鋼板樁圍堰在烏沙洞拆建工程中的應(yīng)用

劉兵兵 張德華 徐永波

科技推廣與應(yīng)用

鋼板樁圍堰在烏沙洞拆建工程中的應(yīng)用

劉兵兵 張德華 徐永波

一、工程概況

烏沙洞拆建工程屬于灌溉總渠以北地區(qū)淮安區(qū)水利骨干排灌及大型泵站建設(shè)項(xiàng)目中的一個(gè)單位工程，位于江蘇省淮安市淮安區(qū)與淮安市生態(tài)新城交界處的里運(yùn)河?xùn)|堤上，是淮安區(qū)渠北灌區(qū)主要引水渠首之一。該涵洞興建于1957年，維修加固于2003年。

烏沙洞設(shè)計(jì)要素：根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000），里運(yùn)河?xùn)|堤為2級，烏沙洞為2級水工建筑物。閘身采用鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，孔口凈寬2.2m、凈高2.5m，3孔，順?biāo)鞣较蜷L15.0m，后接單節(jié)涵洞，節(jié)長15.0m，轉(zhuǎn)彎角度為8.6°。采用3扇2.2m×2.5m鋼閘門，配3臺(tái)LQ-10T手電兩用螺桿啟閉機(jī)。

地基土質(zhì)：一層（高程9.81～8.61m）為素填土，二層（高程8.61～4.11m）為輕粉質(zhì)壤土，三層（高程4.11～2.81m）為重粉質(zhì)壤土，四層（高程2.81～-3.49m）為黏土、重黏土，五層（高程-3.49～-5.19m）為粉質(zhì)黏土，五層以下為細(xì)砂土。

水位組合及設(shè)計(jì)流量：設(shè)計(jì)上游水位9.5m，下游水位9.2m，設(shè)計(jì)流量30m3/s。

二、圍堰設(shè)計(jì)

（一）圍堰選型

選型原則：滿足安全要求（穩(wěn)定、抗?jié)B、抗沖）、結(jié)構(gòu)簡單、方便施工。

選型依據(jù)：該工程護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式、河岸地形地貌條件、施工期里運(yùn)河水位變幅情況、河道淤泥深度（水深較大為2～3m，歷史河道淤泥層較厚為1.5m）等。

結(jié)構(gòu)型式：采用雙排鋼板樁結(jié)合填土的施工方案。圍堰頂寬5m，迎水面打入12m長SP-IV型鋼板樁，雙排樁間距5m，頂高程11.00m，底高程-1.0m，圍堰內(nèi)側(cè)為1∶2粘土護(hù)堰。內(nèi)側(cè)每米加兩根SP-IV型鋼板樁扶垛進(jìn)行加固，內(nèi)外側(cè)每米焊一根拉桿從頂部連接鋼板樁。斷面設(shè)計(jì)見圖1。

（二）理論驗(yàn)算

該工程采用SP-IV型鋼板樁，進(jìn)行鋼板樁的支撐層數(shù)及間距、最小入土深度和基坑的穩(wěn)定性驗(yàn)算，其結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖見圖2。

1.確定支撐層數(shù)及間距

按等彎矩布置確定各層支撐間距，先計(jì)算鋼板樁頂部懸臂端最大允許跨度：

h=（6×[σ]×W/γKa）1/3

式中：[σ]—鋼板允許彎曲應(yīng)力，[σ]=200MPa；

W—鋼板樁截面模量,拉森Ⅳ型鋼板樁W=2270cm3；

γ—水的重度,γ=10×103N/m3；

Ka—主動(dòng)土壓力系數(shù),粉質(zhì)壤土取0.6。

h=（6×[σ]×W/γKa）1/3=（6× 200×106×2270/10×103×0.6）1/3 =547cm=5.47m

確定采取單層支撐，支撐點(diǎn)高程在10.5m，至最深處河床距離為4.5m（靠近河中央的鋼板樁處河床水深約4m考慮，是最不利因素），如圖2支撐布置形式。

2.用盾恩近似法計(jì)算板樁最小入土深度x

主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=tg2（45°-15° /2）=0.589

被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp=tg2（45°＋15° /2）=1.698

假定作用在板樁MB'段上的荷載MQN'B'由坑底土壓力MB'R'承受，由圖2中的幾何關(guān)系可得：

即：γl×（Kp－Ka）x2/2－γH×x=0

式中γl=18kN/m3,γ=10kN/m3,

H=4.5m，代入式中，簡化后得：

9.981x2－45x=0

解之得，鋼板樁最小入土深度x=4.5m。

所以，鋼板樁最小長度為L=H+x=4.5＋4.5=9m，擬采用鋼板樁長度為12m，滿足要求。

3.基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算

鋼板樁圍堰施工完成后，兩排樁之間的河水無需抽干，而建筑物基坑還在8m之外，即使建筑物基坑有滲水現(xiàn)象也可以用井點(diǎn)降水，故無需對基坑穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

圖1 斷面設(shè)計(jì)圖

圖2 鋼板樁計(jì)算簡圖

三、圍堰施工

（一）設(shè)備材料人員配置

鋼板樁準(zhǔn)備：由渠首上游護(hù)底向外8m布置鋼板樁，共兩排，排距為5m，圍堰和里運(yùn)河大堤相連接，單排鋼板樁長度約98m，兩排共計(jì)196m，按鋼板樁每根0.4m寬計(jì)算，需490根，計(jì)劃配置12m長SP-IV型鋼板樁500根。圍檁支撐36a工字鋼200m，橫向拉桿32a工字鋼80m。

設(shè)備準(zhǔn)備：50t吊車1臺(tái)，打樁機(jī)械手（日立450）1套，測放小船1艘，75kW發(fā)電機(jī)組1套，3t卷揚(yáng)機(jī)3臺(tái)，電焊機(jī)2臺(tái)，氣割設(shè)備2套，20t千斤頂2臺(tái)，倒鏈3套。

（二）準(zhǔn)備工作

1.鋼板樁處理

鋼板樁全部使用新購置的鋼板樁。

插打前應(yīng)在鎖口內(nèi)涂以黃油或熱混合油膏（質(zhì)量比為：黃油∶瀝青∶干粘土=2∶2∶1）。

2.鋼板樁吊運(yùn)及堆放

裝卸鋼板樁采用兩點(diǎn)吊。吊運(yùn)時(shí)，控制每次起吊的鋼板樁根數(shù)，并注意保護(hù)鎖口免受損傷。吊運(yùn)方式采取成捆起吊和單根起吊。成捆起吊采用鋼索捆扎，而單根吊運(yùn)采用專用的吊具。

鋼板樁堆放在平坦而堅(jiān)固的場地上，必要時(shí)對場地地基土進(jìn)行壓實(shí)處理。在堆放時(shí)要注意：（1）堆放的順序、位置、方向和平面布置均考慮到以后的施工方便；（2）板樁按型號、規(guī)格、長度、施工部位分別堆放，并在堆放處設(shè)置標(biāo)牌說明；（3）鋼板樁采取分層堆放，每層堆放數(shù)量一般不超過5根，各層間要墊枕木，墊木間距一般為3～4m，且上、下層墊木應(yīng)在同一垂直線上，堆放的總高度不宜超過2m。

3.抄平放線

在機(jī)械手開行范圍內(nèi)，清除水面及水下障礙、平整場地、做好排水溝、修筑臨時(shí)道路，并根據(jù)放線定位施打。擬從圍堰兩端分別推進(jìn)施工，最后在圍堰中部合龍。

施工前先測出水面高程，計(jì)算鋼樁出水高度，在樁身相應(yīng)位置作出標(biāo)記，打到水面標(biāo)記處即可停止插打，此時(shí)樁頂標(biāo)高即與設(shè)計(jì)一致。

（三）鋼板樁施打

1.打樁機(jī)械的選擇

采用日立450挖掘機(jī)改裝的機(jī)械手。該設(shè)備施工方便、定位準(zhǔn)確、宜于校正、速度快、效率高。

2.鋼板樁的施打

由于該圍堰在沿里運(yùn)河岸邊，通過阻斷里運(yùn)河水創(chuàng)造烏沙洞渠首干地施工條件。對鋼板樁之間整體的鎖口閉合、二排鋼板樁之間的鋼圍檁支撐等的施工要求非常嚴(yán)格，施工時(shí)應(yīng)保持鋼板樁樁體垂直，避免扭曲。

首先在河面用鋼管打定位樁，樁距20m左右，兩樁間拉上定位繩，作為施工標(biāo)線。岸邊施工時(shí)，由機(jī)械手夾持鋼板樁頂端，人工定位并保持垂直緩慢振動(dòng)下沉。

機(jī)械手起吊鋼樁并固定好鋼樁的位置，對準(zhǔn)樁位落下鋼樁，檢查垂直度和平面位置合格后，將樁打入土中。

管樁的計(jì)算樁長為理論控制值入土深度，實(shí)際以貫入度3mm控制，保證入土深度滿足承載力要求。

為防止鎖口中心線平面位移，在打樁進(jìn)行方向的鋼板樁鎖口處設(shè)卡板，阻止板樁位移。同時(shí)測量人員觀測成樁位置，發(fā)現(xiàn)偏差隨時(shí)校正。

開始打設(shè)的一、二塊鋼板樁的位置和方向應(yīng)確保精確，以便起到樣板樁導(dǎo)向作用，故應(yīng)加強(qiáng)觀測。

鋼板樁插打應(yīng)遵循“插打正直、分散偏差、逐步糾正”的原則。

鋼板樁插打時(shí)要嚴(yán)格控制好每一根樁的垂直度，尤其是第一樁的兩個(gè)方向的垂直度是關(guān)鍵，如垂直度達(dá)不到要求，應(yīng)拔起重打。

3.支撐橫梁、頂部拉桿施工

考慮基坑開挖時(shí)只有4m的水位差，在水面以上高程10.5m作為支撐點(diǎn)布置橫梁，橫梁采用36a工字鋼間距1m支撐兩排樁。另采用32a工字鋼間距1m從兩排樁外側(cè)拉住。由此，通過支撐橫梁和拉桿，將兩排鋼板樁連接成牢固的整體。

4.鋼板樁堰內(nèi)外填土

鋼板樁內(nèi)填土分層用機(jī)械夯實(shí)，壓實(shí)度不小于0.91。堰體兩端采用鋼板樁圍堰結(jié)合大堤進(jìn)行閉合，閉合時(shí)應(yīng)注意原坡面的清理，防止?jié)B流破壞，影響圍堰安全。

為保證圍堰運(yùn)行期安全穩(wěn)定，沖抵圍堰內(nèi)外側(cè)水壓力，鋼板樁圍堰內(nèi)側(cè)布置3m支撐，采用人工填筑并夯實(shí)，形成1∶2坡度的土坡支撐。

四、圍堰運(yùn)行期維護(hù)與安全監(jiān)測

圍堰對整個(gè)工程的安全順利施工起決定性的作用，在施工期內(nèi)加強(qiáng)對施工圍堰的安全維護(hù)十分重要。

施工期備足圍堰搶險(xiǎn)物資及人員。安排專職人員負(fù)責(zé)值守，定時(shí)檢查鋼板樁內(nèi)外側(cè)填土的變化情況；定時(shí)進(jìn)行水位的觀測記錄；經(jīng)常了解水情和氣象預(yù)報(bào)；高水位或大風(fēng)暴雨等惡劣天氣，安排負(fù)責(zé)人帶班，由班組24h值班，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并予以消除。

圍堰兩端設(shè)立交通禁行標(biāo)志，設(shè)置安全警示燈。圍堰頂部禁止進(jìn)行任何施工作業(yè)，或堆放棄料棄土。

五、鋼板樁的拆除

鋼板樁拔除前，將烏沙洞鋼閘門全部關(guān)閉，用水泵從里運(yùn)河抽水，直到圍堰內(nèi)外側(cè)水位相平時(shí)開始施工。

鋼板樁拔除采用與施打時(shí)相反的施工順序進(jìn)行，所需機(jī)械、工序及安全要求基本相同。

從圍堰中部開始，先拔除鋼板閘3～5m，然后停止拔樁，用長臂挖掘機(jī)清除鋼板樁內(nèi)側(cè)填土，要求清除到原河道底部。這樣反復(fù)進(jìn)行，直至全部完成。

六、結(jié)束語

鋼板樁圍堰在烏沙洞拆建工程中的應(yīng)用，大大減少了土圍堰填筑所需外購的土源數(shù)量、減少了里運(yùn)河河道內(nèi)的淤積，有效避免了深水清淤的難度，縮短了圍堰施工時(shí)間，保證了整個(gè)工程施工期的安全，建議推廣應(yīng)用于流域性河道上新建或拆建水利工程建筑物

（作者單位:江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司 223001 淮安市淮安區(qū)渠北水利管理所 223001 淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 223001）