CN101581097A - 大型组合钢板桩振动下沉工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种大型组合钢板桩振动下沉工艺方法：使用APE400型液压振动锤振沉主桩、辅桩，及对锤体夹具改造：采用双层双向固定式导架结构和钢板桩沉桩质量控制方法，对钢板桩沉桩施工采取跳跃式往复、间隔往返的沉桩施工方法。本大型组合钢板桩振动下沉工艺方法发明，施工中具有较高的生产效率和效益，并且节能环保。减少了施工设备燃油用量和废气排放污染，同时还节约钢材使用量581t，具有显著的节能环保效益。

Description

大型组合钢板桩振动下沉工艺方法

技术领域：

本发明属于水运工程技术领域。特别涉及一种大型组合钢板桩振动下沉工艺方法。

技术背景：

钢板桩于20世纪初在欧洲开始生产，由于历史的原因，目前我国的钢板桩年消耗量只占世界的三百分之一，与我国钢铁总量占世界三分之一的消费总量极不相称。受日韩和过去苏联影响，市场主要以U型钢板桩居多，Z型则很少使用。

20世纪50年代，我国首次在铁路桥梁围堰施工中，由铁道部大桥局从原苏联引进使用。由于受廉价土地资源及人力资源的影响，加之国内生产基本处于空白状态，作为金属建材的钢板桩，在我国的应用与发展仍然十分缓慢。20世纪末，随着中国工业化进程的发展，钢板桩在国内的应用越来越频繁，需求量不断增长。2000-2001年，马钢先后生产HP400系列钢板桩5000余吨，成功地应用于国内外的钢板桩工程。毫无疑问，21世纪上半叶，钢板桩的广泛应用必将开创中国水工及基础施工建筑领域的新纪元，成就中国建筑工法的新革命。

差距就是潜力，中国目前钢板桩应用与推广与几年中国的H型钢应用与推广的市场形势有着相当大的雷同。而钢板桩沉桩施工技术的掌握与发展，就是各施工单位所面临的一大技术难关。目前中国经济正处于历史的大发展时期，国家有关部门已着手编写钢板桩的有关标准。据调研，未来的10～20年，我国的水域改造及临江靠海地区的基础建设将为钢板桩应用提供广阔的空间。

发明内容：

本发明的目的是提供一种大型组合钢板桩振动下沉工艺方法，它是高效优质完成陆地进行钢板桩沉桩施工的方法，。大型组合钢板桩平面布置图如图1所示。

主要是：

1.工程沉桩施工锤型的选定方法，计算桩身静侧摩阻力与振动力之间的关系，确定经验公式。

2.沉桩施工过程控制数据并与实际施工工况相适应的经验参数。

3.一整套钢板桩陆地沉桩施工操作规程。

一种大型组合钢板桩振动下沉工艺方法：

1.使用APE400型液压振动锤振沉主桩、辅桩的锤体夹具改造方案。

1.1沉桩锤型的确定

根据几种经验方法估算的总动侧摩擦阻力T_V，经综合分析确定T_V后所初选的振动锤若满足以下三个基本条件，即可选定振动锤型：

(1)振动锤的激振力P₀大于被振沉构件与土的动侧摩擦阻力T_V；

(2)振动锤系统的总重量Q₀大于振沉构件的动端阻力R_v；

(3)振动锤系统的工作振幅A₀大于振沉构件到要求深度所需最小振幅A。

若校核时发现P₀＜T_V时，则应减少估计沉入深度，或选取更大功率的振动锤；若P₀远大于T_V，则应增加估计沉入深度或选取功率较小的振动锤。同时在这两种情况下，还分别校核Q₀＞R_v和A₀＞A的情况。总之反复计算直到三个基本条件均满足时为止。

通过各种经验公式验证，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T_V为228.33t。现有APE400型液压振动锤最大激振力可达320t，能够满足振沉主、辅桩的需要。

1.2振动锤的改造

码头前墙采用我国首创的大型H和AZ型组合钢板桩，需先穿过20余米厚的密实砂层后至设计标高，入泥32余米。经核算需要约230吨以上激振力的大型振动锤，才能将桩沉至设计标高。将两台APE400型液压振动锤由原先振动壁厚250mm钢筋混凝土大圆筒的夹具，改为振动厚度小于80mm的钢板的夹具，重新设计制作了相应的过度梁，其它构件不变，振动锤性能不变，完成本工程钢板桩振沉施工任务，使新结构在此复杂恶劣的地质上成为可能，改造的两台APE400型液压振动锤起到了决定性的作用。

(1)在不伤害夹具原结构的原则下，卸下原夹齿，加工一对满足要求的加长夹齿。在主桩腹板布置两个夹具，APE400型锤原配两个夹具，不需要再制作。锤的长方向亦于主桩腹板平行布置，重新设计制作一个与之相适应的过渡梁。

①改造后的夹具，非工作状态时间距为90mm，两齿各可伸缩45mm，全伸出后净距为0。

②为防止主桩受力部位变形，经核算将单个夹齿面积为897.6cm²。

③为克服夹具组装时空间不足的限制，将两侧夹齿均分成两段，一段在导向槽内叫滑块，长度为195mm；另一段在导向槽外露部分叫夹齿，长度为150mm，总长为345mm。

④为保证导向槽的强度和刚度，经核算，材质采用40Cr并进行热处理。

⑤考虑主桩腹板较薄，为防止夹紧后牙齿处钢板变形，新做夹齿的牙齿改为113°。这样既夹的牢，也减小了板被夹处的变形。

⑥为克服夹具和过渡梁之间联接时空间狭小操作不变的困难，采用通孔穿螺栓的方式进行联接。

⑦为使夹具夹主桩，对位快捷准确，在原夹具下端两侧各增加外倾30°长短不一的导向板。

(2)设计、制作一个适合于辅桩施工且与APE400型液压振动锤锤体相匹配的液压夹具，从而达到辅桩锤型的改造任务。通过严密的计算，设计出的适用于振沉辅桩的新夹具能够进入相邻两根主桩之间的空隙中，确保辅桩能振沉到设计标高，不受主桩桩顶高度的影响。

2.双层双向固定式导架结构和钢板桩沉桩质量控制方法

2.1双层双向固定式导架结构

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。

2.2钢板桩沉桩质量控制方法

(1)使用水准仪复核导向架上的水平控制线是否保持在容许的误差范围内(±5mm)。

(2)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流动控制点坐标，与相应的理论坐标相比较，得出导向架四角安装偏差值，以指导导向架位置的调整。

3.钢板桩沉桩施工工艺。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的施工方法。在20m厚砂层地质中，使用振动锤振沉桩，结合电动旋挖钻机扰动土体的工艺方法，通过实践证明是成功的。

选用一台250t打桩吊车(杆长58m，双钩履带式吊机)配APE400型液压振动锤，在沉桩流水前方进行主桩(HZ975B型钢板桩)插打并送桩至设计标高施工；一台150t打桩吊车(杆长48m，双钩履带式吊机)配APE400型液压振动锤，在流水线后方进行辅桩(AZ1810/10型组合钢板桩)的插打施工。

为了提高施工效率，保证施工安全，给150t打桩吊车配备一台55t履带式吊车进行稳桩(喂桩)施工。同时在主桩、辅桩施工流水之间布置一台电动履带式旋挖钻机，在辅桩施工前进行桩位钻孔施工，扰动周围土体，并分别在主桩、辅桩施工流水处各配备一台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。

①主桩振沉施工采取跳跃式往复打法。布置两台经纬仪，实时监测主桩在振沉过程中，垂直板桩墙纵轴线方向和沿板桩墙纵轴线方向上的垂直度偏差。

②每根主桩初打一次使桩顶到达导架顶面以上约0.5m的高度即可将导架抽出。再将导架0#桩位置的导向槽套入已沉完的6#桩上，作为第二组预沉主桩的施工导向。

③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辅桩桩位钻孔施工。

④钻孔完毕后再次开挖基坑，进行辅桩振沉施工。

本发明的特点和优点：

国内已有的钢板桩工程特点	本发明特点	国外钢板桩工程特点
			所采用的钢板桩桩型单一(AZ型或U型或CAZ型等)，桩长较短	29m的HZ975B和23m的AZ1810/10型组合钢板桩，属国内首创使用	有与本工程相同的组合式钢板桩结构的工程实例，桩长相似
施工中出现的“扇形”倾斜偏差，可以使用楔形桩进行纠偏	设计已明确指出不得使用楔形桩	在与本工程相同的组合式钢板桩结构工程中，不使用楔形桩
			传统“屏风式”打法，逐根依次插打，间跳复打、送桩的施工方法	如此新颖的结构施工，传统打法是否适用，需要进一步研究和实践	先逐根插打主桩，再插打相邻两根主桩之间的辅桩，最后复打、送桩
从工程地质资料看，密实土层较少且不厚，均较有利于钢板桩沉桩	①砂层厚度近20m②N≥50击的较多(局部达100击)	有地质相似的实例，但没有如此厚的砂层，标贯击数也更有利于沉桩
			钢板桩单侧锁口摩擦受力，一侧不受约束，锁口摩擦阻力小	辅桩两侧锁口均受到主桩的约束，锁口摩擦阻力无法估量	目前，没有辅桩两侧锁口摩擦阻力大小的计算方法和有效的检测办法

使用本发明的施工方法具有较高的生产效率和效益，并且节能环保。

经济效益：

节约钢板(夹桩一字板)	0.332t/个×2个/组×875组＝581t
		节约材料及相应加工费	581t×0.75万元/t＝435.75万元
节约振动锤购置成本费	297.6万元/台×2台＝595.2万元
		花费主桩锤改造费用	10万元
花费辅桩锤改造费用	17万元
		直接降低工程成本	435.75万元+595.2万元-10万元-17万元＝1003.95万元

由于两台液压振动锤改造的成功，采用工艺方法得当，我们不仅获得了显著的经济效益，更重要的是由于主桩桩顶1米范围内不焊增厚钢板，不会造成电焊高温使钢桩受热而强度降低，保证了钢桩的内在质量。

社会效益：

随着我国交通基础设施建设的快速发展和国家“十一五”计划的顺利实施，港口开发建设将成为近几年乃至十几年的主流，而码头结构形式也将逐步朝着更加简单化、合理化、综合性价比高、投资少、见效快的趋势发展。而曹妃甸煤码头起步工程码头结构形式的脱颖而出，也正是为今后港口建设开辟先河，提供借鉴。因为我国是发展中国家，更需要先进的技术力量，而国外的同类技术在国外港口的应用中，其作用、发展空间和综合效益远不及国内。

在大型振动沉桩设备资源极度困难的情况下，成功改造APE400锤夹具，确保并提前完成该工程大型钢板桩的振沉。在20余米厚的密实砂层上，采用改造后的振动锤将我国首座遮帘式大型钢板桩振动吊打成功，并提前完成，赢得了良好的社会效益。

节能和环保效益：

该码头沉桩工程工期仅用5个月时间就全部完成，比计划提前30天完成，减少了施工设备燃油用量和废气排放污染，同时还节约钢材使用量581t，具有显著的节能环保效益。

附图说明

图1组合钢板桩平面布置图(图中：：1主桩、2辅桩、3锁口)

图2APE400型振动锤原夹头示意图(图中：4与过度梁连接螺孔、5正常工作极限、6夹齿、7夹齿导向槽)

图3APE400型振动锤改造后夹头示意图(图中：4与过度梁连接螺孔、5正常工作极限、6夹齿、7夹齿导向槽、8H桩导向装置)

图4APE400型振动锤新夹头(夹辅桩)示意图(图中：9臂杆、10活塞杆、11活塞杆销轴、12油缸、13活动夹齿、14固定夹齿、15油缸座、16油缸座销轴、17AZ1810/10S390GP型板桩)、

图5钢板桩沉桩施工工艺流程图

图6导向槽口示意图(图中：1主桩、18导向架支撑平台、19铁楔子、20导向槽口、21铁楔子)

图7主桩沉桩施工顺序示意图(图中：0#1#2#3#4#5#6#为桩号；0’1’2’3’4’5’6’为沉桩顺序号；箭头方向为沉桩施工方向；22为双层双向固定式导架、23主桩)

图8双层双向固定式导架俯视图(22为双层双向固定式导架)

图9H型钢板柱图

图10AZ型钢板柱图

具体实施方法：

结合具体计算和设计说明本一种大型组合钢板桩振动下沉工艺方法：

1.用APE400型液压振动锤的校核

从地质资料知，钢板桩振动下沉侧摩阻力较大，且主、辅桩之间的锁口摩阻力大小无法定量计算，必须选用大功率的振动锤。拟选用我局代为长江口航道整治有限公司保管的APE400型液压振动锤振沉主、辅桩。APE400型液压振动锤应满足3个基本条件：(1)振动锤的激振力P₀等于、大于被振沉的构件与土的动侧摩阻力T_V(2)振动锤系统的总重量Q₀大于振沉构件的动端阻力R_V；(3)振动锤系统的工作振幅A₀要大于被振构件穿过土层所需的最小振幅A。

1.1振沉动侧摩阻力计算

计算激振力钢板桩参数如表1，APE400型液压锤的主要技术参数以及其配套振动设备重量(可先设定)见表2。

钢板桩主要技术参数    表1

初选锤及配套设备主要技术参数    表2

根据经验公式计算振沉主桩动侧摩阻力Tv汇总于表3。

振沉主桩(H)动侧摩阻力汇总    表3

注：美国公式取μ＝0.1～0.4的大小两个值。

参照表3，结合以往选锤经验，本着“选用备用功率足够的振动式打桩锤”，综合分析后，用2300KN作为本工程振沉钢板桩选振动锤的依据。

由表2知APE400的激振力P₀＝320.3t＞T_V＝230t，所以满足要求。

1.2桩端动阻力RV计算

利用经验公式 $\mathrm{RV}=8\mathrm{NFe}-0.065^{\sqrt{I}},$ 计算振沉H桩的动端阻力为133.0KN。

由表2知APE400锤Q₀＝353.56KN＞R_V＝133.00KN，所以满足要求。

1.3振幅计算

用表2中数据，估算振动体系的工作振幅 $A_0=\frac{15000}{34106}=4.4\mathrm{mm},$ 振沉到要求深度所需最小振幅 $A=\frac{100}{12.5}+3=11.0\mathrm{mm},$ A₀＝4.4mm＜A＝11.0mm，但据经验水下砂质土壤A＝1mm就足够，所以A₀＝4.4mm＞A＝1mm，满足工程要求。

综合激振力、桩端动阻力和振幅计算，选择APE400型液压振动锤振沉H型桩是满足要求的，确定用APE400型液压振动锤振沉该工程的钢板桩。

2.APE400液压振动锤振沉H型桩的改造

2.1改造方案的选择

APE400液压振动锤原为长江口航道整治工程，通过同步轴将4台锤联合，振沉直径12米、壁厚250mm的钢筋混凝土大圆筒所制造，后又只将共振梁加大，其它构件无任何改变的继续振沉了番禺南沙蒲洲海堤工程，直径13.5米，壁厚14mm的40个大直径钢圆筒。现在要用一台APE400型液压振动锤振沉HZ975B钢板桩，显然必须对其夹具和过渡梁(连接锤和夹具间的构件)进行改造，才能满足振沉的需要，并且改造还必须遵照不能改变原APE400锤的性能和部件的原则。

2.1.1夹具的改造方案

原夹具见图2，两面夹齿相对伸出后，最小间距为200mm，全部退回后(非工作状态)最大间距为400mm。换言之，两侧夹齿伸缩量最大为100mm，显然施打腹板厚只有14mm的H型桩夹具是不满足要求的。振沉番禹壁厚14mm的钢圆筒时，是在筒壁内外两侧焊加筋板增厚至210mm。本工程在不伤害夹具原结构的原则下经深化反复比较采用：卸下原夹齿，加工一对满足要求的加长夹齿，用完后，卸下新夹齿再把原夹齿组装上去，恢复原状的方案。

2.1.2过渡梁设计制作方案

H型桩腹板垂直于码头纵轴线，振动锤的夹具只能布置在H型桩腹板上。若在中间布置一个夹具，板厚仅14mm，加之地质上部有20米左右的中密、密实砂层，振沉困难，在强大振动力反复作用下，腹板被夹部分易变形，于是决定在H型桩腹板布置两个夹具。APE400型每锤原配两个夹具，不需要再制作。锤的长方向亦于H型腹板平行布置。过渡梁按以上要求，重新设计制作适应的过渡梁。

2.2改造技术要点

改造后的夹具见图3。在不改变原构造的原则下，为保证改造一次成功，并牢固经久耐用，我们采用了以下7点关键技术措施，这也是确保APE400锤应用在该工程的创新点。

(1)改造后的夹具，非工作状态时间距为90mm，两齿各可伸缩45mm，全伸出后净距为0，这样既可满足本工程板厚14mm的需要，也可适用振沉壁厚小于80mm的多种构件，扩大了该锤的使用范围。

(2)原夹齿平面尺寸为172mm(垂直方向)×230mm(水平方向)，由于H型桩腹板厚仅有14mm，挤压力量较大，为防止受力部位变形，经核算将夹齿加大到272mm(垂直方向)×330mm(水平方向)。单个夹齿面积为897.6cm2。

(3)为满足夹H型桩腹板14mm的需要，两侧夹齿必须加长，但由于原夹具本体又不能改变，致使安装新夹具时，一侧夹具先安装后，另一侧夹具安装则空间不足，即无法组装，这样必须将两侧夹齿均分成两段，一段在导向槽内叫滑块，长度为195mm；另一段在导向槽外露部分叫夹齿，长度为150mm，总长为345mm。二段连接采用过渡配合连接，无间隙，不松动，确保在振动锤工作时的紧密性、整体性。

(4)滑块和夹齿连接一体后，在工作时，导向槽外露部分(193mm)较长，相当一悬臂梁，在强大振动力交替作用下，为保其强度和刚度，经核算，材质采用40Cr并进行热处理。

(5)原夹齿的牙齿角度为90°，考虑H型桩腹板较薄，防止夹紧后牙齿处钢板变形，新做夹齿的牙齿改为113°。这样既夹的牢，也减小了板被夹处的变形。

(6)在H型桩两翼板内皮净距941mm范围内布置两个夹具，空间相当的紧凑，两夹具间内皮净距仅有150mm，若按正常，夹具和过渡梁均采用攻丝联接，但其内侧有8根连接螺栓，由于空间小，用任何工具都无法安装，我们采用通孔穿螺栓，使问题得到完好解决。

(7)为使夹具夹H桩，对位快捷准确，在原夹具下端两侧各增加外倾30°长短不一的导向板。

3.APE400型锤振沉AZ型桩的改造

3.1改造方案

3.1.1夹具改造方案

振沉H、AZ型桩夹具不能共用。AZ桩截面形状比H型桩复杂，振沉夹齿的设置较H桩困难。为振沉受力合理，在AZ桩两侧腰部(腹板)各置一个夹具。原APE400型液压振动锤两个夹具呈“八”字形状布置，内侧两端部相碰，也布置不下。经仔细研究后，只用APE400型锤原夹具油管动力部分，全新设计两个夹具，布置在AZ桩两侧的腰部形心处。

3.1.2新过渡梁设计制造方案

原先为布置夹具方便，过渡梁长方向与码头纵向平行。梁长3米多，相邻一组H桩间距仅1.79m，这样势必在两侧H型桩打至标高1.0米后，才能施打AZ桩。钢桩施打顺序将受到限制。于是改为过渡梁长方向与APE400型振沉H桩一样布置，即过渡梁长方向与码头前沿线垂直布置，两个H型桩间净间距1260mm，APE400型锤(含夹具)总宽930mm，空间位置足够，这样可使打桩工艺简化，加快施工。

3.2技术改造要点

(1)AZ桩板厚10mm，比H型桩还薄，经核算，夹具加大到360mm(垂直方向)×267mm(水平方向)，夹齿面积为961.2cm2，防止在强大冲击力作用下，受夹部位变形失稳而破裂。见图4。

(2)为使夹具在AZ桩顶对位快捷准确，不仅在AZ桩内侧夹具上加导向板，而且在AZ桩底部外侧加导向板，这样只要吊锤至桩顶，先将底部导向板贴至AZ桩顶底背部，其它部位也便快捷插入桩顶对位夹紧。

4.钢板桩施打方案及工艺

地质勘探资料表明，从地表以下20米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20吨左右重的柴油锤压至桩顶，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钢板桩的振沉吊打工艺。

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5所示。

5.钢板桩施打前的准备工作

5.1振动锤选型

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228.33t。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320t，能够满足振沉主、辅桩的需要。

5.2导向架制作

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的逐渐调整来弥补各桩施工偏差，而本工程必须保证每一根主桩的垂直度和桩位偏差在容许范围以内，才能确保辅桩的正常振沉施工。因此，每一根主桩都很关键，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。

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％和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导向限位槽口的底面高差为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6所示。

5.3导桩

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φ800mm，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。

5.4机械设备的配备

考虑到导向架安装后，导向架顶面距离地面约6m高，主桩由吊机垂直吊立插入导向槽口内需要将桩尖越过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，加上钩头距离扒杆顶一定安全距离，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、过渡梁总重量约27t，主桩重量约8t，辅桩重量约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，对于突破本工程施工工艺难关起到决定性作用的电动旋挖钻机的选用，是根据典型施工总结摸索出经验以后，结合工程特点，选用直径为φ500mm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。

6.钢板桩施打关键工序的施工方法及要点

6.1导桩的施打

6.1.1方法

250t吊机使用振沉H桩的APE400型液压振动锤夹在导桩桩顶上设置的夹桩翼板上，垂直吊起振动锤和导桩对准用全站仪定位测放的桩位，在纵、横向经纬仪控制导桩垂直度下进行振动沉桩。导桩沉放完毕后，使用水准仪测量导桩槽口底标高，垫铁块等物以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。

6.1.2要点

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。

6.2导向架的安设

6.2.1方法

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。

6.2.2要点

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)。

6.3主桩的施打

6.3.1方法

(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#→4#→2#→1#→3#→5#，每根主桩初打一次使桩顶到达导向架顶面以上约0.5m的高度即可将导向架抽出。再将导向架0#桩位置的导向槽套入已沉完的6#桩上，作为第二组预沉主桩的施工导向。沉桩施工顺序见图7。

(2)主桩稳桩于导向架内以后，250t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两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，250t吊振沉H桩的APE400型液压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。

6.3.2要点

(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，在吊钩有一定吊力下，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，采取振动上拔一定高度，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APE400型液压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，量测相邻主桩间相邻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桩位偏差、扭转情况，以备振沉该处辅桩时参考。

6.4辅桩的施打

6.4.1方法

(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吊机起吊辅桩给与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，进行仞槽；

(3)仞槽完成后，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。

6.4.2要点

(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，指挥人员和操作人员要高度集中，注意观察桩身振动、是否带桩、下沉难易程度等情况，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。

Claims (1)

1、一种大型组合钢板桩振动下沉工艺方法：

1)使用APE400型液压振动锤振沉主桩、辅桩，及对锤体夹具改造：

1.1)沉桩锤型的确定：

根据几种经验方法估算的总动侧摩擦阻力T_V，经综合分析确定T_V后所初选的振动锤若满足以下三个基本条件，即可选定振动锤型：

(1)振动锤的激振力P₀大于被振沉构件与土的动侧摩擦阻力T_V；

(2)振动锤系统的总重量Q₀大于振沉构件的动端阻力R_v；

(3)振动锤系统的工作振幅A₀大于振沉构件到要求深度所需最小振幅A；

若校核时发现P₀＜T_V时，则应减少估计沉入深度，或选取更大功率的振动锤；若P₀远大于T_V，则应增加估计沉入深度或选取功率较小的振动锤；同时在这两种情况下，还分别校核Q₀＞R_v和A₀＞A的情况；总之反复计算直到三个基本条件均满足时为止；

选定使用APE400型液压振动锤振沉主桩，最大振动侧摩阻力T_V为228.33t；现有APE400型液压振动锤最大激振力可达320t，能够满足振沉主、辅桩的需要；

1.2)振动锤的改造

将两台APE400型液压振动锤由原先振动壁厚250mm钢筋混凝土大圆筒的夹具，改为振动厚度小于80mm的钢板的夹具，制作相应的过度梁，其它构件不变，振动锤性能不变；

(1)在不伤害夹具原结构的原则下，卸下原夹齿，加工一对满足要求的加长夹齿；在主桩腹板布置两个夹具，APE400型锤原配两个夹具，不需要再制作；锤的长方向亦于主桩腹板平行布置，制作一个与之相适应的过渡梁；

①改造后的夹具，非工作状态时间距为90mm，两齿各可伸缩45mm，全伸出后净距为0；

②单个夹齿面积为897.6cm²；

③将两侧夹齿均分成两段，一段在导向槽内叫滑块，长度为195mm；另一段在导向槽外露部分叫夹齿，长度为150mm，总长为345mm；

④材质采用40Cr并进行热处理；

⑤新做夹齿的牙齿改为：113°；这样既夹的牢，也减小了板被夹处的变形；

⑥采用通孔穿螺栓的方式进行联接；

⑦在原夹具下端两侧各增加外倾30°长短不一的导向板；

(2)制作一个适合于辅桩施工且与APE400型液压振动锤锤体相匹配的液压夹具，适用于振沉辅桩的新夹具能够进入相邻两根主桩之间的空隙中，确保辅桩能振沉到设计标高，不受主桩桩顶高度的影响；

2)双层双向固定式导架结构和钢板桩沉桩质量控制方法：

2.1)双层双向固定式导架结构：

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，保证导向架在沉桩过程中起到H型钢板桩的限位作用；

2.2)钢板桩沉桩质量控制方法：

(1)使用水准仪复核导向架上的水平控制线是否保持在容许的误差±5mm范围内；

(2)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流动控制点坐标，与相应的理论坐标相比较，得出导向架四角安装偏差值，以指导导向架位置的调整；

3)钢板桩沉桩施工工艺方法：

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的施工方法；在20m厚砂层地质中，使用振动锤振沉桩，结合电动旋挖钻机扰动土体的工艺方法；

选用一台250t打桩吊车：杆长58m，双钩履带式吊机，配APE400型液压振动锤，在沉桩流水前方进行主桩——HZ975B型钢板桩——插打并送桩至设计标高施工；一台150t打桩吊车：杆长48m，双钩履带式吊机，配APE400型液压振动锤，在流水线后方进行辅桩——AZ1810/10型组合钢板桩——的插打施工；

给150t打桩吊车配备一台55t履带式吊车进行稳桩、喂桩施工；同时在主桩、辅桩施工流水之间布置一台电动履带式旋挖钻机，在辅桩施工前进行桩位钻孔施工，扰动周围土体，并分别在主桩、辅桩施工流水处各配备一台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；

①主桩振沉施工采取跳跃式往复打法；布置两台经纬仪，实时监测主桩在振沉过程中，垂直板桩墙纵轴线方向和沿板桩墙纵轴线方向上的垂直度偏差；

②每根主桩初打一次使桩顶到达导架顶面以上约0.5m的高度即可将导架抽出；再将导架0#桩位置的导向槽套入已沉完的6#桩上，作为第二组预沉主桩的施工导向；

③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辅桩桩位钻孔施工；

④钻孔完毕后再次开挖基坑，进行辅桩振沉施工。

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