珊瑚砂/礁灰岩材质特殊, 在世界范围内存量较少, 科研资料及可查阅的公开资料较稀缺, 珊瑚砂地层为软硬互层, 孔洞发育、级配不均、颗粒易破碎, 而礁灰岩具有典型硬脆性, 均对钢板桩护岸施工提出极大挑战。

振动沉桩在普通地层中是常见的桩基施工技术, 且振动沉桩通常仅用于中等长度以下的桩基施工, 尤其当桩基底部为硬土层或岩石层时, 往往需要与冲击式沉桩配合使用。本工程由于特殊环境限制, 在上部为珊瑚砂、底部为礁灰岩的坚硬地质条件下, 仅采用振动沉桩实现超长钢板桩沉桩施工, 与国内常规钢板桩护岸施工工艺与设备选择有所不同^[1,2,3]。

钢板桩施工设备种类很多, 按照打桩方式不同可分为以下几种: (1) 冲击打桩机械自由落锤、蒸汽锤、空气锤、液压锤、柴油锤等; (2) 振动打桩机械

既可用于打桩还可用于拔桩, 常用振动打拔桩锤; (3) 静力压桩机械靠静力将板桩压入土中。不同打桩方式优劣对比如表1所示^[4]。

本工程钢板桩所处土层主要为珊瑚砂/礁灰岩层, 工程机械调配困难, 未考虑同时筹备2种沉桩机械。从钢板桩打设形式及长度、地层条件、施工条件、施工难易程度、工程规模及成本等多个角度进行考量, 计划全部采用振动锤进行沉桩作业。后期实际施工中地质条件发生些许变化 (局部区域出现坚硬礁灰岩层) , 现场采用重型挖掘机和履带式起重机配合不同功率和能量的振动锤进行振动沉桩, 并解决使用振动式打桩机将钢板桩贯入礁灰岩地层的技术难题^[5,6]。

珊瑚砂吹填陆域钢板桩振动沉桩护岸施工工艺:珊瑚砂吹填→钢板桩打桩机械设备选型→钢板桩选型→钢板桩主桩振动沉桩→钢板桩锚桩振动沉桩→导梁和拉杆安装→胸墙浇筑。其中, 主要核心技术钢板桩振动沉桩施工工序:钢板桩运输至打桩场地→沿钢板桩轴线区域土方开挖至MSL (平均海水面) ±0.000左右→改装挖掘机, 将料斗卸下并安装振动锤→试桩, 确定合适的振动锤及配合打桩设备→安装引导架→打设钢板桩前再次检查轴线→将钢板桩插入桩位→检查垂直度和轴线→打桩至设计标高→再次检查垂直度和轴线→记录。

钢板桩选型对于护岸设计极其关键, 按照生产工艺可划分为热轧型钢板桩和冷弯型钢板桩;根据产品分类和性能可分成U形钢板桩、Z形钢板桩、直线形钢板桩和Omega形钢板桩等^[4]。

热轧型钢板桩采用热轧形式由H形梁坯通过复杂轧制过程制作而成;冷弯型钢板桩通过轧辊将钢板弯成所需截面形状。热轧型钢板桩止水效果总体上优于冷弯型, 且局部加厚, 防腐效果更好, 可加强局部防腐, 并使锁口连接更紧密, 所以热轧型钢板桩更适宜。

工程上常用U, Z形钢板桩, U形钢板桩宽进深、厚翼缘, 具有良好的静力学性能;结构形式对称, 方便重复利用;方便拉杆及配件安装, 甚至在水下也不例外;最厚部分位于墙体最外侧 (热轧) , 使之具有良好的耐腐蚀性能;止水效果好;截面深度较小, 可有效减小沉桩阻力及上部胸墙体积。

工程现场混凝土单价较高, 珊瑚砂/礁灰岩贯入阻力较大, 钢板桩后无堆载, 受力较小。综合比对U, Z形钢板桩特点后, 发现U形钢板桩更满足工程施工需要, 最终确定使用热轧型U形钢板桩。

钢板桩护岸工程对于钢板桩线形要求极其严格, 虽规范允许偏差为±75mm, 但线形越精确, 对于后期模板架设、钢筋绑扎、混凝土胸墙打设控制越精良, 表观成型越好。

珊瑚砂/礁灰岩地层属于特殊性地层, 材料物理力学性能较国内常见地层差异明显, 对于线形控制较难。通过前期试桩和初步打设即可看出, 线形虽满足规范要求, 但线形一般, 提升空间明显。

通过对打桩过程进行分析归纳及总结, 从以下方面对珊瑚砂/礁灰岩地层振动沉桩施工提出改进方法。

1) 安装钢板桩导向架在钢板桩两侧安装导向架, 固定钢板桩轴线位置, 使钢板桩轴线基本准确。两侧导向架安装须稳定且有一定强度, 测量放线要求高, 焊接强度要求高, 便于钢板桩轴线控制更加直观方便。

2) 安装钢板桩固定器在锁口位置布置固定器 (三角缺口角钢) 将钢板桩固定, 固定器两侧与导向架进行焊接连接, 避免钢板桩振动对轴线和垂直度产生影响。固定器可在开敞侧固定钢板桩, 另一侧由已打设钢板桩支撑, 减缓打桩过程中的振动。

3) 针对礁灰岩等坚硬地层, 对钢板桩底部进行切割处理, 采用楔形体底部处理, 楔形斜面与钢板桩背面夹角45°, 增加贯入性。

严格对轴线进行控制校核。施工前, 通过测量放线确保轴线位置准确;施工中, 通过架设引导梁和端口角钢支撑固定钢板桩, 确保钢板桩轴线位置不偏移, 完全按照放线轴线进行打设;施工后, 对钢板桩轴线进行检查验收, 确定合格后开始下步工序作业。整个钢板桩竖直性明显提升, 偏差从最开始的±30mm到施工后的±10mm, 钢板桩轴线控制技术得到很好应用。

珊瑚砂/礁灰岩地质条件特殊, 地层坚硬, 钢板桩贯入困难, 尤其是D断面 (D断面钢板桩主桩长20m, 礁灰岩顶面标高约-15.000～-17.000m) 钢板桩全部需要贯入坚硬礁灰岩地层^[7], 通过大量摸索、试验、总结, 最终确定履带式起重机配带液压振动锤的施工技术。

本工程试桩分为2部分: (1) 钢板桩施工作业正式开始前, 进行约20延米钢板桩试桩打设, 对钢板桩打设方法和轴线控制手段进行确定, 最终确定在使用振动锤打设钢板桩的同时, 使用导向架和钢板桩固定器等综合控制手段进行钢板桩整体打设; (2) 对整个D断面290m长度范围内每隔50m进行1根钢板桩试打, 确定实际礁灰岩顶面的大致位置和标高。

当钢板桩长度≥10m且≤15m时, 使用挖掘机与360°全方位振动锤组合进行直接振动沉桩作业, 先使用振动锤固定钢板桩中部侧面, 对钢板桩进行提升、打设, 待打设至一定深度后, 改变振动锤方向, 在钢板桩顶部施力, 继续打设至设计标高。

对于长度<10m的短钢板桩, 可采用固定角度的振动锤进行振动沉桩作业, 提高作业效率。同时, 也可采用360°全方位振动锤进行沉桩作业。

对于长度>15m的长钢板桩, 采用履带式起重机结合液压振动锤进行打桩作业。由于此类钢板桩已贯入坚硬礁灰岩, 打设前需对钢板桩底部进行切削处理, 同时应加大固定器和导向架强度, 避免较大振动影响直线性及垂直度。前期准备工作完成后, 将钢板桩通过提升装置扶正后, 用振动锤固定钢板桩顶部, 放至打设位置, 开始打设作业。前期地层较松软, 可快速贯入, 当打设至礁灰岩等较硬地层时, 对于顶面坚壳部分通过来回振动冲击使地层松散, 再持续打入, 直至设计标高。如果发现钢板桩持续打设仍无法贯入, 可停止打设, 开始打设下根钢板桩, 通过循环打设的方法使地层松散, 达到最终沉桩目的。

钢板桩间采用锁口连接, 直角弯处设置直角连接桩, 在大角度非直角连接处设置C9大角度连接桩。如果双面打桩或到拐角处后, 钢板桩长度不满足整桩宽度要求时, 需对钢板桩进行拼接焊接, 焊接拼接工艺如图1所示。

为提高施工质量, 确保优质、高效地完成该护岸工程施工任务, 每日对护岸现场进行巡视, 检查现场钢板桩主桩及锚桩打设情况、拉杆及导梁张拉布置情况、胸墙钢筋模板支设情况、混凝土浇筑情况等。通过每日巡查, 高效了解现场情况, 有效进行质量控制。同时, 通过对钢板桩轴线及垂直度、拉杆及导梁标高和混凝土表观及强度的检验, 达到质量控制的目的。

钢板桩护岸工程实施后进行现场监测, 获得结构与地基相关参数变化规律, 通过监测结果检验护岸施工质量, 并与设计方案进行比较, 进一步验证护岸工程安全性, 增强项目执行社会效益。

远洋岛礁新吹填珊瑚砂陆域钢板桩振动沉桩护岸施工通过对钢板桩选型技术、打桩设备选型技术、钢板桩轴线控制技术、超长钢板桩打设技术等进行研究, 形成技术可行、质量可控、成本节约、安全可靠的珊瑚砂/礁灰岩地层钢板桩振动沉桩施工工艺, 获得良好的技术和经济效益, 可为其他同类项目珊瑚砂/礁灰岩护岸工程提供经验和借鉴。