曹妃甸煤码头新型组合钢板桩沉桩关键技术

曹妃甸煤码头新型组合钢板桩沉桩关键技术

1总结1.1港区海上施工场曹飞潭煤炭码头工程位于河北省唐山市曹飞潭新区规划建设的港口池西岸线，包括五个五级到十个级的席位，每年拥有5000万吨t，海岸总长为1564.732米（包括两侧过渡区）。码头主体采用我国首创的新型遮帘式钢板桩结构。码头面高程为4.5m,前沿水深为-15.5m。码头建设:先修建临时围埝,埝内吹填粉细砂,与陆域相连,变水上施工为陆地施工;钢板桩码头主体结构建成并在锚碇拉杆拉紧后,再挖除围埝,形成靠泊条件。1.2az型桩辅桩桩码头前墙采用从卢森堡进口的HZ975B和AZ1810/10型组合钢板桩,采购总重量10129.624t。设计桩顶标高为1.0m,H型桩(主桩)桩尖标高为-28.0m,AZ型桩(辅桩)桩尖标高为-22.0m。每组钢板桩包括1根长29m(锁口长23m)、质量为7.923t的主桩和2根长23m、总质量3.577t的辅桩。主桩之间的2根辅桩由彼此锁口相连,主桩与辅桩衔接处配型号为RZU16和RZD16的锁口各一根,共计875组(含1组异型桩)。每组钢板桩中,相邻主桩间的中心距为1.79m,主桩间的2根辅桩在出厂前已分别组拼成型,两侧锁口间距为1.26m(即相邻两根主桩锁口间距)。钢板桩组合平面如图1所示。1.3基础土层分布地质勘察结果表明,从地面4.5m至-4.35m范围内为吹填并经强夯处理的粉细砂层。回填层往下地层比较复杂,土层分布较有规律,自上而下为:(1)粉细砂;(2)1粉质粘土、(2)2粉土或粉砂、(2)3粉质粘土或粘土;(3)1粉质粘土;(4)1粉土;(4)2粉砂;(5)粉质粘土;(6)粉土;(7)粉质粘土。钢板桩经过土层为:粉细砂(含吹填层)、粉土或粉砂、粉质粘土或粘土等。2遮墙式组合钢板桩结构(1)本工程钢板桩沉桩施工自2006年9月24日开工,要求在2007年6月底以前完成全部沉桩。在长达1.6rm的岸线上,施打1万余吨重的钢板桩是国内从未有过的工程量大、工期紧的大型工程。(2)HZ975B和AZ1810/10型组合钢板桩结构,其主桩单桩长达29m,如此新颖的遮帘式钢板桩结构在国内尚属首例,与以往U型桩“一面墙”形式不同,没有可借鉴的相关经验,需在典型施工的基础上,勇于创新,大胆尝试,不断实践、总结和提高。(3)从工程地质情况看,原地表经强夯处理的吹填粉细砂,连续砂层厚度近20m,均为密实粉细砂层,有的区域标贯击数甚至高达100击,在强夯影响深度8m范围内,钢板桩自沉量极小,桩身侧摩阻力较大,且主、辅桩之间锁口的摩擦阻力大小目前国内外尚无有关论证,无论采用何种沉桩工艺达到设计标高,施工难度都很大。3桩悬浮设计确定地质勘探资料表明,从地表以下20m左右范围内均为中密、密实砂层,地质较硬。加之主、辅桩桩型特殊,造型奇特,桩身单薄,主桩腹板仅14mm厚,而辅桩仅仅10mm厚,桩立直定位后不能自沉,自由长度大,不用说锤击,就是20t左右的柴油锤压至桩顶,也会将桩压弯失稳。故不能采用常规柴油锤的施打方法。只有采取导向架固桩定位,陆地吊机吊振动锤振沉的钢板桩振沉吊打工艺。本工程在认真总结典型开工实践的经验后,确定采用先将主桩按照三步送打的方式振沉至设计标高,然后通过钻孔扰动局部土体后,再将辅桩振沉至设计标高。振动吊打工艺施工流程如图2所示。4准备钢渣制备4.1振动锤的计算根据各种经验公式,按照地质参数特征并结合现有设备(APE400型液压振动锤)的技术参数情况进行计算,得出使用APE400型液压振动锤振沉主桩时,最大振动侧摩阻力Tv为2283.3kn。由于辅桩与主桩相比桩长短、桩侧受力面积小,故在计算时,主要考虑主桩的振动侧摩阻力大小来确定振动锤的选型。现有APE400型液压振动锤最大激振力可达3200kN,能够满足振沉主、辅桩的需要。4.2双向导向架结构本工程钢板桩结构与以往U型桩“一面墙”形式不同,U型桩可通过后续沉桩垂直度和桩位逐渐调整来弥补各桩施工偏差,而本工程必须保证每1根主桩的垂直度和桩位偏差在容许范围内,才能确保辅桩的正常振沉施工。因此,每1根主桩都很关键,必须使用具备高精度的导向定位装置和严密的测量控制手段,才能确保工程施工质量和工程进度。本工程采用300mm×300mm和600mm×200mm的H型钢为主要构件材料,焊制长12m,高4m,一次可打7根H桩的双层双向导向架。通过导向架上下两层的导向槽控制H型钢板桩的沉桩位置。导向架的固定依靠布置在导向架两侧的4根导桩作为基础,通过导向架梁与导桩的焊接固定形成一个稳定的结构体,从而保证导向架在沉桩过程中起到H型钢板桩的限位作用。导向架结构和安装见图3。垂直度分为垂直板桩墙纵轴线方向和沿板桩墙纵轴线方向的垂直度。设计要求沿板桩墙纵轴线方向垂直度均为高度的0.5%;垂直板桩墙纵轴线方向垂直度均为高度的1.0%。而为了保证辅桩能够正常振沉,减少主、辅桩之间的锁口摩擦阻力,我们在导向架制作和施工质量控制方面力求两个方向垂直度均控制在高度的0.3%以内。导向架分为上下两层,上层导向限位槽口的顶面与下层的底面高差为4.0m,主桩在导向限位槽口内时,沿板桩墙纵轴线方向上的最大间隙量为10mm,垂直板桩墙纵轴线方向上的最大间隙量为6mm,这样,垂直度最大偏差分别为:沿板桩墙纵轴线方向10/4000即0.25%,垂直板桩墙纵轴线方向6/4000即0.15%。导向架限位槽口如图4所示。4.3钢管桩的密度根据工程土壤特征和施工工艺要求,导桩选用厚度为δ=12mm,直径为800mm,长度为10m的钢管桩。为了避免在导桩振沉过程中桩体旋转使槽口位置不能满足导向架梁的安装,故而在导桩内设置长度为80cm的桩尖“十字板”和侧向抗扭翼板。施工中,四角导桩振沉标高难免不能保持一致,使用钢垫板(δ=4~30mm各种规格)找平,使得导向架安装时导向架梁底端保持相对水平。4.4吊机吊机方案考虑到导向架安装后,导向架顶面距离地面约6m高,主桩由吊机吊立插入导向槽口也要桩尖高出导向架顶面一定高度,故主桩立桩时桩顶距离导向架顶面至少30m高,加之钩头距离扒杆顶一定的安全距离,吊机吊高至少要满足40m;辅桩立桩时,桩顶距离地面至少24m;稳桩后,吊机吊起振动锤至主桩桩顶夹桩施工,锤体占据净空高度约12m;APE400型液压振动锤夹具、过渡梁质量约27t,主桩质量约8t,辅桩质量约3.6t,故综合考虑起重力、跨距和设备稳定性等各方面因素,辅桩打桩吊机选用150t履带式吊机配备48m扒杆,喂桩选用55t履带式吊机,主桩打桩吊机选用250t履带式吊机配备58m扒杆。另外,对突破施工工艺难关起决定性作用的电动旋挖钻机的选用,是根据典型施工摸索出经验以后,结合工程特点,选用直径为500mm的钻杆,钻杆长度约22m,实际控制钻孔底标高不低于-15.5m,即码头前沿港池底标高。还分别在主、辅桩施工流水处配备一台EX200型履带式反铲挖掘机进行基槽开挖施工,确保钢板桩振沉至设计标高。5重要的地板切割工艺、施工方法和要点5.1导桩施打5.1.1起振动锤和导桩沉桩控制250t吊机吊起APE400型液压振动锤夹在导桩桩顶设置的夹桩翼板上,垂直吊起振动锤和导桩对准经全站仪定位测放的桩位上,在纵、横向经纬仪控制导桩垂直度的情况下进行振动沉桩。导桩沉放完毕后,使用水准仪测量导桩槽口底标高,垫铁块等物调整导向架梁底高度,使得导向架梁安装入槽后导向架顶面保持水平,确保钢板桩垂直入槽。5.1.2导向槽口偏转误差导桩振沉过程中,在测量人员检查桩位平面偏差的同时,指挥人员需观察导桩顶部导向槽口的方向,保证导向槽口偏转误差能够满足导向架梁的入槽安装。导桩周转使用,导桩拔出过程中,吊车起重力不可过大,应保持匀速。导桩桩尖露出地面后,应使用重锤敲击桩侧壁,使桩内土体脱离,避免因余土残留桩内使下次振沉导桩时受阻。5.2导向架的安装5.2.1导向架偏差值复核使用水准仪复核导向架上已画好的水平控制线是否保持在一定的误差范围内(容许偏差5mm)。在复核导向架上水平线偏差的同时,使用全站仪分别测出分布在导向架上的测量点坐标,与相应的理论测量点坐标相比较,得出导向架四角安装偏差值,以指导导向架位置的调整。导向架安装、调整完毕后,使用型钢、铁板等将导向架梁与导桩之间焊接固定,使导向架和导桩形成一个稳定的整体。5.2.2导向架平面坐标和水平线应同时进行导向架从已振沉的主桩中抽出或套入主桩时,应注意导向架整体稳定、缓慢起吊或下落,严防导向槽口与已打主桩桩身发生大力磕碰而造成变形。复核导向架平面坐标和水平线应同时进行,需要调整偏差时,切不可将不同时态的数据混用。由于导向架水平线的偏差决定了导向架整体三维结构的偏差,因此,要注意经常检查预先在导向架上制作好的三维标志线,并在复核水平线时,控制偏差值在容许误差范围内(±5mm)。5.3主柱的打捆5.3.1导向架和振沉桩的施工(1)主桩振沉施工采取跳跃式往复打法。振沉桩位编号顺序为6号→4号→2号→1号→3号→5号,每根主桩初打1次使桩顶到导架顶面以上约0.5m高度即可将导向架抽出。再将导向架0号桩位的导向槽套入已沉完的6号桩上,作为第2组预沉主桩的施工导向。沉桩施工顺序见图5。(2)主桩稳桩于导向架内以后,250t吊机吊起振沉H桩的APE400型液压振动锤在距离桩位约50m以外的垂直板桩墙纵轴线方向和沿板桩墙纵轴线方向上布置的2台经纬仪的监测下进行振沉。主桩初沉桩完毕并吊移导向架后,振动锤继续进行送桩至地面,再用反铲挖掘机挖土至桩顶下1m后,继续振沉至设计标高。5.3.2继续振沉桩施工(1)当250t吊机吊桩入导向架后,在纵、横向仪器控制下,左右前后调整吊机扒杆,使钩头、锤体、桩中心在一条垂线上,确认无误后,启动振动锤,在吊钩带劲下,徐徐掂钩振沉。(2)主桩初沉桩过程中,注意桩身垂直度变化,发现偏差,应振动上拔一定高度,重新调整后,再继续振沉。(3)导向槽口上的铁楔子是控制桩身垂直度偏差的关键工具,应设专人看护,避免铁楔子因桩身挤压而偏离原位,造成桩身偏位量继续扩大,影响垂直度控制。(4)待主桩桩顶防腐涂层下沉至接近铁楔子处前,看护人员应及时拔出铁楔子。(5)主桩振沉尽可能一气呵成,减少因来回调整桩位使主桩在振动锤的高频振动下对周围土体产生密实作用,影响正常沉桩。(6)由于送桩过程完全属于吊打施工,桩身没有任何固定限位控制装置,因此,在送桩过程中应注意桩身变化情况,吊钩下落保持匀速,不可大幅度变动扒杆角度。(7)主桩初沉(沉至导向架顶面)完毕后,及时使用全站仪测量桩顶处桩位偏差值,量测相邻主桩间锁口在桩顶处的间距,并使用经纬仪精确测出此时桩顶至地面范围相应锁口的垂直度偏差值。据此,可推算出此时相应桩位在桩尖锁口处相邻间距的理论偏差和相邻主桩的桩位偏差、扭转情况,以备振沉该处辅桩时参考。5.4辅助设备的打捆5.4.1辅桩振沉施工(1)主桩送桩至设计标高并回填好基坑后,进行辅桩桩位测放,使用电动旋挖钻机进行桩位钻孔施工。钻孔完毕后再次开挖基坑至主桩顶以下1m,进行辅桩振沉施工。(2)55t吊机起吊辅桩给150t吊机喂桩,150t吊机接桩完毕后,根据挖出主桩桩顶锁口间距量,人工使用手拉葫芦或紧胀器等调整辅桩桩尖锁口间距量,并将桩尖锁口对准相应的主桩桩顶锁口,进行纫槽;(3)纫槽完成后,调整吊钩、锤体和桩身垂直度,确认无误后,启动振动锤,在吊钩有一定吊力下,徐徐掂钩,振动下沉直至设计标高。5.4.2桩、锤沉桩移动操作(1)电动旋挖钻机依据标志好的辅桩桩位,进行钻孔施工。钻孔底标高不要深入港池泥面-15.5m底标高。(2)沉桩过程中,吊钩下落速度要灵活掌握,施工人员要高度集中,注意观察桩身振动、是否带桩、下沉难易程度等,发现下沉困难或带桩等情况,立即停止或将辅桩振动拔起一定高度后,停锤,再研究处理办法,切不可勉强沉桩。(3)发现下沉困难的情况,可在保持桩、锤振动的情况下,通过若干次的起钩、拔桩(拔起一定高度),然后快速落钩(速度根据实际情况而定)的办法解决。若发现实在下沉困难,不能满足沉桩质量要求时,应毫不犹豫地将桩拔起或停止继续下沉,回填基坑后采用电动旋挖钻机在桩位周围钻孔扰动土体的办法解决。6针对钢渣施工中遇到的问题和解决办法(1)旋转轴预钻孔助沉法根据激振力、振幅和动端阻力等的计算,原选用APE400锤振沉主桩,选用我国由最大激振力1430kN改为1650kN的DJZ200型电动振动锤振沉AZ桩。经典型开工,AZ桩仅振沉几米就振不动了,观测到该锤仅能瞬时达到1650kN激振力,实际运转只有1430kN,当时误认为锤型小而振不到设计标高,经研究决定改为APE400锤振沉辅桩。但试振中,观测到振动阻力已接近APE400型液压振动锤的最大激振力3200kN,发现锁口摩擦过热、发红、变形,仍振不到设计标高。经冷静分析认为原本比较密实的砂层,经钻孔标贯试验检测,两侧H桩振沉后的砂层标贯击数比H桩振沉前普增3至18击,砂层达到极密状态,这样挤紧AZ桩10mm厚的壁板,使其不能在弹性范围内自由伸缩变形,中间的锁口不能转动,于是AZ桩两侧锁口不能与已有的平面变位、扭转和倾斜的两侧H桩锁口间距量相适应,使主、辅桩锁口间的摩阻力相当大,导致AZ桩振沉困难。且目前国内外均无法定量测出H桩任何变位下与AZ桩间的摩擦力值。于是从施工组织设计时提出的高压射水、预钻孔和钻孔结合置换等预案中,采用了预钻孔助沉法。实施后,AZ桩便顺利振沉至设计标高,突破了钢板桩振沉工艺难关。(2)沉桩效果分析施工中,及时测量相邻主桩锁口的垂直度偏差和间距偏差,以此推算桩尖处锁口间距的偏差情况。收集了386个理论推算桩尖处锁口间距值,通过对这些数据和实际桩位(辅桩)沉桩情况的对比,发现如下几个特点(仅供参考):(1)间距为负偏差(-3~-277mm)的有165个,为正偏差(1~370mm)的有216个,为零的有5个。(2)出现偏差在-180~180mm范围以内的相应位置处的辅桩,可以较顺利地振沉至设计标高。超出此范围的通过上拔下冲振动或配合多次使用电动旋挖钻机扰动周围土体的方式,可沉至设计标高。(3)桩顶锁口间距通过对以上几点特点的分析,发现相邻辅桩桩位所对应的锁口间距偏差为正值的比为负值的更容易振沉至设计标高;理论推算的桩尖处相邻锁口间距为主桩初沉后,即桩顶标高为+10m左右状态下的垂直度与桩顶锁口间距的推算值,存在一定的误差,并且在后续送桩施工过程中桩位也存在变化等不确定因素。但实践证明,我们在施工中采用的理论推算值指导施工的方法是有效的,根据推算值预测的沉桩效果基本与实际相符。7质量标准和等级主桩沿板桩墙纵轴线方向的垂直度偏差(允许偏差±0.5%),合格率为96.2%;主桩垂直板桩墙轴线方向的垂直度偏差(允许偏差±1.0%),合格率