污水廠處理池降水與基坑支護方案設計

景廣濤

(中交集團中國城鄉碧水源北京久安建設投資集團有限公司,北京 100094)

0 引言

由于地下工程本身所具有較大風險的問題,需要在施工的每一步中進行嚴格地設計與把控,主要分為土方開挖、基坑支護、結構修筑與防水處理等,根據不同的工程需求還包括各類的管線埋設等,不同的地下結構需根據自身需要與其所處的地質水文環境對其關鍵施工環節進行著重研究與處理。對于污水處理池這種埋深較大且后期維護成本較高的地下構筑物來說,堅固的支護結構顯得較為重要,結合碭山經濟開發區污水處理廠項目中存在的砂質黏土與地下水問題,本文對降水與支護方法進行了專項探究,形成了一套適用于在砂質黏土情況下的排水方法與支護方法的施工流程,最終結合實際工程對其進行可靠性驗證。

1 基坑降水

當構筑物的基坑開挖處以及附近存在地下水時,需要進行基坑降水,其降水要求在施工的過程中不影響施工進度與施工效果,在施工后短時間內不影響施工質量,從抽水量計算、成井與封井方法3個方面對其進行介紹研究,其實用結果證明該方法降水效果良好,為后續作業提供很好的施工環境[1]。

1.1 基坑內抽水量的計算

在施工期間,在基坑開挖過程中應采取相應的排水措施,加強支護,防止塌方和流沙的產生,同時要考慮到降水對周邊建筑沉降的影響,并按實際情況進行降水。對于基坑內降潛水量的計算,采用式(1)來計算地下水容量儲存量,采用式(2)計算坑內所需采用的降水井數量。

W=μ×V

(1)

其中,W為容積儲存量,m3;V為含水層體積,m3,V=基坑面積×降水深度h(h為潛水靜止水位至基坑底板以下0.5 m);μ為含水層的給水度(粉砂與黏土給水度經驗值為0.10～0.15)。

n=A/a

(2)

其中,n為井數,口;A為基坑面積,m2;a為單井的有效抽水面積,m2。

1.2 成井方法

在成井過程中,采用正循環旋轉鉆井液的護壁成孔技術,并需要采用與之配套工序如濾管、黏性土、封孔等。其工藝具體流程為測放井位→埋設護口管→鉆孔→清孔換漿→下井管注石→井口封堵與洗井→埋設裝置→最后檢驗。

盡管對地質情況做出了前期勘探與預研工作,但是在成井施工的過程中,由于地質情況的復雜性,需要在成井的過程中注意施工細節。在清孔換漿時,考慮淤泥地形,井管上端要用悶塞密封,然后將鉆桿從中抽出,與此同時進行調漿工作,保證施工的連續性;根據其工程量確定合適類型的泵,且注石時應根據所采用的井的結構設計,將砂粒注滿,并根據所填的深度和測量其高度,直到將碎石排到指定的位置;在進行洗井工作時采用“從過濾器的底部開始,拉動活塞”的方式進行鉆孔清洗,當活塞抽出的水大致清澈后,可用空氣壓縮機來清洗管道底部的沉砂以保證所形成的井在后續施工期間保持暢通;在成井結束后,進行施工前的真空泵抽泵試驗,要求其管路系統內的真空度應保持在-0.06 MPa。

1.3 封井方法

在封井前的降水運行中,針對地下儲水的水文條件,抽水泵的抽水間隔時間應逐漸增大以確保土層完成沉降固結,若抽水量增大,則需加大抽水次數并增大抽水間隔以確保不影響后續施工。在降水井的封井工作中,探討與計算得出如圖1,圖2所示的結構樣式與施工流程,以確保其整體結構的穩定性并契合當地的地下儲水情況,具體施工步驟如下:

將瓜子片填充到井筒中,然后在井筒中下直徑為2.54 cm的注漿管,并將注漿管的底部下入1.0 m的深度。在正式注漿之前,井口要用鋼筋作為支承,在注漿管安裝好后,就可以進行注漿。注漿完成,在水泥漿達到初凝階段后,將剩余水從井筒中排出,并對井筒內的水位和標高進行實時監測。在確定注漿效果后,再將混凝土注入井筒,注入的混凝土比地面稍低50 cm。注漿結束后,要對井眼水位進行觀測,以判斷其實際封堵效果。當井筒混凝土的初凝能力滿足要求,能夠判定封堵效果滿足要求時,才可以將裸露的井管全部切掉。在切割完井管后,應在管的位置用鋼板焊接,焊縫應在地面以下50 cm處。管口焊接好后,將普通填土填入孔內,并將其填平,然后進行封井。

2 拉森鋼板樁支護

拉森鋼板樁又被稱為U型鋼板樁,具有材質輕、強度高、施工簡單且不受施工條件制約的眾多優點,因其具有較高的防水性與安全性,十分適用于砂質黏土中存在地下水的工況,能夠組合形成強有力的保護屏障阻止地下水的滲透且能加快施工速度,從性能、施工與造價三方面研究比選最終確定在對污水處理池進行施工的過程中選擇其作為支護構件,并從鋼板樁的施工準備與施工打設兩個關鍵工藝方面進行介紹與研究,得到適用于該地質條件下的打設工藝[2]。

2.1 鋼板樁施工準備

在選用鋼板樁時,應確保其平面盡可能平坦、平整,避免出現不規則的拐角,便于使用和支承,并盡可能地使各個外周尺寸與板樁的模數一致。

2.1.1 鋼板樁的檢驗

鋼板樁在運輸到現場后必須進行清理。將鎖孔中的雜質清理干凈,并進行修補。在基坑工程中,鋼板樁檢測的主要手段是外觀檢測,應保證符合規范標準,且對于重復使用的必須符合相關規范;對經檢測合格的鋼板樁進行保證后續承載作用的潤滑及防滲處理,每塊鋼板樁的鎖頭必須用混合油均勻地涂抹。

2.1.2 鋼板樁的矯正

對有表面缺陷的鋼板樁,應首先清除其周圍的腐蝕和油污,然后用焊接修復法將其平整,再用砂輪打磨;對端部分離矩形比的鋼板樁,用砂輪將其打磨、修削。在修整的過程中,可以直接使用砂輪進行修整;存在樁體彎曲的鋼板樁利用龍門式頂梁托架上的千斤頂對腹向彎矯進行冷彎校正;存在樁身歪斜的樁體可按鋼板樁的變形程度,采用常規的方法進行校正;樁斷面的局部變形可采用千斤頂頂壓、大錘敲打、氧乙炔火焰加熱等措施糾正局部變形;鎖頭變形的情況可采用普通鋼板作為基礎,采用低速提升機的牽伸調整技術,或采用氧乙炔熱烘烤,大錘鍛打胎具對其進行調整。

2.1.3 鋼板樁吊運及堆放

在卸下鋼板樁時,必須采用雙點吊的方法。在吊裝時,每次吊裝的鋼板樁不能過多,而且要保護好鎖。起重方式包括成束起重和單起重。成捆型起重機通常使用鋼索進行捆扎,采用專用起重設備。堆疊鋼板樁時,必須選用平整的、牢固、可承受大壓力的地點,且應便于運輸;必要時,可選擇將其壓實。

2.2 鋼板樁打設

2.2.1 導架安裝

為確保樁身定位準確、保證樁體垂直、提高樁頭的插入精度、防止樁身失穩以及提高樁體的穿透性,通常要求采用具有高剛度的導樁。導向梁、邊檁樁等為單層方面形式,間距一般在2 m～3 m左右,邊框間距應偏小,可厚于板樁9 mm～16 mm。

在安裝導軌時,應注意引導梁的位置要用經緯計和水平計調整。正確的導向柱高度有利于板樁的施工,提高工效。由于采用了鋼板樁,所以導梁不會產生沉降和變形,引導橫梁應盡量垂直,避免與板樁相撞。

2.2.2 鋼板樁打設

由于建設底面標高低于地面的大型構筑物,所以鋼板樁需要打入較深的深度,且考慮砂質黏土的特性,每個樁的斜度必須受到嚴格控制,即每根樁體的傾斜度小于2%,以避免因土體較弱而發生鋼板樁傾斜現象,因此,采用最適宜該情況的屏風式打入法。且在施工前,由于施工場地的濕滑,為防止鎖口中心線平面位移,在打樁進行方向的鋼板樁鎖口處設卡板,阻止板樁位移。同時在圍檁上預先算出每塊板樁的位置,以便隨時檢查校正。

屏風式打入法的優點在于可減少板狀發生屈曲、扭轉、傾斜等一系列變形問題的產生,打入精度高,很契合地質結構為砂質黏性土且富含地下水的土體,可以解決該類型土體對樁體垂直度要求高的問題,但在施工時仍需嚴格控制其斜率。

進行施工時首先在兩端插入1根～2根鋼板樁,并對插入鋼板樁的垂直方向進行嚴格的控制,之后將其與墻壁進行焊接,剩余的鋼板樁按次序分別以1/2或1/3的板樁高度依次打設;按照上述的施工順序以此進行鋼板樁的打入,直到項目完工。采用上述方法,可以防止鋼板樁發生過大的傾斜和變形;并減小進給累積的傾角誤差(如表1所示),以減少鋼板樁的損耗;相鄰鋼板樁由于分段施打因此不會影響施工。

表1 板樁打設的公差標準

2.2.3 鋼板樁的拔除

需先進行拔樁阻力的計算:拔樁阻力F為鋼板樁與土的吸附力Fe與上一段鋼板樁與土的側面阻力Fs之和,Fe和Fs的計算公式分別如式(3)與式(4)所示。

Fe=Ulτ

(3)

其中,U為鋼板樁的周長;l為鋼板樁的長度;τ為鋼板樁與各土層吸附力按土層厚度的加權平均值(l范圍內)。

Fs=1.2EaBhμ

(4)

其中,Ea為作用在鋼板樁上的主動土壓力強度,kN/m2;B為鋼板樁的寬度,m;H為鋼板樁樁頂至坑底的長度,m;μ為鋼板樁與土的摩阻阻力系數,取0.30～0.40。

在進行拔樁作業時,必須遵循以下幾個步驟:封閉鋼板樁墻,拔樁起點距樁角至少相隔5根樁以上的距離,如有需要,可以間隔拔出。通常情況下,拔出的順序和打樁的順序是相反的。

3 掛網錨噴支護工藝

對于基坑上方的土壤邊坡,可以采取懸掛式錨噴的方式進行支護,并在坡面上進行噴漿。土釘墻支護施工的工藝流程如下:施工準備→開挖→清理邊坡→埋設噴射混凝土厚度控制標志→噴射第一層混凝土→安設插筋→安放鋼板網→噴射第二層混凝土→噴置排水系統→開挖下一步。

4 實際應用

4.1 工程概況

本工程緊鄰某經濟開發區工業污水處理廠西側,位于順堤河以西,鐵路運河以北,道北路以南。目標為建設一座可處理規模為30 000.0 m3/d的污水處理廠,需建設新的事故池1座、初沉池2座、生化池1座。具體數據如表2所示。

表2 新建處理池參數

根據該建設工程勘察程度范圍內揭露的地層,可將場地地基土劃分為4個工程地質層,其自上而下分別為:雜填土、淤泥、黏質粉土、砂質粉土。場地的地下水上部為孔隙潛水,其動態變化主要受大氣降水及河流水位影響。下部主要為賦存淤泥土中上層滯水,勘察測得靜止地下水埋深為1.2 m～4.5 m。

4.2 實際施工

4.2.1 成井施工

根據計算,可確定其降水井結構設計要求為:井點井徑為705 mm,下入直徑為 400 mm/300 mm的水泥礫石濾管,過濾管外覆蓋一層300 g/m/m～400 g/m/m的無紡布,在井深范圍內填充φ3 mm～φ7 mm的濾料。降潛水井點結構如圖3所示。

在現場根據實際情況進行適當的調整按規劃好的布局圖進行放井位,由于其地層與地下水問題,采用黏土與草編將護口管封閉,以避免在施工過程中出現返漿現象。采用直徑為500 mm的鉆孔進行鉆孔,且需保證井筒內的天然漿液質量濃度在1.10～1.15之間。清孔換漿下井管之后,在填砂之前,將鉆桿下到孔底0.25 m～0.45 m,以確保可將鉆桿抽出時進行正常的排漿工作且需逐步調節孔內的泥漿質量濃度至1.05,之后按照方案要求進行正常的井口封堵以及進行設備放置工作[3-4]。

在降水運行時確保基坑排水,由于其多為孔隙水與土中滯水,須在基坑開挖前20 d進行排水。

4.2.2 鋼板樁支護施工

在正式施工前,需對鋼板樁進行檢修,由于工期較短,采用一種便捷的檢測方式,即對于鎖口段的檢測,選擇長度為2 m的同一尺寸鋼板樁,對其進行鎖口檢查;在保證兩邊的鋼柱平行的同時,還要保證鋼板樁的寬度處于同一水平。對其他有缺陷的鋼板樁,需進行徹底的檢驗,并采取相應的措施保證其正常工作。

根據其水文情況以及地質構造,在使用網格法進行打設時,采用將10個～20個板樁成列插入導向架上,形成網眼形狀,然后進行擊打。將一套板樁在屏風墻的兩端打到一定的高度或一定的深度,并對垂直度進行嚴格的控制,用焊接法將其緊固到橫梁上,再在中段依次按1/3或1/2的水平插入。采用單層桁架,以10片～20片鋼板樁為一施工區段,將其埋入一定深度,構成一小片屏風墻,之后再進行后續操作,以保證施工的快速與準確性。

在最后拔樁前,為減小土的阻力,應先使用振動錘將板樁鎖口振活,之后對樁體采用邊振邊拔的方式。對于較難拔出的拉森板樁,可用柴油錘將樁振打入100 mm～300 mm,再結合振動錘交替振打、振拔。起重機上載荷的施加應隨振動錘的起動保持一致,起重機上的起吊力一般略小于減振器彈簧的壓縮極限。為保證順利施工,供振動錘所使用的電源應是振動錘本身電動機額定功率的1.2倍～2.0倍。對于引拔阻力較大的鋼板樁,應采用間歇振動的方法,該方法中,每次振動時間為15 min,且保證振動錘的連續工作時常不超過1.5 h。

5 結論

采用新型封井結構和拉森鋼板樁以及配套的打設工藝對工業污水處理廠基坑支護施工項目進行施工,并進行事后總結,可得到如下結論:

1)污水處理廠基坑支護施工工程中所采用的封井結構安全可靠,適宜于此處的砂質黏土地質與富含地下水的水文情況,隨著該結構的量化和使用推進了整體基坑施工的進程,有效節省了施工時間,提高了施工效率。

2)屏風式打入法的采用,減少了鋼板樁因傾斜不達標導致被拔除的可能性,也因此相應降低了在拔除過程中導致的鋼板樁的損耗數量,極大提高了鋼板樁的利用率,并且減少了因鋼板樁維修而損耗的人力,提高了經濟效益。

以上二者在項目中的優異表現,為在砂質黏土與地下水問題的綜合影響下的尤其是污水廠的深基坑施工提供了一種新的解決思路。