（M）桩侧土的极限摩阻力标准值（KPA）1淤泥层00455淤泥质粘土25301粉质粘土4402强风化混合花岗岩651150图41AU23钢板桩截面图摩阻力计算公式U桩身的截面周长FUFILIFI第I层的桩侧极限摩阻力LI桩身穿过第I层土的长度554中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集查得单位长度AU23钢板桩单侧表面积为103，桩身的截面周长即为206M因此GMG3010219830KNF摩阻力5500430254041506512062500KNF抗拔力FG3025002530KN理论计算单根AU23钢板桩最大抗拔力值258T,上述计算结果并没有包含锁口之间的摩阻力。现在有两种方案可供选择一是采用300T起重船配90KW振动锤；二是采用500T起重船静力拔除。我们在选择方案时考虑以下三种情况（1）由于振动锤对于硬土层的贯入度很差，在施打钢板桩时使用振动锤很难使钢板桩进入2层强风化混合花岗岩的设计要求，实际施工中我们采用的是D62桩锤复打钢板桩至设计标高，贯入度较小。如果用振动锤拔桩，在克服硬土层阻力时可能会耗很多的时间，且难保证每根桩都能顺利拔出。（2）双排钢板桩在施打时期，拉杆安装尚未完成时就进行了钢板桩的合拢，前后水压差造成前后排钢板桩都有较大的位移变形，增大了的锁口间的挤压力，使得拔桩时增加了很多不确定因素。（3）起重船拔杆的要求本工程中最长钢板桩桩长度33米，桩顶标高为60，同时考虑起重船的吃水深度以及将钢板桩转移到货船上需要吊起的高度，故所需起重船拔杆高度至少要42M以上。根据以往在文冲船厂的拔桩的施工经验，同时为了保证工期的要求，决定采用广州打捞局的南洋号500T起重船以静力拔桩方式拆除钢板桩，钢板桩运输设备采用货仓46M的1000T驳船。南洋号500T起重船机吊具参数起重设备名称及位置试验时吊杆与水平线的夹角或起重机臂架幅度（/M）试验负荷（KN）安全工作负荷（KN）艏部重型吊杆双副钩（2735）6416171470艏部重型吊杆双主钩（22450）6453904900411吊具的选择拔桩过程中主要是利用艏部重型吊杆双主钩来受力，每副主钩最大拉力为250T，由两条钢丝绳受力，此时需设置一个插销作为钢丝绳与钢板桩传导力的桥梁，我们用Q235型555中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集160MM圆柱制作插销,它受到如下图的拉力根据受力情况，插销中段相对于上下两段，沿MM和NN两个面向左错动。所以，有两个剪切面，称为双剪切。由平衡方程容易求得P2500KNQP/2插销横截面上的切应力为TQ/AA插销的面积T插销材料容许剪切力T98MPAQ插销受的剪切力T4Q/D225004/（2314016016）622MPAT98MPA选Q235型的直径为160MM的插销满足设计要求。同时还有钢板桩受到了插销的剪切力P2500KN,QP钢板受到插销的最大容许竖向剪切力AQ/T假设钢板为300MM宽开180孔TQ/（TB）2500106/98（300180）00215M钢板厚钢板桩00130020033M如选取加强板60030020，开180的孔可以满足设计要求。具体拔桩示意图如下加强板60030020插销160开孔180开孔180300600保护插板钢板桩船机钢丝绳插销16042沉箱边及标高太低的钢板桩对于沉箱边3M长范围内的水上钢板桩，该位置钢板桩穿过码头基床，钢板桩在拔除的过程中极易破坏基床，而且在围堰施工后期，沉箱附近钢板桩与沉箱预埋钢板桩之间采用旋556中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集喷桩止水增加了拔桩难度。为了不扰动基床，确保沉箱的稳定性，此范围钢板桩包括那些由于潮水较高未能焊接加强板的钢板桩，考虑先将港池泥面开挖至设计标高95M后，再采用水下切割方法将其沿95M标高切除，切除后使用吊机船将钢板桩吊运装船。本工程中的钢板桩水下切割采用水下电弧氧切割，平均一小时能割4M。水下电弧氧切割主要原理是一种利用空心电极即割条与工件之间产生的电弧使工件熔化，氧气从电极孔中吹出，使热态工件金属氧化燃烧，并吹掉熔化的金属及熔渣从而形成切口的切割方法，其原理示意如图所示。水下电弧氧切割原理示意图43陆上AU20钢板桩的拔除本工程中的陆上AU20型钢板桩是利用履带吊机加振动锤进行拔桩。振动拔桩的原理是利用振动锤产生纵向振动，这种振动传至土层后，对砂性土层，颗粒间的排列被破坏，使强度降低；对粘性土由于振动使土的天然结构破坏，密度发生变化，粘着力减小，土的强度降低，最终大幅度减少桩与土间的阻力，板桩被轻易拔出。陆上拔桩过程中我们先选用250T液压千斤顶做顶撑试验，结果是钢板桩纹丝不动，我们用了80T履带吊机配合150KW振动锤仍未能拔动钢板桩，最后采用钻孔法即用打灌注桩的方法在板桩的侧面打孔至桩尖标高，直接去掉土体给板桩带来的摩阻力，最后统计需要平均50T的振动拉力来克服单边锁口的摩阻。拔出的钢板桩并未发现有较大桩身变形及锁口变形，考虑到设计要求桩尖需进入2强风化混合花岗岩，由此可见主要摩阻力还是由土体对桩的挤压产生摩阻力。5施工要点51、静力拔桩对操作人员的技能要求较高，必须配备有足够经验与操作技术的施工人员。由于起拔力较大，拔桩所用卸扣，钢索，滑轮，缆风绳等要加强检查，经常更换。静力拔桩不同于振动拔桩，在拔桩初期因桩周阻力从静止到破坏需有一段过程，不能操之过急。宜将卷扬机间歇启动，渐渐地将桩拔出，切忌一次性地启动卷扬机，否则会引起钢索崩断，钢板桩撕裂、设备损坏甚至造成安全事故。52、钢板桩拔除的难易，取决于打入时顺利与否。拔桩需注意下列事项（1）作业前详细了解土质及板桩打入情况、双排板桩间开挖后板桩变形情况等，依此判断拔桩的难易程度；557中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集（2）陆地拔桩设备都是具有一定重量的，要验算其下的结构承载力。吊机压在土层上，由于地面荷载较大，需要时设备下可垫置钢板减小压应力。（3）吊桩装船时需考虑货船的摆位问题，船机离拔桩区间隔一定的安全距离，且卸桩应从驾驶室方向一端着地向着船头方向卸桩。（4）如钢板桩拔不出，可采取下述措施1）拔桩时可间歇加载起吊力多次，利用起吊力致使锁口间不断摩擦来降低锁口间的铁锈产生的阻力；2）按与板桩打设顺序相反的次序依次拔桩，可以消除一边锁口的摩阻；3）采取跳格拔桩方式，即对难拔除的桩在形成只有一根邻桩或直接成为单桩的情况下拔桩，提高拔除成功率；4）如果是振动锤拔桩可先振松土体，克服土的粘着力或消除板桩锁口上的铁锈等。6工程小结中船造船基地船坞式试验场工程的双排钢板桩围堰拔除工作经过50天紧张施工，共拔除AU23型钢板桩420根，AU20型钢板桩44根，平均每天拔桩9根。其中16根AU23型和4根AU20型钢板桩通过水下切割技术割除。其间,钢板桩在拔桩过程中也发生了桩身加强板严重撕裂现象，总体来说还是比较顺利的。对于钢板桩围堰拔除的施工，我们得出以下几点施工经验61、在桩侧摩阻力计算中，入土深度最大的桩受到的侧摩阻力并不一定是最大的，它跟桩所处的地质以及该地质下各土层分层的厚度有关。所以要对整个钢板桩区域内，凡是有钻孔柱状图的，其附近入土深度最大的桩都应进行桩侧摩阻力计算，比较选出最大桩侧摩阻力。62、起重船机选择双排桩单根桩拔力平均值（T）有一根邻桩的桩拔力平均值（T）有两根邻桩的桩拔力平均值（T）外排225430470内排218357427从表格数据来看，直接用静力拔桩的话，由于有一根邻桩的桩在拔桩时是受到的是偏心受拉，锁口间会受到偏心力的挤压而增大桩侧摩阻力，所以我们只能从有两根邻桩的钢板桩与单根拔桩力之间的计算中估计钢板桩锁口间的摩阻力外排钢板桩锁口间摩阻有两根邻桩的桩单根桩470225245T，平均每个锁口间有122T的摩阻力；内排钢板桩锁口摩阻有两根邻桩的桩单根桩427218209T,平均每个锁