大型双排钢板桩在海域围堰中的施工关键技术

上海市基础工程集团有限公司 上海 200432

双排钢板桩围堰具有施工速度快、防水性能好、可重复利用等诸多优点，广泛应用于各种永久性和临时性工程[1-3]，包括港口、核电站取排水、码头、河道护岸等。在海域工况下，工程多位于海陆结合处，施工难度和风险大大增加。船舶和打桩设备的选择受到海域环境及工程本身设计要求的影响；受到海域潮汐风浪的影响，钢板桩插打、合拢的质量控制难度增加[4]。

本文就三门核电站一期排水口工程为例，结合现场工况条件，介绍了海域大型双排钢板桩围堰工程的施工过程，针对钢板桩插打质量控制、围檩拉杆系统、钢板桩合拢等关键技术进行分析研究，提出了相关问题的解决方案和改进措施，为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

围堰为双排钢板桩内填芯土筑成，宽10 m，周长535.4 m。钢板桩采用拉森WRU26型，外排钢板桩顶标高为+6.0 m，最大桩长28.5 m；内排钢板桩顶标高为+3.0 m，最大桩长为25.5 m。钢拉杆采用Φ40 mmQ345圆钢对拉，间距2.6 m，围檩采用双拼32b#槽钢。围堰内侧采用格栅型水泥土搅拌桩作为基坑围护，宽度4～9 m。围堰图示如图1、图2所示。

根据地质勘查报告描述：围堰跨越2 种地貌单元，分别为基岩区及海滩区。西侧基岩区向东逐步过度到海域，海域地貌为海涂滩地，滩地表面地形较为平坦，平均高程在－0.5～－1.0 m左右。海域地层分布主要为①3层流泥、②层淤泥、③黏土等，分布相对稳定，具不同的结构强度，其他地层多呈透镜体产出，层位不稳定。第①3层流泥、第②层淤泥、第③层黏土超固比＜1，为欠固结土，具高压缩性。其余为正常—超固结土，具中等压缩性。

图1 围堰结构体系平面示意

图2 围堰结构体系剖面示意

本海域每天2 次高低潮，每月2 次大潮汛。平均高潮位为2.41 m，平均低潮位为－1.86 m，平均潮差4.25 m。受主导风向影响，本海域涌浪较大。

2 船机设备选择

由于海域环境的复杂多变，地质条件、潮汐、风浪、气候条件等外界因素，以及桩型、桩长、入土深度等工程要求，综合地影响着船机设备的选择。本工程所在地海域滩面地形较为平缓，平均高程为－0.5～－1.0 m，滩面为海水内泥沙淤积的部分，呈流动状。根据该区域海域环境及施工要求，选用2 000 t平甲板驳船，驳船长46 m，宽18 m，型深3 m。宽大驳船有利于提高海域作业的平稳性，退潮时滩面平缓，驳船可落于滩面，利于施工。施工用钢板桩最长为28.5 m，单根质量约2.8 t。船上配备700 kN及500 kN履带吊各1 台，采用双机抬吊的方式进行送桩，履带吊的把杆长度满足落潮时的打桩要求。

锤型选择应根据地质条件、沉桩深度、桩型等因素确定。在软土及砂性土地区，可选择振动锤及柴油锤；在需要穿越含碎石的土层时，振动锤的选择必须慎重；在无经验的前提下，不宜选择振动锤进行沉桩。本工程区域钢板桩入土地层为软弱土，选择振动锤进行沉桩。振动锤的选择应根据桩的类型、尺寸以及地质资料计算，沉桩至设计深度。

本工程钢板桩周长理论值为2.45 m，不考虑桩尖阻力，选取沉桩摩阻力最大的截面，根据上述公式计算并考虑一定安全余量，选用DZ90A振动锤，激振力最大570 kN，质量6.19 t。

3 钢板桩沉桩方法

钢板桩沉桩方法有单独打入法和屏风法等[5]。单独打入法是从一端开始，逐根插打至设计深度，这种方法施工简便，速度快，但容易使桩向一侧倾斜。屏风法是将一排钢板桩先预打至一定深度，然后间隔将钢板桩以1/3、1/2板桩高度呈阶梯状打入。这种方法的优点是可以减少钢板桩在沉桩过程中的倾斜和扭转，减少误差；缺点是对吊机、振动锤的要求比较高，而且费时，且在钢板桩在未沉桩到设计标高前，整排都处于不稳定状态，风险较大。综合比较，决定采用单独打入法。

在沉桩过程中不可避免地发生轴向（扇形变形）及垂直轴向的偏移，对打入顺序及限位装置进行了改进，如下所述：

（a）在第1根钢板桩的沉桩过程中，用经纬仪和垂线严格校准钢板桩的垂直度，保证钢板桩沿轴线方向以及垂直轴线方向不发生偏移；

（b）第2根钢板桩就位后，沿第1根的槽口利用自身重力插入，待振动锤加紧钢板桩上口后，缓慢松开吊机主钩，使钢板桩在振动锤的自重下继续下沉，稳定后开启振动锤，使第2根钢板桩下沉到位；

（c）第3根钢板桩沉桩位置选择在第1根的另一侧，按照第2根钢板桩沉桩方式下沉到位；

（d）第4根钢板桩沉桩在第2根一侧，第5根钢板桩沉桩在第3根一侧，以此类推。

钢板桩沿轴向倾斜的主要原因是在施打后面一根桩时，对前面已成型的钢板桩形成沿轴向的拉力，造成已成型的钢板桩倾斜。这种倾斜程度是累计增加的，当达到一定倾斜程度后，继续沉桩将使钢板桩扭曲。本工程中采用上述沉桩方法减少了沉桩的偏移，在打入一定数量（约20 根）的钢板桩后，可沿用单独打入法按顺序依次沉桩，这样可减少桩向一侧倾斜。

4 围檩与拉杆安装

双排钢板桩围堰的围檩拉杆系统至关重要，是保证围堰实体在形成中以及在后续工作中稳定的重要受力体系。在围堰芯土填筑期间，2 排钢板桩通过围檩拉杆系统约束芯土的侧向位移，确保钢板桩、围檩拉杆系统与芯土三者相对稳定；在围堰形成后，内外排钢板桩通过围檩拉杆系统，与芯土形成一个整体系统发挥作用。

工程所在区域地层淤泥土深厚，呈流塑状，强度低。在填土过程中，钢板桩外侧的土体所能提供的侧向约束力小，大部分依靠钢板桩自身刚度以及围檩拉杆系统承担。根据计算结果，采用单根Φ40 mm Q345b圆钢作为拉杆（间距2.6 m），外侧围檩采用双拼32b#槽钢。原方案中拉杆与围檩的连接方式采用焊接，经分析这种现场焊接的工艺存在不足，一是海域工况环境，对现场焊接作业的质量控制难度大；二是施工效率底，涨潮时用电设备无法作业。针对上述情况，对围檩拉杆系统进行改进，采用“抱箍”方式，如图3所示。

图3 双排钢板桩围堰的围檩拉杆系统示意

这种围檩拉杆体系有如下优点：

（a）受力结构体系简单可靠。该体系中，围檩和拉杆是联系内、外排钢板桩的主要受力构件。在2 排钢板桩外侧安装围檩，一方面提高单排钢板桩的整体性，同时分散了拉杆与钢板桩的受力；拉杆通过围檩、牛腿支撑等将内、外钢板桩联系起来，主要承受填筑芯土时的侧向压力。

（b）减少现场焊接作业，提高了施工质量可靠性。整个安装过程除了需在钢板桩上开孔供拉杆穿入之外，无需其他的焊接作业，提高了海域工况环境下钢板桩围堰施工的质量控制，同时也提高了施工速度和安全性。

（c）拉杆的松紧程度可以现场调节，有利于围檩拉杆系统受力的均匀性。在芯土填筑期间，由于钢板桩之间的相互联系，填筑的位置的前后一段范围均受到影响，导致安装好的拉杆松动，需及时进行调节。采用螺栓的形式，可以灵活地调节围檩拉杆系统的松紧程度，从而使钢围檩拉杆系统受力均匀。

围檩和拉杆安装采用船上吊机配合。首先进行测量定位，定出外侧围檩中心标高位置，在钢板桩上作出明显标记，标高误差不超过±5 mm。安装围檩时，每隔5.2 m焊接牛腿于钢板桩上，作为搁置、安装围檩槽钢的支座。用吊机将外侧围檩槽钢搁置在牛腿上，然后焊接上部限位板，围檩与钢板桩不贴合处，采用钢板垫实。拉杆安装时，先将钢板桩上穿孔位置开孔，比拉杆直径大约10 mm，设置橡胶止水垫，减少沿拉杆孔的渗漏，然后安装垫板、螺栓等附件。螺栓安装必须紧固，保证整个拉杆基本呈水平状态。

在填土过程中，下层拉杆始终保持受拉状态，随着填土高度的增加，钢板桩之间的填土压力影响范围逐渐向下发展，使内、外钢板桩在入土一定深度范围内均受到向外的侧向压力。钢板桩入土部分向外变形，以下层拉杆为固定点，钢板桩顶端逐渐向内偏移，造成上层拉杆逐渐松弛。经分析计算，钢板桩插入的土层较软，土体的基床系数小，不足以提供足够大的被动土压力，下层拉杆以下的土层受填土影响，向两侧挤压，导致钢板桩顶端向内偏移。在施工过程中，对上层拉杆及时进行紧固。

5 钢板桩合拢

钢板桩合拢位置宜根据围堰形状、地质条件、水文情况等因素进行选择。本围堰为喇叭口形，围堰合拢前，过水面积较小，受潮涨潮落影响，其合拢口处的水流较快，会对钢板桩的沉桩带来一定影响，因此合拢处沉桩选择在低潮位时施工，减少水流对钢板桩的影响。针对合拢前的工况，相应采取一些措施：

（a）钢板桩锁口之间具有一定的密封性，由于过水断面小，在涨落潮期间，钢板桩内外存在一定水位差，导致钢板桩发生变形，为减少合拢前围堰内外水位差对钢板桩的侧向压力，在钢板桩上设置了若干道活动闸门。

（b）在合拢位置的两侧的5 根钢板桩范围内，初步估算最后合拢的钢板桩锁口之间的宽度，利用钢板桩锁口之间的自由转角（一般在10°以内）进行调整。严格控制钢板桩的垂直度，确保连接合拢桩的两侧钢板桩的垂直度和开口距离。

（c）将合拢桩两侧的钢板桩调整为高低桩，在合拢桩插入时，一侧对准后，再对准另一侧，可降低同时对准2 个锁口的难度。如遇到稍许的错口偏差（＜10 mm），可利用手拉葫芦进行调整。待合拢桩达到设计标高后，再将高处的桩锤击到位。

6 结语

钢板桩围堰因施工速度快、受力性能好、抗渗性好、节约钢材等优点，越来越多地应用于大型海工、港工工程中。在海域环境下施工大型双排钢板桩围堰，施工工艺、施工方法、施工顺序等受制于外界环境因素和工程内在因素的影响。

针对外界环境因素，主要从海域的潮汐、地质、气候及水文等方面进行考虑；针对工程内在因素，需从围堰结构形式、钢板桩型号、围檩拉杆形式及芯土填筑要求等方面进行考虑。

（a）由于海域环境较为复杂，应对现场的施工环境条件进行分析，考虑到潮汐、风浪、地质条件的影响，结合工程质量、安全及工期等要求选择合适的船型、吊车以及振动锤等机具。

（b）沉桩锤型应根据地质条件、沉桩深度、桩型等因素进行选择。在软土及砂性土地区，可选择振动锤；对于需要穿越含碎石的土层，振动锤的选择必须慎重，在无经验的前提下，不宜选择振动锤进行沉桩。

（c）钢板桩沉桩方法有单独打入法和屏风法等。单独打入法施工简便，速度快，但容易使桩向一侧倾斜。屏风法可以减少钢板桩在沉桩过程中的倾斜和扭转，减少误差；但对吊机、振动锤的要求比较高又费时，在沉桩过程中风险较大。在施工过程中针对单独打入法进行工艺改进，有效地控制了钢板桩的垂直度偏差。

（d）围檩拉杆系统的结构形式应考虑到海域施工环境的复杂性，实际施工过程中宜采用简单有效地围檩拉杆结构体系，同时应根据不同的地质条件、钢板桩插入深度、芯土填筑等对拉杆围檩系统进行验算和调整，确保围堰的安全性。