鋼管版樁系統在港灣護岸工程之運用

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12,000TEU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、拋石與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,施工團隊仍秉持著智慧與毅力,予以逐一排除。在鋼管版樁打樁作業已全數完成,撰文分享設計與施工經驗,祈諸位工程先進不吝指導。

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圖1台灣高雄港規劃圖與工址示意位置(資料引用 高雄港務局全球資訊網站)

前言

本工程為「高雄港洲際貨櫃中心航道護岸改建工程」,銘登營造有限公司負責工程承攬,台灣世曦工程顧問股份有限公司(以下簡稱CECI)設計監造,工程範圍包括鋼管版樁系統打設、砂樁地質改良、圍樑高耐索安裝、冠牆施工、設施復舊等,其中鋼管版樁系統為本工程要項,總數約有五千餘噸。本計劃完成後,高雄港大型船舶均由第二港口進出,為台灣對外重要門戶,又港口南北兩護岸各有一座高字塔隔海對望,昔日為管制港口船隻進出之信號台,退役後為民眾休憩觀海重要景點,北護岸高字塔位於高雄市旗津環島海景觀光自行車道終點,南護岸配合高字塔文化園區整建後,遊客佇立堤岸邊,觀賞大船入港、夕陽西下景緻近在咫尺,故本工程之興建,兼具港灣開發與國人休閒觀光之重要指標。

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圖2 工址位置圖 (資料引用  Google Earth高雄港第二港口圖資)

1 工程概述

1.1 工地地質條件

根據CECI所作鑽探報告之描述,以北護岸為例,地表至EL-7.5m主要為灰色粉土質細砂(SM),或粉土質粘土層夾砂質粉土層(CL,ML)屬疏鬆砂土壤或軟弱土層;至EL-13m之間粉土質粘土層夾砂質粉土層(CL,ML),N值介於5~8,屬中等堅實稠度土層;至EL-40.0m主要以灰色粉土質細砂(SM)為主,N值介於12~53,屬中等緊密至極緊密砂土壤,地層柱狀剖面圖如圖3所示。打樁過程約於EL-17~22m,遭遇粉土質粘土層夾砂質粉土層(CL,ML)最為棘手,俗稱砂釘,高雄港海域常存在類似砂釘土層,細顆粒土壤常對鋼管樁產生圍束作用或於打設過程造成偏轉效果,使打樁作業遭遇很多困難。

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圖3 地層柱狀剖面圖

鋼鈑樁組合設計

一、歐、日港灣版樁系統概述

歐洲(A牌、T牌)所使用之版樁組合斷面(圖4),主樁(HZ)搭配副樁(AZ),接頭以連結器(Connector)結合,日本系統則常用鋼管排樁做為護岸材料,其間以較小之鋼管相互扣合,鋼管與T型鋼或角鋼與T型鋼等接合方式組合成鋼管排樁互鎖斷面組合(圖5),但鋼管鎖扣位置需再灌注砂漿,避免將來漏砂情形。

     

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圖4  歐系鋼版樁系統(資料引用 Arcelor Mittal Foundation Solutions for Projects steel S.P)    

 

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圖5  日系鋼管排樁系統(資料引用 新日本製鐵株式會社 鋼管矢板  目錄)  

二、設計準則

(一)安全性:彎矩強度與鋼材強度需符合規範要求。 (二)經濟性:與歐系組合斷面比較,以A  型鋼管版樁為例,歐系版樁單位的鋼材用量274kgf/m2,本工程為符合規範的原則下,設計較經濟的斷面。

(三)施工性:為預防打樁時發生挫屈現象,徑厚比的控制為 D/t≦100。

三、設計需求

組合樁設計規範如表1,彎曲應力0.6Fy(降伏強度),另A型組合樁部分,規定其主樁應滿足承受彎矩至少126 t-m/m,設計圖說並未指定組合斷面,符合規範為前提,施工廠商得自行選用斷面。

表1 鋼版樁設計規範

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四、本案規劃之鋼管版樁系統

(一)研發動機

 鋼管樁擁有較大經構勁度,台灣本土得自行生產。日系鋼版樁品質穩定,擋土性能佳,訂購、生產與船運之期程較短,基於前述優點,另需配合日系版樁鎖扣型式,開模製造特殊鎖扣(詳圖6),將研發製造之鎖扣,滿焊於鋼管樁,即構成鋼管版樁之組合斷面。

(二)組合斷面概述

設計鋼板樁(圖7)以台灣本土自行生產之圓鋼管作為主樁,副樁則採日本2個U型鋼板樁為副樁,而兩者間鎖扣則委託義大利生產,本組合斷面為結合台灣、日本與歐洲等國之精華設計,相關組合設計、比較與施工等分別詳如后章節。

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圖6  鎖扣設計詳圖  

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圖7   本案設計之鋼管版樁系統

五、理論基礎

(一)基本假設

如圖8為組合斷面立體圖,僅考量y向變形與z向之應力應變行為,橫向(x)者暫不考慮,並假設鎖扣位置主、副樁y向位移一致。

    

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圖8.  組合斷面立體圖     

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圖9  組合斷面單元圖   

 

 

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圖10  組合斷面之剖面並聯結構模型  

 

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三、設計成果與價值工程分析

 針對規範需求,筆者分別就歐系二大品牌所提供的材料、日系鋼管排樁系統型式、按產品之結構特性、價格成本、施工之難易度等,與本案所研發鋼管版樁組合斷面,做價值工程分析,歷經4個餘月,400多次的結構分析,獲致符合安全設計之最經濟斷面(表2)。

以歐系A牌為例,其經濟斷面之單位用量274Kg/c㎡(表2第14欄),日系鋼管排樁之用量約與歐系相同(100.46%,第K列),本案所採用鋼管版樁組合斷面,其鋼管主樁採1470mmψx14.7mm厚(第C列),單位用量約為歐系95%,除U型鋼版樁與鎖扣由國外進口,鋼管樁係國內生產,製造與運輸成本較低,成本費用約可節省15%,相較於日系鋼管排樁組合,雖無主、副樁之分,同樣得由國內生產,成本雖可略為降低,若考量防止漏砂情形的水泥灌漿支出,所費不貲,約較本案所研發系統,成本約增加11%,故鋼管版樁系統在符合設計規範相同標準下,較歐、日系統為經濟。

 表2  A型鋼管版樁系統設計結果

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結論

 以日系鋼版樁為副樁,與主樁結合之鎖扣(Connector),經打樁成果證實,具備良好的扣合性,除了緊密度佳外,容許小角度的扭轉(約5°),有利於吸收主樁打設時少許偏轉,或面對構造物採漸變線形設計時,易於線形微調,故不受地形限制,靈活度佳。

 此外,主樁可配合結構需要採不同斷面設計,僅需視設計變化位置焊接鎖扣與副樁接合(如圖11),另鎖扣可配合工址線形,搭配角樁使用(如圖12),故鎖扣之設計,對於版鋼版樁材料選擇方案,與配合地形配置版樁系統,有相當的助益。

 為本工程所需而研發之鋼管版樁系統,所展現的台灣價值如下。

(1)      台灣工程界已具備港灣工程版樁材料暨打樁技術之研創能力,版樁材料之選擇方案,不需再仰賴外商。

(2)      首次採用國人自製鋼管樁做護岸版樁之主樁材料,體現MIT同樣有好品質。

(3)      採用順樁打設工法,接頭無需灌漿,無脫榫漏砂之虞。

★誌謝

 鋼管版樁系統研創與施工期間,承蒙業主高雄港務局長官與設計監造CECI之支持指正與協助,方使計畫得以順利推動施工過程,儘管遭遇諸多瓶頸,分享錯誤學習經驗,施工團隊秉持契而不捨的精神,堅持使命必達,特申謝忱。

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圖11   H型鋼與鋼版樁組合斷面(立體圖)  

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圖12  鋼版樁利用鎖扣結合為角樁示意圖

參考資料

1.         高雄港務局全球資訊網站。

2.         高雄港第二港口圖資,Google Earth。

3.         CECI「高雄港洲際貨櫃中心航道護岸改建工程及第一、二港口航道及迴船池浚挖工程設計及監造工作委託技術服務」二港口南、北護岸地質調查成果報告書,p.21-22。

4.          Arcelor Mittal Mittal Foundation Solutions for Projects steel S.P.(2009).p.35.

5.         新日本製鐵株式會社,鋼管矢板,p.8。

6.         Gere & Timoshenko(1997). Mechanics  of  Materials  4th Edition,PWS ,Publishing Company.

 

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