鋼圍堰施工技術在自來水廠工程取水頭施工中的應用

虞國宏，龔飛，朱張峰

（1.海天建設集團有限公司，浙江 金華 322100；2.南京工業大學，江蘇 南京 211816）

圍堰是指在水利工程建設中修建永久性水利設施的臨時圍護結構[1]，其作用是防止水土進入建筑物施工現場，從而將圍堰內的水排干，開挖基坑，修建建筑物。鋼圍堰是水工建筑施工中常用的施工技術，鋼板樁圍堰則是最常用的板樁圍堰，其具有強度高、施工簡便、防水密封性能好、可重復使用等突出優點，在橋梁工程[2-5]和隧道工程[6-7]得到了廣泛應用。

本文以某自來水廠工程取水頭施工項目為背景，詳細介紹了本工程采用拉森鋼板樁圍堰施工的方案設計、受力驗算及施工工藝，期望為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

該自來水廠單側臨湖，場地分布著較厚的河相沖積物，地貌單元類型屬海積平原沉積類型。場地原為農田，擬建場地內有多條排水溝及水塘，寬約1.5m～15.0m，深約0.50～2.40m，大部分排水溝已經干涸，溝底無淤軟土，較深水溝局部有0.10m～0.60m水深，溝底有0.10m～0.30m左右淤軟土，地勢不平整。

取水頭位于湖底，湖水面高程約+3.00m，施工涉及土層由淺至深分別為淤泥、黏土、細砂和粉質黏土。由于水下施工，故采用鋼板樁圍堰施工技術。

2 鋼板樁圍堰方案設計

根據工程特點，采用鋼板樁圍堰施工方法，鋼板樁采用拉森Ⅵ型鋼板樁（SP-Ⅳ），材質SY295，單根長度為15m，圍堰平面呈圓形，軸線直徑34.0m，共設置三道內支撐。圍堰頂高程為+3.50m，圍堰底高程為-11.50m，封底混凝土厚2.0m。

鋼板樁圍堰方案示意圖見圖1。

3 鋼板樁圍堰驗算

3.1 鋼板樁驗算

基于等值梁法，并借助Midas/Gen軟件進行鋼板樁圍堰結構應力及入土深度驗算。計算過程中作出如下假設：

①計算時取1m寬單位寬度鋼板樁作為計算對象；

②因圍堰兩側土全部處于水下環境，處于飽和水狀態，為簡化計算且偏安全考慮，不考慮土的粘聚力（c=0）；

③彎矩為零的位置約束設置為鉸接，故等值梁相當于一個簡支梁，方便計算；

④假設鋼板樁在封底混凝土底面固結；

⑤土壓力計算采用不考慮水滲流效應的水土分算法，即鋼板樁承受孔隙水壓力、有效主動土壓力及有效被動土壓力。

根據施工過程，分解為三個工況分別進行計算，具體如下：

①工況一，第一道內支撐安裝后，圍堰內抽水、清淤至-0.55m，第二道內支撐未安裝前，該階段鋼板樁受力最大，為最不利狀態；

②工況二，第二道內支撐安裝后，圍堰內挖土至-4.05m，第三道支撐安裝前，該階段鋼板樁受力最大，為最不利狀態；

③工況三，第三道支撐安裝后，圍堰內繼續開挖至-5.55m，封底混凝土澆筑前，該階段鋼板樁受力最大，為最不利狀態。

各工況計算簡圖見圖2。

通過驗算，各工況下鋼板樁最大應力值為76.7MPa，入土深度滿足安全要求。

3.2 內支撐驗算

由鋼板樁驗算結果，第一道內支撐最大支撐反力為81.1kN，第二道內支撐最大支撐反力為271.5kN，第三道內支撐最大支撐反力為201.5kN。因此，可只驗算第二道內支撐。

采用Midas/Gen軟件建立內支撐結構有限元模型，并進行計算，見圖3。

計算可知，第二道內支撐最大位移為8.733mm，圍檁最大組合應力為192.4MPa，鋼管最大組合應力為138.1MPa，均滿足安全要求。

3.3 其他驗算

考慮封底混凝土及鋼板樁圍堰自重，進行整體抗浮驗算，經計算，抗浮安全系數為1.19，大于1.05；抗基坑底管涌安全系數計算得3.08，大于1.5；在工況三下圍堰內挖土至-5.55m時，須驗算坑底的承載力，如承載力不足，將導致坑底土的隆起。本工程基底抗隆起計算參照普朗德爾和太沙基的地基承載力公式，并將鋼板樁底面的平面作為極限承載力的基準面，承載力安全系數計算得4.0，大于1.2，均滿足安全要求。

圖2 各工況計算簡圖

4 鋼板樁圍堰施工工藝

4.1 沉樁施工

①先打導樁，在導樁上焊支撐架，導樁擬采用I28b型工字鋼。

圖3 內支撐計算

②在支撐上安放導梁、導梁采用鋼板樁。

③采用全站儀精確定位角點做坐標。

④先施工圍堰上游鋼板樁，然后施工下游鋼板樁。

4.2 拆除

取水頭混凝土施工并養護完成且取水管施工完成后，進行鋼板樁圍堰的拆除工作。

鋼板樁拔除方法為先用打拔錘夾住鋼板樁，向下振動，使樁與周圍土體、板樁松動，然后緩慢向上振拔。振拔過程中，注意觀察夾具是否松動，防止“中途”掉樁。

鋼板樁拔除結束后，對場地進行整理，清除雜物，保持水土環境整潔無污染。

由于取水管頂管施工與鋼板樁圍堰施工存在交叉，擬定在取水管頂管至圍堰位置時，在相應位置對鋼板樁圍堰進行切割開口，以便于頂管頂進。頂進過程中，應密切注意水土情況。

5 結論

通過詳細的方案設計、計算分析及工藝控制，鋼圍堰施工技術在該自來水廠工程取水頭施工中得到了良好實施，可為同類型工程提供參考。