填海造陆区域基坑工程中的箱型钢板桩制作及其围护体施工

周屹东

上海建工集团（澳门）有限公司 上海 200120

1 工程概况

1.1 项目概况

澳门离岛医疗综合体位于路凼连贯公路石排湾水库侧，工程包括综合医院大楼、辅助设施大楼、综合服务行政大楼、护理学院、中央化验大楼、员工宿舍大楼及康复医院（图1）。

图1 离岛医疗综合体规划示意

离岛医疗综合体占地面积约77 000 m2，建筑面积约为320 000 m2。其中综合医院及辅助设施大楼桩基础工程占地面积约为29 361 m2，施工内容包括结构桩基础工程及支护工程。其基础采用钻孔灌注桩，桩径分别有1.5 m、2.0 m及2.5 m，桩的总数量为527根。支护工程包括直径1 200 mm钻孔桩96根，箱型钢板桩墙16 896 m2（1 165根、长24.7 m）。另外，地库基坑采用闸板桩、混凝土桩及旋喷桩作为临时挡土结构。

本工程基坑围护设计采用NSP600箱型钢板桩作为挡土结构，钢板桩围堰周长约700 m，单根钢板桩打入深度为24.7 m，钢板桩顶标高＋4.9 m，底标高－19.8 m。支护边线为不规则多边形，且转角较多，不利于作业（图2）。

图2 工程平面及箱型钢板桩围护布置

1.2 地质情况

工程地处回填土处理区域，自上而下分别为填土、海洋沉积物及冲积层（－27.16 m范围内）。

2 箱型钢板桩概况

2.1 桩型

本工程采用NSP600箱型钢板桩作为挡土结构，即以原来的LZU607普通槽型钢板桩，将2根槽型钢板桩相对组合成箱型后，再焊接2块厚20 mm的加强钢板，形成复合箱型钢板桩（图3），既作挡土又兼作防水帷幕。

图3 NSP600箱型钢板桩横断面示意

2.2 箱型钢板桩加工

2.2.1 加工准备

钢板桩组合成箱型时，为确保拼接的精度，需对钢板桩原材的线型和截面进行严格的测量，对变形过大的应作退换处理。由于钢板桩长度较大，通长焊缝的焊接还需注意焊接变形的控制，须采取适当的焊接次序和工艺。

其加工准备分2个部分，一为工厂代工；二为现场定制加工设备。

1）工厂代工：主要是加强钢板的切割，将钢板原材切割为宽250 mm的加强板，打包运输至施工场地。加强板材质亦与原槽型钢板桩材质同，为S430GP，为减少损耗，钢板采取定尺采购方式直接向钢厂订货。根据加强板的尺寸，并考虑切割的损耗，确定订货规格为20 mm×2 030 mm×12 500 mm和20 mm×2 030 mm× 11 500 mm两类。每条加强板的质量约为498.46 kg，每10条为1捆进行打包，每捆质量约为5 t，每车可运输6捆，每车运输质量为30 t。

2）现场定制加工设备：由于本项目钢板桩使用数量庞大，加工制作工序精细，对变形量控制要求较高，为满足施工要求，在本项目施工场地周边专门搭建了钢板桩加工厂棚，进行钢板桩原材的堆放、筛选、拼装、焊接、对接等。拼装前先搭建组立机，形成胎架后进行拼装，以保证箱型钢板桩4个侧面的角度；同时使用6臂埋弧自动焊机对箱型复合钢板桩6道纵向桩身上的等长焊缝进行焊接，以减小因烧焊引起的形变；使用63#工字钢制作对接胎架，并定期检查对接胎架是否在同一水平面上。

2.2.2 箱型桩组合加工

钢板桩及加强钢板组合成箱型主要通过组立机及组装胎架进行校正、定位、点焊固定成型。组立机及胎架上均设有传送轴承，依次将底面加强钢板、底面原材钢板桩、顶面原材钢板桩、顶面加强钢板放置于组装胎架上，钢板桩及加强钢板在传送轴承的驱动下来回移动以调整、校正组合位置直至组合成预设箱型形状。同时，安排工人于组立机处对合拼完好的箱型组合进行点焊定型（图4）。

图4 箱型钢板桩组合加工

1）组合焊缝自动焊接。钢板桩组合成箱型后，需对桩身上的纵向6道组合焊缝进行焊接，由于焊缝工作量大且质量要求高，决定使用埋弧自动焊进行焊接，以保证焊接质量、提高加工速度。由于埋弧焊中焊剂和熔渣不仅可防止空气中的氮、氧侵入熔池，而且熔池凝固较慢，使液态金属与熔化的焊剂间有较多时间的冶金反应，从而降低了焊缝中产生气孔、裂纹等缺陷的可能性。焊剂还可以向焊缝渗合金，提高焊缝金属的力学性能以及成型美观感。埋弧自动焊所用焊接电流大，加上焊剂和熔渣的隔热作用，热效率高，熔深大，单丝埋弧焊在焊件不开坡口的情况下，一次可熔透20 mm，焊接效率高。同时焊接过程的机械化操作显得更为便利，而且烟尘少，没有弧光辐射，劳动条件得到很大的改善[1-4]。

2）钢板桩接长。将2节箱型钢板桩进行对接，长度分别为11.7 m和13 m，选取其中一节钢板桩，将其对接端头外侧开设坡口。构件的坡口采用气刨机加工。坡口形式应符合焊接标准图要求。坡口面应无裂纹、夹渣、分层等缺陷（图5）。气刨机开制坡口时的切割速度应适当，使断面平整无瑕。然后，由专项质检员进行100%的切口、直线度等外观检查。焊接施工前，将2节箱型钢板桩（11.7 m＋13 m）放入胎架中，先行调直（竖直方向通常采用水平尺来检测），以保证锁口平直并行，不扭曲、弯曲或突变。当在胎架中调直合格后，先点焊加固再进行对接焊接，对接焊接完成后加焊驳口处的加强钢板。最后，送交检验，进入施工环节。

图5 钢板桩接长

3 钢板桩施工方法

分两组机背靠背施打作业，由于钢板桩转角位为90°转弯，无法通过原有锁口进行钢板桩的固定，因此本工程采用2条钢板桩轴线调整法施打，在转角施工处外侧进行钻孔灌浆以堵截地下水（图6）。

图6 钢板桩90°转弯角位置处理示意

传统的钢围护桩均采用屏风式施打法，需在地面安装设置双面双层导向架，以准确控制桩的平面位置，所以若采用屏风打法，全长24.7 m的钢板桩需在现场第1节钢板桩施打完成后进行第2节钢板桩跟第1节钢板桩的直立对接工作。但由于箱型钢板桩直立对接时锁扣及锁扣附近处很难完整焊接（本项目钢板桩对接口仍在基坑深度范围内），故不满足本项目要求。

本工程选择采用单桩打入法，即从钢板桩墙的一角开始，逐桩打设，直至工程结束。

全长24.7 m箱型钢板桩一次性完成施打，须有效控制钢板桩的垂直度和平面位置，避免传统单桩打法中易使板桩向一侧倾斜、误差积累后不易纠正、只适用于钢板桩墙要求不高且板桩长度较小的情况等缺点。

采用多功能钻机搭配足够高度的桅杆以一次性完成钢板桩的施打，充分利用了多功能钻机自有高桩架的导向作用，使钢板桩沿着既定的轨道下沉，沉桩的垂直度得到有效的控制。地面导向架有效控制成桩的平面位置，使钢板桩墙的总体施工精度得到大大提高。因此，采用液压振动锤配合多功能钻机施打箱型复合钢板桩，突破了单桩打入法的限制[5-7]。

3.1 导向架制作

1）导向架有足够的强度和刚度，打桩时桩的轴线偏差和倾斜要靠导向架来控制。

2）导向架每组长为12.0 m，宽2.0 m，主要用200#工字钢作支架及305#工字钢作导轨。导向支撑点采用Ⅲ号闸板，打入土层6 m深，作为临时固定支撑点。

3）一组导向架可以满足插打10根钢板桩施工需要。计划现场每台机械配备两组导向架作为循环使用（图7）。

图7 导向架施工示意

3.2 钢板桩打设

本工程采用单桩打入法，虽施工简便，且速度快，但单块打入易向一边倾斜，误差积累不易纠正。因此，在打桩过程中为保证钢板桩的垂直度，用2台经纬仪加以控制，每组机械各配一台。开始打设的第1、2块钢板桩的位置和方向应确保精确，以便起到导向样板作用，施打过程中保持垂直度监测；打至预定深度后立即用钢筋或钢板与围檩支架电焊作临时固定。本工程钢板桩长度为24.7 m，根据地质情况结合以往的施工经验，利用振动钳插入钢板桩并振沉至一定深度后，钢板桩可能无法继续下沉，这时改用液压打桩锤进行施工，但需在钢板桩上安装桩帽进行套打。

3.3 施工进度安排

合约要求钢板桩施打所需总工期为150 d，且工地边上有个直升机维修中心，直升机升降时段不能施工，同时考虑天气等因素影响，故采用2组机同时施工作业，每组机再采用2套导向架，作为施打钢板桩固定架循环使用。这样，每一个导架内可以施打10根钢板桩（图8）。

图8 箱型钢板桩施工

4 效益分析

工程实践表明，在施工现场搭建钢板桩临时加工厂，不仅可节省成品箱型钢板桩运输费用，而且还可根据现场需要调整加工速度，解决了箱型钢板桩占用场地和空间较大等问题。

本工程采用液压振动锤配合多功能钻机施打钢板桩是对传统工法的创新，在离岛医疗综合体综合医院及辅助设施大楼桩基础工程实践中，突破了单桩打入法只适用于钢板桩墙要求不高且板桩长度较小这一情况的限制，弥补了屏风打入法中锁扣焊接困难的缺陷，发挥了较好的工程效益。本工程实际施工工期为120 d，比原计划提前了30 d完成。实际施打箱型钢板桩1 168根，平均每组每天施打5根钢板桩，最高记录一组一天可施打12根钢板桩。