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船坞坞口围堰钢板桩拔除工艺设计与实践

2023-03-17 来源:客趣旅游网
2011年11月 水运工程 Port&Waterway Engineering NOV.2011 第11期总第460期 No.11 SerialNo.460 ■ 船坞坞口(围中交堰四航局钢第二板李工程桩有伟限,公拔袁司,除广昶东 工广州艺510设30) 计与实践 摘要:通过中船龙穴造船基地船坞式试验场工程的坞口围堰钢板桩拔除工作的实践,全面介绍工程概况、施工流程、 拔桩设备选型等,总结了船坞围堰钢板桩拔除的施工工艺、拔桩设备选取和施工中遇到的要点难点及经验,通过相关理论 计算和工作实践确认本工程围堰铜板桩拔除施工工艺的合理性。 关键词:围堰的稳定性; 摩阻力计算; 拔桩设备选取 中图分类号:U 656.4 文献标志码:A 文章编号:1002—4972(201 1)1 1-0038—07 Design and practice of techniques for removing steel sheet pile at dock-gate cofferdam LI Wei,YUAN Chang fThe Second Engineering Co.,Ltd.of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 5 10300,China) Abstract:This paper is based on the practice of the removal of steel sheet pile in CSSC Guangzhou Longxue Shipbuilding Co.,Ltd.,introduces its project profile,construction lfow,and equipment choosing overall,summarizes the constuctrion techniques of the removal of the sheet pile and equipment choosing,also concludes the important and difficult points and experience.Relevant theoretical calculation and work practice prove the reasonableness of the construction techniques of the removal of steel sheet piles in the project. Key words:cofferdam stability;friction calculating;removing equipment choosing 1工程概况 围堰外侧为珠江水系,内侧为干施工坞区,内外 水压力差大,双排钢板桩间为回填中粗砂,围堰 中船龙穴造船基地船坞式试验场坞口钢板桩 围堰由水上双排钢板桩和东西两侧陆上钢板桩共两 部分组成。水上双排钢板桩为临时性止水结构, 拆除时必须确保围堰的整体稳定性,同时考虑钢 板桩和拉杆能重复使用,因此钢板桩围堰拆除的 其长度为163 m,宽度为12 m,内外板桩型号均为 AU23(¥355GP)型,共436根,内外板桩之间用3 重点和难点工作在于保证钢板桩围堰拆除过程中 的整体稳定性。钢板桩围堰见图1,2。 2施工工艺流程 排共48根AU20型钢板桩隔成4段;拉杆规格为 60 @1 500,拉杆所处的高程为1.5 m。陆上钢板桩型 号为AU20,主要是作为连接沉箱与船坞淤泥止水 墙临时止水结构。由于钢板桩围堰为止水结构,设 钢板桩围堰拆除施工的基本思路是将钢板桩 围堰施工时的施工工序倒置过来施工,总共可分 为4个步骤施工:第一步:坞区灌水到高程0 m; 第二步:回填砂开挖至一1.0 m;第三步:钢拉杆 计要求钢板桩必须进入⑨,层强风化混合花岗岩, 故钢板桩的施打均是使用振动锤插打、D62柴油桩 锤进行复打,平均贯入度为8.7 mm/击。 工程中的双排钢板桩围堰拔除施工时,由于 收稿日期:2011—06—23 拆除;第四步拔除钢板桩。围堰拆除施工关键点 是确保围堰在拆除过程中每一种工况的稳定性。 作者简介:李伟(1983一),男,助理工程师,从事港航施工技术管理工作。 第11期 李伟,袁昶:船坞坞口围堰钢板桩拔除工艺设计与实践 ・39・ AU23, ̄钢板桩围堰 图1钢板桩围堰平面布置 旦堰理矗婪 —6l00 设计高水位 ,3.24 1.2O 、 霉 j塞 草皮护面 翥 /—— 一 导梁 [28b 设计低水位、 053p 60《 钢拉杆 泄水孔 9 000 8 000 AU23钢板桩 8 000 \  .030@1 5OO、 回填中粗砂 -- 一。 ;匦 o./, @袋装碎石 J, I , 一 ≮ 中粗砂1 O00厚③ 图2水上钢板桩围堰剖面 而围堰的稳定性主要是在拆除过程中建立钢板桩 围堰两侧压力的平衡系统,使钢板桩围堰恢复抽 水前的状态。通过对围堰稳定性的验算,在确保 围堰稳定性的前提下实现钢板桩的拆除。 坞施工过程的观测钢板桩围堰十分牢固,所以可 将整个钢板桩围堰看成一整个受力体。 3.1.1围堰水压力计算 围堰外侧底部水压力强度为: P,=pgh=lO0.35 kPa 3围堰稳定性验算 其中设计高水位3.24 m,海底泥面高程一7 m。 围堰内侧底部水压力强度为:P7k=68.6 kPa, 围堰水压力分布如图3。 3.1挖除回填砂稳定性验算 钢板桩内侧灌水到高程0 1Tl,钢板桩围堰中间 回填砂挖至一1.0 m后,此时钢板桩围堰是由钢板 桩、钢拉杆和导梁及内外护脚结构组成。根据钻 孔柱状图、钢板桩施工记录,90%钢板桩底高程 作用点位置计算: 尸了hi=3-4m 3.1.2围堰土压力计算 等= m 在一20 m以下,人土深度>21 ITI,将近一半的钢板 桩底高程在一24 ITI以下,人土深度>23 Ill,对照钻 根据设计资料围堰内侧护底砂体高程 为一3.0 m,外侧护底块石高程为一5.0 Ill,综合 考虑围堰受力情况,围堰此时有向内侧位移的 孔柱状图,钢板桩分别穿过了回填沙层、②,淤泥 层、④淤泥质黏土层、⑦ 粉质黏土层、⑨.全风 化混合花岗岩、⑨ 强风化混合花岗岩,且经过船 趋势,受到内侧砂体的被动土压力。外侧土的 主动土压力,钢板桩围堰土压力分布见图4。 水运工程 图3钢板桩水压力强度 弯曲应力[ ]为180 MPa。 =M/W=61.66 MPa<[ ] 所以此时围堰是安全的,安全系数为 3.2拉杆、导梁拆除后稳定性验算 3.2.1 内排钢板桩稳定性验算 =2.9 内侧护坡回填砂此时为被动土压力计算: PP=pgztan (45。+ )=228 kPa P =pgztan。(45 )=38 kPa 稳定性计算: M=228 kN。131 图4钢板桩土压力强度 =M/IV=1O0.4 MPa<[ ] 所以此时内排钢板桩是安全的。 3.2.2外排钢板桩稳定性验算 根据郎金土压力理论计算主动土压力(查表 知中粗砂p=1.9 t/m ,西=30。;块石p=2.0 t/m , 西=40。): 此时外排钢板桩的内外侧水位平衡,外侧护 底块石受到被动土压力,因此可得: Pp=pgztan (45。+ =184 kPa pa=pgztan2(45。一要)=8.70 kPa 被动土压力: Pp=pgztan (45。+ )=228 kPa P =pgztan (45。_ )=38 kPa M=47 kN・m =作用点位置计算: h。一一M/W=20.7 MPa<[ ] 了 m e内 亏 一4 nl 4拔桩设备的选型 4.1水上双排钢板桩的拔除 本工程双排钢板桩的拔除主要是水上作业, 2 h 3 此时外排钢板桩也是安全的。 3.1.3抗倾稳定性验算 将钢板桩下端看作弹性嵌固支承时, 受力如图4所示。 力矩为 =139.971 kN‘1TI 从卢森堡AU型钢板桩资料可查知,AU23钢板 所以相关设备的选型主要是对拔桩船机的选择。 从施工工艺流程可知,在拆除完拉杆后,打开进 水管蝶阀,使钢板桩内外水位平衡,所以钢板 桩截面矩为2 270 em 。钢板桩是3号钢,常用容许 第11期 李伟,袁昶:船坞坞口围堰钢板桩拔除工艺设计与实践 桩的抗拔力主要克服钢板桩侧摩擦力和自重, 起重船配90 kW振动锤;二是采用5 000 kN起重船 静力拔除。 在选择方案时考虑以下3种情况: 1)由于振动锤对于硬土层的贯入度很差,在 设备选型时应按最大桩基抗拔力进行选型,参照 钢板桩围堰实际施工高程和钢板桩的实际人土深 度,在有地质钻孔柱状图附近的桩中选取人土深 度最大的桩基进行抗拔力值计算比较得出,其中 GBZa3—60 钢板桩的抗拔力最大,该桩桩长30 m, 施打钢板桩时使用振动锤很难使钢板桩进人⑨,层 强风化混合花岗岩,达不到设计要求,实际施工 中采用的是D62桩锤复打钢板桩至设计高程,贯人 度较小。如果用振动锤拔桩,在克服硬土层阻力 桩底高程一23.25 m,泥面高程一10.2 m,人土深度 l3.05 m,对照第6754 钻孔柱状图可知该桩分别穿 过了③。粉质黏土、④淤泥质黏土、⑦ 粉质黏土和 ⑨:强风化混合花岗岩,各土层的深度及摩阻力见 表1。 时可能会耗很多的时间,且很难保证每根桩都能 顺利拔出。 2)双排钢板桩在施打时期,拉杆安装尚未完 摩阻力计算公式:F=u ̄.f/f 表1 GBZa3—60 钢板桩土层深度及摩阻力 (1) 成时就进行了钢板桩的合拢,使内外水压差造成前 后排钢板桩都有较大的位移变形,增大了锁口间的 挤压力,使得拔桩时增加了很多不确定因素。 3)起重船拔杆的要求:本工程中最长钢板桩 桩长度33 m,桩顶高程为6.0 m,同时考虑起重船 的吃水深度以及将钢板桩转移到货船上需要吊起的 高度,故所需起重船拔杆高度至少要42 m以上。 开始选择了第一种较为经济的方案,选用 3 000 kN起重船配90 kW振动锤,虽然能拔出桩, 但钢板桩的腹板在振动锤的反复振动摩擦后易局 部受热而使钢材质变性,从而降低了钢板桩的抗 剪能力,钢板桩容易被撕裂且这种工艺拔桩效率 图5 AU23钢板桩截面 非常低(尝试了一个星期才拔出3根)。鉴于第一 种方案试验的结果,同时根据以往在文冲船厂的 拔桩的施工经验,为了保证工期的要求,决定采 用5 000 kN起重船以静力拔桩方式拆除钢板桩,钢 板桩运输设备采用货仓46 m的1 000 t驳船。 拔桩过程中主要是利用艏部重型吊杆双主钩 来受力,起重船每副主钩最大拉力为2 500 kN,由 两条钢丝绳受力,此时需设置一个插销作为钢丝 式中: 为桩身的截面周长;. 为第1层的桩侧极限 摩阻力; 为桩身穿过第1层土的长度。 单位长度AU23钢板桩单侧表面积为1.03 m , 桩身的截面周长即为2.06 m 因此重力G:30 kN l阻力=2 500 kN F抗拔力:F+G=2 530 kN 理论计算单根AU23钢板桩最大抗拔力值为 2 580 kN,上述计算结果并没有包含锁口之间的摩 阻力。现在有两种方案可供选择:一是采用3 000 kN 绳与钢板桩传导力的桥梁,用30CrMnTj高强钢型 160 mm圆柱制作插销,它受到如图6的拉力。 根据受力情况,插销中段相对于上下两段, 一 p/2 图6圆柱插销受力 壁一 __I丁一屠三 匡} — Q 水运工程 沿m—m和n—n两个面向左错动。所以,有两个剪切 面,称为双剪切。由平衡方程容易求得: p=2 500 kN 全系数。 选30CrMnTj高强钢型的直径为160 mm的插销 满足设计要求。同时还有钢板桩受到了插销的剪 切力P=2 500 kN,q=p。 q=p/2 插销横截面上的切应力为t=Q/A 钢板受到插销的最大容许竖向剪切力A=Q/t, 假设钢板为300 mm,宽开 18o ̄L,t=Q/([t】X b) :O.021 5 ITI<钢板厚+钢板桩(=0.033m),如选取 加强板600 X 300 X 20,开 180的孔可以满足设计 要求。具体拔桩如图7所示。 式中:A为插销的面积; 为插销材料容许剪切力 [0=585 MPa;Q为插销受的剪切力。 t=62.2 MPa<[t](=585 MPa) 其安全系数为=ff]/ =9.4倍>一般吊具要求6—7倍安 图7拔桩示意 4.2沉箱边及高程太低的钢板桩 对于沉箱边3 m长范围内的水上钢板桩,该 位置钢板桩穿过码头基床,钢板桩在拔除的过程 出,使热态工件金属氧化燃烧,并吹掉熔化的金 属及熔渣从而形成切口的切割方法,其原理如图8 所示。 中极易破坏基床,而且在围堰施工后期,沉箱附 近钢板桩与沉箱预埋钢板桩之间采用旋喷桩止水 增加了拔桩难度。为了不扰动基床,确保沉箱的 稳定性,此范围钢板桩包括那些由于潮水较高未 能焊接加强板的钢板桩,考虑先将港池泥面开挖 至设计高程一9.5 ITI后,再采用水下切割方法将其 沿一9.5 m高程切除,切除后使用吊机船将钢板桩吊 运装船。本工程中的钢板桩水下切割采用水下电 水下气割条 弧一氧切割,平均切割速度为4 m/h。水下电弧一氧 切割主要原理是一种利用空心电极(即割条)与工件 之间产生的电弧使工件熔化,氧气从电极孔中吹 二 图8水下电弧一氧切割原理 第11期 李伟,袁昶:船坞坞口围堰铜板桩拔除工艺设计与实践 4.3陆上AU20钢板桩的拔除 本工程中的陆上AU20型钢板桩是利用履带 吊机加振动锤进行拔桩。振动拔桩的原理是利用 振动锤产生纵向振动,这种振动传至土层后,对 砂性土层颗粒问的排列被破坏,使强度降低;对 黏性土由于振动使土的天然结构破坏,密度发生 变化,黏着力减小,土的强度降低,最终大幅度 减少桩与土间的阻力,板桩被轻易拔出。 陆上拔桩过程中先选用2 500 kN液压千斤顶 做顶撑试验,结果是钢板桩纹丝不动,之后改选 用80 t履带吊机配合150 kW振动锤仍未能拔动钢板 桩,最后采用钻孔法即用打灌注桩的方法在板桩 的侧面打孔至桩尖高程,直接去掉土体给板桩带 来的摩阻力,最后统计需要平均500 kN的振动拉 力来克服单边锁口的摩阻。拔出的钢板桩并未发 现有较大桩身变形及锁口变形。 5施工要点 1)静力拔桩对操作人员的技能要求较高, 必须配备有足够经验与操作技术的施工人员。由 于起拔力较大,拔桩所用卸扣、钢索、滑轮、缆 风绳等要加强检查,经常更换。静力拔桩不同于 振动拔桩,在拔桩初期因桩周阻力从静止到破坏 需有一段过程,不能操之过急。宜将卷扬机间歇 启动,渐渐地将桩拔出,切忌一次性地启动卷扬 机,否则会引起钢索崩断,钢板桩撕裂、设备损 坏甚至造成安全事故。 2)钢板桩拔除的难易,取决于打人时顺利与 否。拔桩需注意下列事项: ①作业前详细了解土质及板桩打人情况、双 排板桩间开挖后板桩变形情况等,依此判断拔桩 的难易程度。 ②陆地拔桩设备都是具有一定质量的,要验 算其下的结构承载力。吊机压在土层上,由于地面 荷载较大,需要时设备下可垫置钢板减小压应力。 ③吊桩装船时需考虑货船的摆位问题,船机 离拔桩区间隔一定的安全距离,且卸桩应从驾驶 室方向一端着地向着船头方向卸桩。 ④如钢板桩拔不出,可采取下述措施:A.拔 桩时可间歇加载起吊力多次,利用起吊力致使锁 口间不断摩擦来降低锁口问的铁锈产生的阻力; B.按与板桩打设顺序相反的次序依次拔桩,可以 消除一边锁口的摩阻;C.采取跳格拔桩方式,即 对难拔除的桩在形成只有一根邻桩或直接成为单 桩的情况下拔桩,提高拔除成功率;D.如果是振 动锤拔桩可先振松土体,克服土的黏着力或消除 板桩锁口上的铁锈等。 6结论 中船造船基地船坞式试验场工程的双排钢板 桩围堰拔除工作经过50 d紧张施工,共拔除AU23 型钢板桩420根,AU20型钢板桩44根,平均每天 拔桩9根。其中16根AU23型和4根AU20型钢板桩通 过水下切割技术割除。其间,钢板桩在拔桩过程中 也发生了桩身加强板严重撕裂现象,总体来说还 是比较顺利的。对于钢板桩围堰拔除的施工,总 结出以下几点施工经验: 1)在桩侧摩阻力计算中,入土深度最大的 桩受到的侧摩阻力并不一定是最大的,它跟桩所 处的地质以及该地质下各土层分层的厚度有关。 所以要对整个钢板桩区域内,凡是有钻孔柱状图 的,其附近人土深度最大的桩都应进行桩侧摩 阻力计算,比较选出最大桩侧摩阻力。侧摩阻力 仅仅是表示桩侧受土体的摩擦力大小,钢板桩的 实际受力应根据现场实际情况,如土体的扰动情 况、桩锁口与邻桩锁口之间的摩阻力等综合性分 析,才能得出最终的抗拔力结果。 2)起重船机选择。 从表2数据来看,直接用静力拔桩的话,由于 有一根邻桩的桩在拔桩时受到的是偏心受拉,锁 口间会受到偏心力的挤压而增大桩侧摩阻力,所 以只能从有两根邻桩的钢板桩与单根拔桩力之间 的计算中估计钢板桩锁口间的摩阻力:外排钢板桩 锁口间摩阻=有两根邻桩的桩~单根桩=2 450 kN, 平均每个锁口间有1 220 kN的摩阻力;内排钢板桩 锁口摩阻=有两根邻桩的桩一单根桩:2 090 kN, 平均每个锁口间有1 040 kN的摩阻力。可见如果当 时选船机时没有考虑到锁口之间的力,估计会有 水运工程 一大半的桩无法拔除。所以钢板桩受到的摩阻力 有土体与桩之间的摩阻,同时还有钢板桩锁口间 的摩阻不可忽略,单纯的侧摩阻计算很难把握住 实际需要的拔桩力,无形中增加了施工难度。值 得一提的是,当初用的第一种用3 000kN起重船机 配90 kw振动锤拔桩的方案,在有两根邻桩的情况 下也曾拔出外排最长的钢板桩来,桩的起拔力为 2 800 kN,证明振动锤在一定程度能够减少桩锁口 问的摩擦力。 表2双排桩拔力 3)有的桩在有两根邻桩的情况下起吊力加载 至5 500 kN仍未能拔起,这些桩拔起后大多是桩的 锁口发生严重变形扣死,甚至有的桩在桩尖位置 的桩身被拉扁。解决方式是先拔除邻边的桩,让 该桩只有一根邻桩的情况下拔除或使其成为单根 桩的形式再来拔除(图9)。 图9钢板桩锁口撕裂 4)加强板的焊缝要饱满,桩身割出来的 插销孑L要和加强板上的圆在同一平面且切割面 圆滑,使加强钢板与钢板桩割孔均匀受力,否 则容易引起应力集中而导致孔洞发生变形撕裂 (图10)。 图l0加强钢板受剪变形 5)钢板桩在卸桩装船时,插销容易从孔洞里 掉出来,发生钢板桩从空中砸落的危险。所以在 插销上增设插板作为第一道保险措施,同时在插 销头上焊接拉手,利用船机的副钩钢丝绳扣住拉 手作为第二道保险再进行拔桩(图11)。 图11板钢板桩保护措施 参考文献: [1] 陈仲颐,周景星,王洪瑾.土力学[M].北京:清华大学 版社,1994. [2】晏金桃.地下T程勘察设计与施1_技术实用手册[M1. 吉林:吉林音像出版社,2003. 【3】许本安,李秀治.材料力学【M】.上海:上海交通大学出 版社,1988. (本文编辑武亚庆) 

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