钢板桩在海域沉桩过程中的垂直度控制

上海市基础工程集团有限公司 上海 200432

1 工程概况

本工程海域围堰采用双排钢板桩形式，呈喇叭口状，出口段宽67 m、末端宽171 m。整个围堰东西向长168 m，中心线周长约535.4 m，为迄今为止该电厂项目最大的排水口围堰工程。围堰钢板桩采用拉森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#型槽钢。围堰形成后在内侧施工水泥土搅拌桩，形成围堰基坑的围护体系，后续进行基坑开挖施工内部结构。

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渡到海域，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之间。海域地层分布主要为①3层流泥、②层淤泥、③层黏土等，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。

2 沉桩准备

2.1 沉桩设备

根据该区域海域环境及施工要求，选用2 000 t平甲板驳船，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[1,2]。本工程所在区域地层分布主要为软弱土，钢板桩入土深度范围无硬土层，选用DZ90A振动锤进行沉桩。

2.2 沉桩平台

导桩及作业平台在钢板桩施工中作用非常重要（图1）。首先，作为钢板桩施工的导向，使钢板桩始终沿着设计轴线排列；其次，通过在导桩上设置一些限位措施，对钢板桩的垂直度及轴线上扇形偏移起到控制作用，保证了钢板桩的施工质量；同时，也为施工人员提供海上作业平台。导桩及作业平台必须保证准确性，利用岸上平面控制网对导桩进行定位，导桩在沉桩过程中可能产生一定偏移，可通过导梁、作业平台进行微调。导桩及作业平台必须稳定，并具备一定强度，防止在钢板桩插打过程中与其碰撞产生变形。

图1 导梁及作业平台示意

导桩采用500 mm×300 mm×10 mm×20 mmH型钢，沿围堰轴线每隔14 m设置导桩，每组导梁打设4 根导桩，然后在导桩上焊接牛腿，牛腿位置为标高+4.8 m及+1.8 m，牛腿下部与导桩之间焊接斜撑，再在牛腿上搁置导梁，通过全站仪精确定位导梁位置，焊接固定。为严格控制钢板桩竖向垂直度，采用双层导梁，上下间距3 m，可限制钢板桩在初始下沉过程中的方向，以便控制钢板桩的轴线。两侧导梁与钢板桩宽度之间间隙控制在5 cm，即保证了导向的准确性，又可防止钢板桩在下沉过程中由于振动摆幅过大而影响导梁的稳定。

3 钢板桩沉桩

钢板桩沉桩方法有单独打入法和屏风法等[3]。综合比较，决定采用单独打入法。

通过对钢板桩在沉桩过程中贯入速度、贯入状态等分析，将沉桩分为几个阶段：

（a）依靠钢板桩以及振动锤的自重，在静力作用下，钢板桩一般可贯入5～7 m，该部分土层主要以①3流泥层为主。该层在宏观上表现特征为自然状态下强度极低、有流动性、失水后强度高。

（b）开启振动锤后，在激振力的作用下，钢板桩逐步下沉，在穿越②层淤泥土时，沉桩速度较快，为4～6 m/min，振动锤的电流较小，反映出沉桩阻力较小。在此过程中，相邻钢板桩基本上无跟桩现象发生。

（c）进入③层黏土时，沉桩速度明显下降，约为3 m/min，振动锤电流逐步上升。随着沉桩深度的增加，钢板桩发生一定量的倾斜。

（d）在基岩浅埋段，桩底在进入基岩附近，贯入度很小，振动锤上跳强烈，钢丝绳带动履带吊把杆大幅度抖动，振动锤的电流突变增大。经与地质剖面图核对，桩底位于层粉质黏土混角砾层中，未有明显贯入。后选择DZ120A振动锤进行试沉，振动锤跳动明显，甚至出现钢板桩底口卷边的现象，也无法贯入层中。最终沉桩的桩底控制以该层为止。

4 沉桩质量控制

4.1 沉桩垂直度偏差分析

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，经分析研究，主要原因有以下几点：

（a）振动锤由于偏心作用力，在运行的同时会产生一定幅度的自转，导致钢板桩在沉桩过程中发生扭曲，引起垂直轴向的偏移；

（b）根据施工情况，土层强度越小，插入深度越大，垂直度偏差越大。经分析，区域地层土质主要为流泥和淤泥，强度低，在沉桩过程中桩端较自由，加之钢板桩本身较长，整体刚度低，惯性矩小，引起轴向及垂直轴向的偏移；

（c）钢板桩锁扣对准后，另一侧相对自由，在沉桩过程中由于挤土作用，容易起垂直轴向的偏移；

（d）钢板桩锁扣存在一定间隙，在沉桩过程中，入土部分桩体之间的锁扣相对紧密，土面以上部分锁扣相对松弛，形成下压上拉的状态，多根桩累计后形成扇形变形。

4.2 沉桩垂直度改进措施

针对上述原因，作出具体措施，对钢板桩沉桩时垂直度控制进行了相应改进。

（a）增加配重平衡装置，限制振动锤自转（图2）。在履带吊的把杆上安装2 个定滑轮，钢丝绳一端连接配重块，另一端连接振动锤的两侧，限制振动锤自转。在振动锤起落的过程中，依靠滑轮装置，配重平衡块始终作用于振动锤的两侧。通过上述装置的改进，振动锤在沉桩过程中稳定下沉，减少了自转导致的钢板桩扭曲。

图2 振动锤平衡装置示意

（b）钢板桩锁口之间有一定的自由旋转角度，通过横向限位滑轮及限位横档，控制钢板桩沿轴线方向的倾斜及锁口的位移，使钢板桩在垂直于钢板桩的轴线方向上不会偏移过大；限位滑轮及横档采用滚动轴，减小下桩过程中的摩擦力（图3）。

图3 钢板桩垂直度及轴线控制装置示意

（c）由于钢板桩成开口形，成桩过程中一侧受到相邻锁口的限制，另一侧相对自由，受土压力的挤压，相对自由部分的钢板桩会产生变形，造成了钢板桩上大下小的形状，而且越深的位置变形越大。通过在钢板桩两口间设置横向翼板，限制钢板桩的变形，增加钢板桩的抗扭刚度。这种增加翼板的措施使钢板桩扇形变形的减小（图4）。

（d）在累计垂直度偏差达到设计允许值时，可采用异形桩进行纠偏。在现场加工条件允许的情况下，可利用原有钢板桩进行制作，从中间进行气割，然后焊接成上小下大的形状进行调整。钢板桩切割后焊接，需辅板进行补强，防止在焊口强度降低造成钢板桩整体变形。根据垂直度偏差大小，异形桩的两边不平行边的夹角尽量控制在1.0%～1.5%，并且通过多次纠偏的方式进行调整。

图4 钢板桩增加翼板减少扭转

（e）充分利用本海域的地质条件，在成桩过程中，振动锤夹紧钢板桩后，利用自重下沉到一定深度（主要穿越上部的流泥层、淤泥层），可使钢板桩露出泥面的自由端尽可能短，利用入土部分限制钢板桩在成桩过程中的变形。

通过上述技术措施的改进，钢板桩的垂直度得到了有效控制，均在规范控制的范围内。对于累计下来垂直度偏大的情况，则采取异形柱调整。

5 结语

海域软弱土钢板桩施工在振动沉桩时，受到地质水文条件、自身运行等因素影响，将产生垂直度偏差。

本工程通过改进沉桩施工工艺，包括增加振动锤防扭转配重和钢板桩沉桩限位装置、对开口钢板桩增加翼板以增强其抗扭刚度等措施，有效地提高了钢板桩的垂直度控制质量和工效。对不同工程，宜根据具体工况条件进行沉桩工艺选择和过程控制，确保沉桩质量。