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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○一年六月九日

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鋼管版樁系統在港灣護岸工程之運用【施工篇】(一)

 董榮進技師

摘要

高雄港為台灣最大之貨櫃轉運樞紐港,為因應國際海運貨櫃船舶大型化的趨勢與港務成長需求,在第二港口外港區推動「高雄港洲際貨櫃中心計劃」,以12,500TEU貨櫃船為計劃船型,航道水域深度浚深至EL-17m,舊有航道護岸改建為本計劃之基礎建設,而護岸版樁材料隨著航道加深需求,其需用長度、斷面亦朝大型化發展。台灣港灣界所採用版樁系統,因資源與市場的先天條件限制,長期仰賴外國進口,為因應工程需要,台灣首次自行研發本國生產的鋼管版樁系統應用於護岸工程,配合版樁特性與地質條件,採用順樁打設工法,施工過程儘管遭遇海床下既有消波塊、抛石與30年前施工之PC版樁、鋼版樁圍堰殘骸等水中構造物,影響工程進行,然施工團隊秉持著智慧與毅力,予以逐一排除,在本工程即將完工之際,謹將台灣首例鋼管版樁系統打樁作業之施工實務撰文與諸位先進分享,祈不吝指教。

施工計畫

一、打樁工法選擇

1.跳樁或順樁打設工法可行性評估

歐洲針對港灣工程護岸版樁材料研發專用的Z型鋼版樁,經組合成U型型式,有面寬、浪高、厚薄的特點,極適合做為副樁材料,當主樁打設偏斜較大時,藉副樁的開展性,可靈活調整主樁間之偏差值,故極適合跳樁打設(歐系鋼版樁組合斷面如1),但日系鋼版樁並無特別為港灣工程設計製造的版樁,其單片U型版樁經鎖扣反向扣合,其容許偏差小,又版樁厚度較大,開展性不夠靈活。本工程係以日系版樁做為副樁,除非主樁打設精準度非常高,需有效控制鋼管樁的偏移值與主樁間之距離,倘以主樁跳打方式施作,可能因主樁之偏轉或間距誤差,造成副樁無法順利崁入主樁鎖扣,或打設時版樁間開展性不足,造成脫榫現象,衍生日後漏砂之後遺症,又順樁打設工法,即主樁、副樁依順序打設,其打樁過程常會產生累積傾斜問題,即倒樁現象之缺點,而鋼管樁與日系版樁結合(斷面圖如2),於台灣港灣界尚屬首例,國內打樁工班,並無打設之施工經驗,如冒然採用跳樁打設工法,失敗風險極高,施工團隊經審慎評估後,在無前例可循的情形下,決定仍應以日系版樁特性,做為選用工法是否可行的依據,故採用順樁打設工法試行打設。

 
圖1 歐系鋼版樁組合斷面   圖2 鋼管樁與日系版樁組合斷面

(資料引用 Arcelor Mittal Foundation Solutions for Projects steel S.P)

 

2.打樁機械選擇與量能評估

(1)打樁機械選擇

  A.震動樁錘:使用於鋼管樁與鋼版樁先期打設定位。

  B.柴油樁錘:使用於鋼管樁與鋼版樁最終錘擊至設計高程。

(2)震動樁錘量能評估

選用震動樁錘作為打樁機械,為最常用而有效的工具,而正確選擇震動樁錘,方能獲得最佳的打樁效率,震動機械量能的評估,不外乎頻率離心力振幅等三個選項。

A.頻率:振動樁錘的振動頻率將影響到版樁的振動頻率。而版樁的振動頻率對 於消減樁身與土體之間的阻力至關重要,從而能使得樁體打入土中。高頻率能夠讓土壤更快液化,樁體將更加容易打入土體,如果振動是靠近現有建築物,頻率也同樣至關重要。與低頻振動相比,高頻振動在土壤中傳播距離較短,所以損壞鄰近建築的概率較低。

B.離心力:離心力是指振動樁錘施加給版樁的衝擊力度,對克服側面阻力和樁端阻力極其重要。3為不同地質條件,樁體長度與離心力之間的關係。

C.振幅:振幅是振動時樁體運動的幅度,大振幅或大衝程會帶給樁頭較大衝擊 力。在粘性土壤中,需較大的振幅方能有效削減土壤和樁體間之摩擦力。但對某些機械而言,大振幅常常通過犧牲頻率來獲得,所以選擇大振機械時需考慮全面。

3 打樁深度與離心力對照圖  (資料引用易仕版樁(中國)有限公司技術手冊)

4為振幅與樁長對應關係,表中列出的振幅數字為振動振幅,而不是整個樁體的振盪,振盪等於振幅(上下振動)的兩倍,閱讀設備規格時要特別注意,明確了解所給出的數字是振幅還是振盪數值,不致誤用。

4 打樁深度與振幅對照圖  (資料引用易仕版樁(中國)有限公司技術手冊)

另參考American Piledriving Equipment(簡稱APE)技術手冊計算振幅

總振動重量:齒輛箱重量+夾具重量+基樁重量=總振動重量

計算結果振幅必須大於 3.17mm建議振幅大於 6.35mm 為最佳。

考量配合工址的地質條件,樁長與頻率、離心力、振幅的對照要求,鋼管樁打設分別採用ThyssenKrupp müller MS-100HHFMGF RBH1050等兩部歐系震動機,其能量均能符合前述的要求,相關規格型錄詳如56,日系鋼版樁打設採用日本車輛生產之120VR-90KW震動機,其規格型錄詳如7

5 德製ThyssenKrupp müller MS-100HHF 震動機規格型錄(資料引用ThyssenKrupp GfT Tiefbautechnik GmbH)

 

 

6 德製MGF RBH1050震動機規格型錄

(資料引用MGF Maschinen-und Geräte-Fabrik AG)

 

7 日車120VR-90KW震動機規格型錄

(資料引用 日本車輛建設機械電子型錄)

 

(3)柴油樁錘量能評估

A.遇到粘性土層或堅硬土層最佳工具。

B.柴油樁錘組合:缸體+活塞+底部衝擊塊。

C.夯錘對應樁體樁帽之重量比:12~1.51

D.每次最佳夯擊深度約 3mm

柴油樁錘負責鋼管樁及鋼版樁打設至設計高程,本工程分別使用Kobelco KB-80KB-60柴油樁錘施作。

3.震動機為主、水刀設施為輔之打樁工法

針對地質條件選擇適當的打樁機械是極為重要,因本工程為護岸改建工程,除考量地質非均一性外,原有護岸有既有拋石、珊瑚礁或其他不明障礙物存在,尤其對於前述普遍存在於高雄港區俗稱(砂釘)的細顆粒黏性土質,倘以震動機強行貫入,其造成震動影響,可能使周邊既有設施有某種程度的損害,再者,長時間的震動又無法有效的貫入土層,對震動機是一種傷害外,對於樁身鎖扣間之磨損或潛存破壞亦難以避免,故打樁過程以震動機為主,水刀設施為輔的工法是必需的,除了對於以水刀設施減少樁底阻抗及樁身摩擦力,順利貫破堅硬土層,對於減少打樁震動量能亦有相當助益。

4.柴油樁錘錘擊

打樁過程,常遭遇堅硬土質,當震動樁錘無法有效貫入時,則有需要仰仗柴油樁錘來克服。柴油樁錘主要由一個缸體、一個活塞(夯錘)和一個缸體底部衝擊塊構成。對於單動式打樁錘,缸體頂端處於打開狀態,但雙動式打樁錘的缸體頂端封閉,也可以通過使用真空腔達到雙動的效果。要啟動單動式打樁錘時,將活塞提升到一個預設高度後自動鬆開,落下的活塞壓縮加壓室內的空氣,推動燃料泵往衝擊塊頂部噴射燃料,柴油在被衝擊塊霧化後,由高壓的空氣引燃。柴油燃燒產生的爆炸能量向上推動活塞,同時將版樁向下打入,並進入下一個動作循環。

柴油樁錘面對粘性土層或十分密實的土埌,其打樁性能極其出眾,在一般的現場條件下,夯錘與樁體加樁帽的重量比通常為121.51,打樁時選擇鐵砧塊樁帽用來保護樁頭是必要的。根據廠商的建議,使用柴油樁錘時,每夯擊10打入的最大深度不超過25mm。在某些情況下,在短時間內可允許採用每夯擊1次打入1mm的打樁力度,但若持續時間過長,則會損傷打樁錘和設備。

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