清河水庫供水取水頭部及輸水改造工程穿G102國道頂管接收井拉森鋼板樁施工探討

夏 堃

（遼寧宏禹水利工程建設監理有限公司，遼寧 沈陽 110006）

1 工程概況

本工程起點位于遼寧省清河水庫右岸泄洪洞出口，途經鐵嶺市清河區至開原市婁相屯凈水廠，輸水工程主要任務是解決清河區、開原市城市生活、生產用水，輸水規模30.8萬t/d，工程設計等別為Ⅲ等（中型）。供水管線采用φ4.0 m鋼管與右岸泄洪洞出口段連接，在大開挖穿過右岸上壩路后，改為2條DN1400PCCP管。供水管線主要沿灌渠及清河區和開原市規劃道路敷設，沿途穿越輸水道尾水渠及清河支流各一次，穿越83石油管線、102國道、草開線及2條縣道。其中清河配水站以上為2根DN1400的PCCP管；清河配水站至管線終點（開原配水站）為2根DN1200PCCP管。供水管線包括2座配水站和4處預留供水口。本標段為樁號9+900～12+488的管道安裝，沿線穿越地貌的類型主要為河床、河漫灘及堆積階地，地表高程85.1 m～112.5 m，大部分地形較平緩。

2 工程地質條件

地貌單元為堆積階地，主要由第四紀全新統沖洪積物組成，地勢開闊，地形起伏較小，地面高程86.8 m。本穿越段地層巖性主要由第四紀全新統沖洪積物組成，從上自下依次描述如下:0○-2層素填土，雜色，以粘性土為主，局部含碎石，稍密狀態，主要為公路路基；①層粉質粘土，黃褐色，呈可塑狀態，具中等壓縮性，該層僅分布于GK36孔附近，層厚1 m左右；②層圓礫，雜色，中密～密實狀態，本次勘察未穿透此層，鉆孔深度內揭露最大厚度14 m?？辈炱陂g地下水埋深7.2 m～7.8 m，地下水類型為第四系孔隙潛水，含水層為圓礫層，強透水性，主要接受大氣降水及地表水補給，排泄方式主要為地下徑流和人工開采。

3 頂管接收井拉森鋼板樁設計

清河水庫輸水改造工程采用單根DN2400的預應力鋼筋混凝土頂套管垂直穿越G102國道，輸水鋼管為DN1800，穿越樁號范圍11+616～11+910，全長294 m，頂管末端管中心高程為80.05 m，套管底高程78.7 m。

3.1 接收井尺寸

接收井處原地面高程為86.8 m，頂套管底部高程為78.7 m，高差8.1 m，結合工程地質條件、征地現狀以及目前的施工進度，為了節約工期，加快施工進度，接收井擬采用鋼板樁護壁深基坑形式。深基坑順管軸線方向長6 m，垂直管軸線方向寬5.6 m，深8.1 m，具體簡化模型見圖1。

圖1 接收井基坑平面布置圖

3.2 鋼板樁支護設計

鋼板樁樁頂高程為86.8 m；地面標高為85.8 m（挖除1 m高粉質粘土層），開挖底面標高78.7 m，開挖深度8.1 m，坑內外圓礫天然容重γ為19.5 kN/m2，內摩擦角為Φ=32°，摩擦系數f=0.51，承載力建議值550 kPa，地面超載q按20 kN/m2考慮。鋼板樁支撐層數和間距的布置影響著鋼板樁、支撐、圍檁的截面尺寸和支護結構的材料量，本次設計采用等彎矩布置，這種布置是將支撐布置成使鋼板樁各跨度的最大彎矩相等[1]，充分發揮鋼板樁的抗彎強度，可使鋼板樁材料用量最省。

根據本工程實際情況，鋼板樁采用型號為400 mm×150 mm（寬×高）的熱壓U型鋼板樁。設置兩道內支撐可以滿足設計要求，但實際施工中可能存在偏差，應該使支撐有足夠的安全富裕度，而設置三道支撐又使造價增加，因此，本次設計采用對上部鋼板樁外側地面進行去土卸載的方案，即鋼板樁外側土體挖除1.1 m。本次基坑內支撐布置兩道，第一層支撐2.2 m，標高83.5 m，第二層支撐2.5 m，標高81.0 m，具體見圖2。

圖2 基坑內支撐布置示意圖

4 頂管接收井拉森鋼板樁施工

清河水庫供水取水頭部及輸水改造工程頂管接收井拉森鋼板樁施工工藝流程為:鋼板樁放線定位→打設板樁→挖土→支撐安裝→挖土→支撐拆除→拔除板樁→回填。

4.1 測量方案

據現場條件，頂管接收井選擇一塊平整、堅實的場地施工，按堆放次序、位置、平面布置及管位軸線，定出鋼板樁位置，并用石灰粉劃出接收井位置。為確保鋼板樁進行準確打設，應在所選擇好的地面上以控制軸線為依據定好位置，并測量放線，將鋼板樁插入位置、間距等標出。打樁過程中標高控制以水準點為依據[2]。

4.2 鋼板樁打設

接收井形式為矩形長6 m、寬5.6 m，鋼板樁采用9 m長40 cm寬拉森鋼板樁，鋼板樁支撐圍檁采用35 cm寬10 mm厚工字鋼，兩道支撐距離地面2.2 m做第一道，第二道距離地面4.7 m，圍檀采用兩根槽鋼并在一起，即在基坑上部、中部各一道，總計兩道。挖掘機打樁機在距離打樁點附近的施工平臺停靠，考慮到測量人員觀察的便利，應側向施工。錘頭下降，開液壓夾口，夾起一根樁，鎖口涂抹潤滑油后起錘；錘與樁上升至打樁地點，對準樁與定位樁的鎖口，按設計速度下放錘，依靠錘與樁的自重將樁壓至地面以下一定深度，直至不能下降時停止。將打樁錘試開30 s左右后停止振動，借助錘自身的慣性打樁至堅實土層后，將振動錘開啟，打樁下降，這一過程中始終控制打樁錘下沉的速度，以確保樁的豎直性，從而實現鎖口的順利咬合和止水能力的提高。鋼板樁至100 cm時，停止振動，振動錘會由于慣性的原因持續轉動，利用這種慣性打樁至設計高度。松開液壓夾口，錘自動上升，再完成第二根樁的打設施工，施工過程中始終保持第一、二塊板樁打設位置和方向的精度，并充分發揮其導向板的作用，每入土1 m進行一次打設位置和方向的測量，如遇板樁打設過程中樁身發生傾斜的情況，必須通過鋼絲繩栓拉樁身，邊拉邊打，逐步糾正，直至完成所有樁打設施工。

4.3 鋼支撐拼裝

根據現場實際情況配備鋼支撐現場安裝，根據施工現場道路情況，在基坑內挖支撐溝槽并出土一層，從而為鋼支撐安裝提供便利（圖3），根據施工現場鋼支撐拼裝編號，進行垂直正交鋼管支撐的拼接與安裝?？紤]到鋼支撐板預應力，采用25 t汽車吊完成鋼支撐拼裝、吊裝。鋼支撐安裝完畢后進行鋼支撐連接點的復檢與驗收，合格后方可開挖。

圖3 鋼板樁立面支撐形式圖

4.4 土方開挖

本工程采用挖掘機進行機械分層分段土方開挖，所有開挖坡比都以1∶1開挖。采用邊開挖邊支撐的施工次序，分段距離設為3 m，主要分兩層開挖，第一層進行表面卸土后開挖支撐溝槽，支撐安裝完畢，開挖第二層土方至第二層支撐處，安裝完成后繼續開挖，直到設計標高。接收井地下為圓礫層，滲透系數較大，地下水位較高，因此在沉井過程中，為了確保開挖面沒有地下水以及減少降水工程對周邊環境的不利影響，接收井開挖過程中必須采取降水措施，設置積水坑并用水泵抽水后排出接收井5 m以外。

土方開挖過程中，底部標高150 mm～300 mm厚的土方采用人工清除方式，從而避免對地基的擾動。待挖至標高，立即進行施工墊層施工，防止土體隆起、泡水及對土體的擾動。

4.5 支撐圍檁拆除及板樁拆除

在土方開挖至固定標高后進行圍檁安裝，應用電焊將第一道圍檁、支撐之間焊接牢固。第一道圍檀、支撐固定完畢后再開挖至第二道圍檀，結束支撐體系焊接后方可進行土方開挖施工。施工完成后用挖出的土方完成回填，并拆除支撐、圍檁。

在完成所有地下工程后，回填、拔除板樁。拔除過程中，為減少板樁間的粘附，應先用振動錘震活鋼板樁，并用挖掘機、打樁機依次拔出板樁；根據施工現場土質情況，在板樁拔出前沿樁邊勻速灌入適量清水，減少板樁與土體之間的摩阻力，對于拔樁后留下的孔隙，立即灌入事先準備的沙土，以降低孔隙對臨近構筑物、道路的不利影響。隨振動錘的啟動頻率逐漸向吊機施加荷載，應確保吊機起吊力比減振器彈簧的壓縮極限略小[3]。為保證圍檁拆除和板樁拆除施工質量，應設置基坑邊坡觀測點，并派專人觀測。對于極個別無法拔除的板樁，先用振動錘震打致使其下沉100 mm～300 mm后，用卷揚機輔助拔除，拆除板樁后還應及時清理場地。

5 結論

拉森鋼板樁即U型鋼板樁因具有強度高、密度小、水密性好、可循環使用、施工速度快等技術優勢而在水利水電工程加固支護施工中廣泛使用。清河水庫供水取水頭部及輸水改造工程支護施工及工程運行實際表明，拉森鋼板樁支護對周圍環境影響小，且施工工序簡單，使用方便，節省工期，并能確保施工現場干凈，具有顯著的經濟效益、社會效益和生態效益。