探索格型钢板桩结构技术的应用思维导图

放手你走

2023-03-01

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应用

技术

结构

探索

钢板

定位

异形

基础

安装

填充

工程纠纷

建筑工程施工

工程施工方案

广州港新沙一期1#~5#泊位水工工程，是我国首次应用钢板桩格型结构技术，利用世界银行贷款、按FIDIC条款建设的国家“七.五”重点工程。本工程3.5万吨级泊位5个，长1030m，由43个直径为21m的钢板桩主格体和42个副连接弧组成。工期26个月。工程前期因适应FIDIC条款监理方式较慢，工期拖后半年，格型结构技术应用遇到的技术难题，使形势变得更加严峻。省、市领导对此给予很大重视。在新沙工程领导小组的领导下，业主、监理和承包商各方都给予高度重视，对基槽回填砂振冲密实、格体的吊运定位和沉桩等关键工序，监理工

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思维导图大纲

1 简介

格型结构的钢板桩分直腹式钢板桩和浅弧式钢板桩。格型结构可以是带连接弧的格体，也可以是有共同直隔板的隔板式格体。格体用30°Y桩或90°T桩（下称异形桩）来连接付弧，30°Y桩连接使格体留有较大的空格并减少格体中的环向拉力。隔板式格型结构用120°Y桩连接。格型结构通常有4 根异形桩。异形桩由钢板桩通过焊接、铆接或高强螺栓连接而成。

2 钢板桩检查和基础开挖

在格型结构开始安装之前，检查钢板桩的直线度、锁口形状、钢板桩形状和叠层裂纹。如果这项检查工作不认真仔细，那么在插桩时桩将插不下，或在打桩时把桩打出了锁口。

因此用2m长同样形状的锁口，通过每一根钢板桩的锁口来检查钢板桩的直线度，并报废沿钢板桩锁口局部有扭结、或过分弯曲或翘曲的钢板桩。每一个钢板桩锁口必须干净无杂物，喷砂除锈和喷涂防护油漆施工时所粘带的铁砂和油漆必须清除干净。

用卡尺抽检钢板桩锁口尺寸的容许误差。这个检查是要保证锁口的拇指不太大或太小，以及拇指和手指之间开口也不太宽或太窄。满足测量容许误差的锁口，能较好地提供所必须的锁口强度，并给格型结构相连桩之间最大角度的摇摆和密封度。合适的钢板桩锁口容许误差为（E270SP或E360SP或E390SP）：拇指宽度最大 33mm,最小 25mm;槽开口最大20mm,最小15mm。

进行肉眼很难看见的叠层裂纹检查，它常以一条黑线或开口裂纹的形式在桩的端部、吊孔、锁口范围出现。报废任何有叠层裂纹的钢板桩。虽然当叠层裂纹平行板宽时它并不降低钢板桩的强度，但是，有叠层裂纹的钢板桩，因其叠层裂纹可能横跨板宽或与板宽成一角度，在格型结构的抗拉荷载的作用下会造成强度上的失败。

检查每一根异形桩的尺寸和连接。当异形桩通过焊接制作而成时，要仔细检查焊接质量，防止格型结构在回填填充料后在焊接异形桩处出现强度失败。

把阻碍格体桩施打的卵石、沉积物、纤积物和影响格型结构承载力及稳定的淤泥或其他不理想的土层挖除掉，并回填易于沉桩的中粗砂。

对直腹式和浅弧式钢板桩，打桩深度不应超过6m，减少到3m则更有利，因为基础开挖通常比把桩打入同样的深度经济，且较小打桩深度可得到较好形状的格体，而过份打桩常把桩打出锁口或桩底部卷曲。对密实的砂基础打桩深度应尽可能低于3m，对硬粘土基础应低于2m。

3 施工导架、吊具和施工设备

3．1 钢围囹

插桩时在钢围囹上下环与格体桩之间，用一个木定距块来把钢板桩临时定位撑牢，以保证格体的圆度。

钢围囹有4个或更多的定位井，使承力管桩可穿过定位井，在钢围囹或格体精确定位后，将承力管桩打至一个坚固的持力层以承担钢围囹的重量。

钢围囹和定位管桩的连接采用千斤顶抱箍和钢锲吊担两种双重保险传力机构。钢锲吊耳即传力杆是可活动的螺栓杆，可以调整钢锲至钢围囹的距离以适应定位管桩可能打到不同的深度。千斤顶抱箍能在格体基础不很平整的情况下保证钢围囹的精确定位，钢锲吊担在千斤顶可能因长时间作业而回油或因电力问题时，将钢围囹的重量传给定位管桩。

格体和连接弧的导架均可在其上下环处做成内外环，外环可相对于内环外伸和内缩。这样做可适应格体直径的变化和给桩锤打桩空间，对连接弧来说，可调整出合适的连接弧。

3．2 付弧导架

付弧导架是由已安装好后的格体桩支承的。付弧导架应考虑两个格体的4根异形桩可能的偏位而在格体纵轴方向留有30~40cm的空间。

3．3 格体吊具

采用陆上拼装格体方案必须用一个吊具把每一根格体桩连同钢围囹一起吊运至安装地点。钢板桩在插桩前，应在每一根桩高出水面的部位标出桩的长度刻度标志以便沉桩观测。21m长的直复桩采用一点吊没问题。21~26m的直复桩采用一点吊须小心作业以防钢板桩超过屈服极限。

3．4 水上插打桩设备

采用两艘打桩船，一艘吊起钢围囹和定位管桩，另一艘在钢围囹定好位后将定位管桩沉至持力层。打桩船最好是双钩吊，以便于对闭合后的钢板桩进行“摇摆”作业，使钢板桩形成恰当的闭合弧并避免钢板桩锁口的扭结。在最低插桩水位时，打桩船吊臂吊钩处到水下基础的高度应至少有两倍钢板桩长度。

3．5 陆上拼装格体设备和吊运安装设备

采用塔吊进行陆上拼装格体，塔吊吊臂高度应大于两倍最大桩长。吊运设备必需有足够的起重能力。新沙一个格体起吊重量为303t（格体桩重157t、钢围囹重70t、4根定位管桩重24t、吊索具重33t、平衡块19t），采用500t浮吊吊运安装。

4 安装定位控制

4．1 水上插打桩时钢围囹的定位

在定位管桩吊离水下基础的状态下进行定位。由2台经纬仪交会钢围囹中心点钢筋标杆，同时其中的1台经纬仪初核1根异形桩的位置。在钢围囹中心点对中后，同时松开抱箍定位管桩的千斤顶，让定位管桩自由下落于水下基础上，再将定位管桩沉至能支承钢围囹重量的持力深度，然后将钢围囹降低至所需的标高并用钢锲锁牢。

钢围囹定位精度控制在10cm之内可施工得到恰当形状的格型结构。在钢围囹定位后，用经纬仪在钢围囹上下环上放出4根异形桩的位置方向。注意，钢围囹上下环直径比格体桩的直径小。

4．2 格体的安装定位

安装格体之前先对欲安装格体的水下基础进行清淤。若不清淤，淤泥夹层将降低格体的抗滑抗倾力。安装后的格体应满足格体桩的平面位置容许偏差及法向切向垂直度和格体圆度要求。要满足这些要求必须考虑以下三点应对措施：

b. 格体桩和钢围囹的水平相对位置，在定位安装过程中必须保持不变。用木定距块在钢围囹上下环处，把每一根钢板桩和钢围囹撑紧使它们成为一个整体，使之不会因风浪水流的冲击而发生相对位移。

c. 在定位安装过程中，必须保持格体桩的切向和法向垂直度。当格体因桩长度或厚度不统一而不是一个重量对称体时，必须配平衡块以保持格体的垂直度。

做到以上三点后，就可将格体当作一个圆柱体来定位。

在格体吊运安装前，将临时固定装置移去。格体吊起后，格体桩和钢围囹在垂直方向上是可以相对滑动的。用2台经纬仪对格体的三根异形桩进行定位，其中一台经纬仪控制海侧2根异形桩，另一台经纬仪则交会1根海侧异形桩并观测1根陆侧异形桩。注意格体的移动因水的阻力作用比浮吊移动稍慢。

格体在潮汐水域中安装必须选择在流速较缓的平潮期进行，且应在较急的涨潮或退潮到来之前，有足够的时间来将格体桩打入基础中至少1m，使格体初步具有抵挡涨退潮水冲击保持不变位的锚固力。

风会产生对水中较大物体的波浪作用。如果预测将有5级大风出现，则应停止水上安装格体。

格体的定位受到定位时风、波浪、潮流、过往速度较快的船舶引起的阵浪和定位浮吊的锚固能力等众多不可预见因素影响。格体定位的关键是控制海侧2根异形桩的平面位置偏差为主，陆侧异形桩为辅。异形桩平面位置偏差海侧≤10 cm、陆侧≤15cm时能得到较为满意的格型结构。原则上格体定位宁可偏向陆侧也不偏向海侧以保证码头前沿线。实际定位可根据定位时涨潮或退潮的潮流方向有意识做些超前偏位3~5cm。

4．3 格体定位过程控制

a. 定位时格体及钢围囹的四根定位管桩吊离水下基础的距离尽可能小，且保持格体桩垂直。在格体已定位于容许误差之内后，同时松开包箍四根定位管桩的千斤顶，使定位管桩自由垂直下落于水下基础上。

b. 再次观测格体定位偏差。若此时偏差已超出容许范围，那么降低钢围囹和格体重新包箍定位管桩并重复a项定位过程，直到定位管桩落到基础上时格体仍在容许偏差之内。

c. 将定位管桩打下基础，把钢围囹降低于所要求的标高并用钢锲将其锁牢，再缓缓将格体降到基础上。

d. 此时第三次观测格体的定位偏差。如果格体的定位偏差超过了容许误差，那么必须将格体及定位管桩拔起，重复a、b、c、d项的定位。一般来说，此种情况只有当管桩落于基础上或打管桩时突然遇到大的阵风或过往速度较快的船舶引起的巨浪或不可预料的潮流才会发生。如果偏位仍然理想，那么可解去格体及钢围囹的吊索，进行打桩作业。

5 水上插打格体桩及其连接弧桩

插打异形桩：沿钢围囹准确定位异形桩；把桩临时固定于钢围囹上。异形桩成为插其余格体桩的起始桩。

闭合：大直径格体最少有四个闭合口，闭合口应选在两根异形桩的中间而决不选在异形桩处。用两根预先互锁的钢板桩能较好地进行格体的闭合，且要用不同长度的吊索使两根钢板桩底部相错开以便钢板桩对锁闭合。将闭合弧段的数根钢板桩提起并摇动，直到钢板桩钢板桩形成一个圆滑的弧段。打桩船是双钩吊时摇摆作业是极为方便的。

在潮汐水域中插打格体桩，必须在流速较急猛的涨潮期或退潮期到来之前，对已闭合弧段的钢板桩完成锚固打桩作业（约1m）,对未闭合弧段的钢板桩的施打可稍浅,使已插好钢板桩底部锚固于基础中，从而具有抵抗急速的涨退潮流冲击的锚固力，这样钢板桩不会走出或内进格体线或倾斜而极难打下。

6 陆上拼装格体

在陆上设四个定位管桩杯基，在钢围囹定位后用木楔在杯基里将定位管桩固定。在地上按格体的拼装直径放出格体线，在钢围囹上环上按格体桩数放出格体的方向位置。钢围囹中心点的安装误差应≤5cm。

先安装四根异形桩，在保持异形桩垂直的情况下，通过在异形桩上预先焊好的螺帽用螺栓把异形桩准确固定在钢围囹上，异形桩底部要对准地上所标明的异形桩位置。安装好四根异形桩后以异形桩为起点插其余的格体桩，格体桩用定距块和钢丝绳临时固定，闭合口选在两根异形桩的中间。

7 钢板桩的施打程序、方法和控制要点

在闭合桩已插入并将数根邻桩提起且摇摆以减少闭合弧段钢板桩锁口的拉紧和扭绞，此时才可开始打桩。

在插桩时没有在锁口中自由跑动的钢板桩，打桩时将扭绞，连续强硬打桩通常把桩打出了锁口或使钢板桩锁口熔在一起。因此插桩前应仔细进行钢板桩检查和涂擦黄油，插桩时应小心保持桩的垂直。

打桩时应小心保持桩锤垂直以避免钢板桩倾斜和扭绞。

当钢板桩或一对钢板桩在相邻钢板桩沉至一样高度之前沉得太远将是不适当打桩。打桩阻力决定在必须进行其相邻桩施打前能把桩打下多深。这个打桩提前量在第一轮打桩时不宜超过1.5m，随着打桩阻力的增加打桩提前量将减少。沿着格体的一个方向打桩将引起钢板桩向该方向越来越倾斜以至引起锁口扭绞而使钢板桩损坏。恰当的打桩程序为：

a. 先将异形桩两侧的四根直腹式钢板桩打下约1.5m，使异形桩的位置精度在格体精确定位后的极短时间内得到保证。

b. 两打桩船各伺格体的一侧，按对称交替、分散间隔、循环往复的方法在2~3小时内完成第一轮格体桩的施打，使格体的位置精度、圆度和格体桩的垂直度得到保证，也使格体具备抵挡较急涨退潮冲击的抵抗力。

c. 按第一轮打桩程序依次进行第二、第三、第四轮，每轮打桩的提前量将依次减少，直至整个格体桩打到设计标高。

在打桩过程中如某一弧段的钢板桩开始出现倾斜，则应先在该倾向一侧的倾斜桩终止处即垂直桩开始处,将仍垂直的钢板桩打下数根以防止倾斜桩的继续扩散，再从倾斜桩的另一侧开始倾斜桩的施打。为了把稍微倾斜的钢板桩调垂直，可让振动锤（砂土基础）反倾斜方向倾斜打桩，利用锤的水平分力逐步纠正倾斜的钢板桩。此方法对倾斜较大钢板桩无效。

当打桩遇到障碍物时（可从钢板桩和桩锤的奇异表现来判断），应停止打桩并将障碍物清除，注意别把障碍物旁边的桩打下然后指望障碍物处的钢板桩可被带下。

细砂将阻塞锁口并引起好象不恰当插桩时引起的扭绞。克服细砂问题较方便的方法是在钢板桩的内外侧喷射水。仅在钢板桩外侧喷射水会渐渐引起钢板桩底部外移倾斜和越来越大的锁口阻力。喷射水会降低基础的密实程度。

在格体桩完全打至要求的深度之前，千万别进行格体填充料的回填，或指望填充料对格体的侧压力可将倾斜的格体调正。因为格体的回填将引起格体桩的变形从而增加打桩阻力最终导致格体桩未能打至最后的深度。

在格体桩全部打到设计标高后，应立即进行格仓填充料的回填以维护格体的稳定。对在较深水域中安装的格体，应在填充料回填到一定高度后，才将钢围囹吊出再继续进行回填。填充料回填落点应在格体的中心，以防格体因填充料压力不均造成格体侧倾和变形。连接弧在其相连的格体完成回填填充料后才可进行回填。

填充料应为颗粒状干净的材料。回填没有细骨料的岩石虽然可提供极好的剪切阻力，但其排水特性会允许太多的水通过格型结构。反之，过细的填充料将阻碍水的恰当排泄。

9 格型结构的先打桩后回填方案和先部分回填后打桩方案的比较

格体在回填之后由于钢板桩锁口孔隙的收紧格体直径将增大。为了得到较为满意的格型结构，施工中曾引出了有争议的两种施工方案即先打桩后回填方案和先部分回填后打桩方案。

先打桩后回填方案的优点是（1）施工简单可控，可在较短的时间内完成格体的第一轮沉桩，从而使格体初步具有抵抗风浪潮流冲击而不变位的锚固力；（2）在定距块能保证格体桩与钢围囹没有直径方向的相对位移后格体的圆度已得到保证。缺点是因打桩时锁口没有完全收紧导致打入基础的格体部分的直径比其上部小，但由于填充料的自重密实和振冲器的振实作用，基础部分的格体直径将有所增大，所以这一缺点是微不足道的。

先部分回填后打桩方案的优点是（1）先行抛置部分填充料可使格体桩锁口收紧较好地保证了格体的圆度；（2）先行抛置部分填充料在一定程度上可维护格体不因风浪潮流冲击而变位。缺点是（1）对回填设备操作要求高，且很难在短时间内完成回填，格体可能因碰撞或回填不均而倾斜变位，倾斜后也不能作出纠正。（2）由于直腹桩极为柔软，格体桩在部分回填后将变形而增大打桩阻力。

综合以上分析还是先打桩后回填方案较有优势，实践也证明此方案是行之有效的。

10 水上插打格体桩和陆上拼装格体的比较

陆上拼装格体方案，除具备水上插打格体桩方案所需的设备外，还须具有拼装场地、塔吊和足够起重力的安装浮吊。

陆上拼装一个格体约需要2天，一个格体的定位安装和沉桩约需要2天，拼装和定位沉桩可平行进行，因此速度是较快的。在水流较缓的水域进行插打一个格体桩需要6天时间；在流速较急或潮差大于2m的潮汐水域进行插打格体桩，格体桩易受波浪潮流冲击而倾斜，使锁口扭绞以致增加打桩难度，一个格体的插打桩作业时间因而延长，甚至导致格体桩安装不理想而不得不返工。因此对处于流速较急或潮差大于2m的大型格型结构，应尽量采用陆上拼装格体，并选择流速较缓的高潮或低潮平潮期进行安装。

11 格体的变形和沉降

11．1 独立格体回填填充料后的变形

格体回填填充料后，格体桩产生锁口拉力并因受力横向变形而使格体发生“桶凸”，最大“桶凸”发生在相对高度1/4~1/3的范围内。直腹式钢板桩的“桶凸”幅度约7~15cm。

打入砂基础的格体最大锁口拉力出现在格体基础面上格体自由长度的1/3处，且锁口拉力由格体桩顶部至最大点处呈直线变化。格体桩在基础面稍下产生了约束。最大锁口拉力可能靠近格体基础面或远在其上面，这取决于格体桩施打后的锁口拉力、基础的局部变化、填充料的材质和密实度。

11．2 付格及格型岸壁后方回填后格体的变形

陆侧格体桩在格体回填填充料时因锁口收紧向外移，在后方回填时则|来源考试大%向前移，但总的趋向仍是外移约10cm。海侧格体桩在格体和后方回填时都向外（海侧）移。海侧格体桩在其顶部向海侧移约30cm，其中因锁口收紧而外移约占26cm。这个外移是格体桩在格体填充料作用下因锁口收紧外移和后方回填荷载的作用下因格体桩很柔软而发生向海侧的柔性倾斜产生的。码头上部结构施工应考虑这个特点。

11．3 沉降

格型结构基础和格体填充料均为经振冲密实的中粗砂，在施工期间发生的最大沉降为11.6cm。

12 结语

格型岸壁是采用锁口抗拉强度大的板型钢板桩互锁成格，格内填合适填充料而形成不用导梁和锚定设施的稳定重力式墙，即使基础底下为岩层或下层土为岩层而钢板桩打不下时也如此。对水深大、挡土高度大和较长的建筑物来说，格型结构是经济的。当支撑或锚定设施不能采用或不经济时，格型结构特别有利。

与其他结构的钢板桩墙相比，格型结构需要增加的钢板桩墙的面积，将由其他型式的钢板桩墙需要更重和更长的板桩而节省的重量，以及不用导梁和锚定设施而得到抵偿。作为两边需要靠船的凸堤式码头，采用格型结构的优越性是浅而易见的。与扶壁或方块重力式相比，格型结构的门机轨道梁不需设置桩基础而节省了造价。格型结构的安装速度是快的，新沙曾有过月安装速度250m的施工。

数智技术在工程设备管理中的应用思维导图