斐濟瑞瓦河供水工程取水口鋼板樁圍堰施工技術

楊 曉 永, 高 強

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

近年來國內在一些基礎工程建設中多次采用鋼板樁進行支護,取得了一些寶貴經驗,促使鋼板樁圍堰施工技術得到了一定程度的普及與推廣。鋼板樁圍堰的作用是擋住基坑四周的干擾因素,防止土體滑移或防止水流進入基坑進而形成基坑干地施工環境。由于其施工用途和地質環境條件不同,導致其具體的施工工藝和施工注意事項存在很大的差異。雖然我國鋼板樁施工技術已很成熟,但在深基坑施工中對其相關技術的應用還有待進一步加強。采用鋼板樁圍堰施工技術對周圍環境的影響較小。鋼板樁結構具有重量輕、強度高、鎖口緊密、施工簡便、工序簡單、工期短、安全性高、環保效果顯著等特點,能夠大大減少基坑滲水、流沙等問題,取得了極好的社會與經濟效益。以中國水利水電第十工程局有限公司承建的南太平洋地區斐濟瑞瓦河供水工程取水口鋼板樁圍堰為例,闡述了鋼板樁圍堰的設計與施工情況。

斐濟瑞瓦河供水工程的建設采用由中國水利水電第十工程局有限公司和中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司組成聯營體的方式,按照EPC模式實施,業主工程師由澳大利亞雪山公司(SMEC)和法國愛集思公司(EGIS)聯營體負責,項目業主為斐濟水務局(Water Authority of Fiji)。

項目由兩個標段組成,分別是標段一的水廠DBO標和標段二的重力管線GM標段。水廠DBO標段的水處理廠包括取水泵站、初沉池、絮凝池、澄清池、重力濾池、清水池、送水泵房、儲藥間、加氯間、污泥塘等;重力管線GM標段包括長度為17.8 km的DN900 mm鋼質輸水管線。

瑞瓦河是斐濟的主要河流之一,雨季和旱季的流量相差較大,該地區年內降雨量很大,沒有真正的旱季(因為沒有一個月的平均降雨量低于60 mm)。每年的平均降雨量為3 000 mm,最干旱的月份為7月,平均降雨量為125 mm。像許多熱帶雨林氣候一樣,該地區全年氣溫相對穩定,平均溫度約為25 ℃。

針對該工程,項目部在水力模型中進行了三次設計數值模擬。水處理廠取水口位置200 a一遇洪水的水位高程為17.1 m,100 a一遇洪水的水位高程為17.0 m。鑒于水力模型的可用數據和地形建模程度,進水口設計采用最大水位高程17.5 m。

取水口結構位于瑞瓦河南岸一個相對平坦的中間臺階上。其堤岸的上游坡度非常陡,比中間部位的平地高出30°～60°;下游的坡度約為30°～40°。河岸兩側存在大量侵蝕河道和滑坡特征,其下游長滿了茂密的植被,粉質砂、砂質土和淤泥等特征較明顯,基巖廣泛分布于河底。

2 圍堰施工的難點

由于該工程取水口結構位于瑞瓦河南岸一個相對平坦的中間臺階上,而且大部分河岸植被覆蓋較低,暴露出的粉質砂、砂質土和淤泥等特征較明顯,加之該地區全年降水量很大,嚴格來說沒有明顯的旱季,故圍堰工程的施工應盡量選擇在降雨量較少的6～9月。因此,圍堰施工前期的機械設備、材料準備等工作就顯得尤為關鍵;同時給圍堰施工期的組織安排及施工質量、施工時效等造成巨大挑戰。如果在枯水期內未完成圍堰及取水口的建設,工程極有可能會被河水淹沒。同時,因河岸巖體組成多為粉質砂、砂質土和淤泥,導致鋼板樁的入巖深度等一系列問題也會成為工程建設的一大難點。

3 引流方式及導流標準

考慮到河流水位問題,在建造取水口結構時計劃在枯水期(6～9月)施工;采用土石圍堰插打鋼板樁圍堰并在圍堰外圍設置一道污泥攔污屏,以盡量減少工程施工對瑞瓦河造成的污染?；跇I主提供的瑞瓦河相關數據進行計算得知:圍堰施工采用5 a一遇洪水標準作為導流標準,枯水期(6～9月)流量為1 242 m3/s,相應水位高程為4.5 m。

4 圍堰設計

4.1 圍堰斷面

導流結構采用土石圍堰結合鋼板樁圍堰擋水,鋼板樁圍堰頂的標高設置為5 m,鋼板樁圍堰的長度約為165 m。采用長度為9 m的鋼板樁,樁身插入基巖的深度為1 m。

土石圍堰作為鋼板樁的施工通道及支撐,其填筑高度為4.5 m,頂寬5 m,對于其堰頂考慮填筑砂石料,鄰河側邊坡考慮碼砌生態袋以防沖刷。圍堰斷面情況見圖1。

4.2 鋼板樁的選型

因該地區沒有明顯的旱季且其降雨量不均勻系數較大,進而增加了取水口被淹的可能性,故鋼板樁圍堰施工應考慮堰頂過水和不過水兩種情況。同時,鋼板樁圍堰受土石圍堰主動土壓力及水壓力影響,故鋼板樁的選型對整個圍堰的自穩性起到了非常關鍵的作用。

4.2.1 低水位工況

土石圍堰堰頂施工機具自重荷載產生的側壓力對整個圍堰的穩定性起到重要的作用,此圍堰以最重的施工機具(打樁機)為計算依據,其最低水位為-0.5 m。根據鋼板樁施工期的工況,鋼板樁內外均有水,據此進行了以下分析與計算:

式中 φ為土的內摩擦角。根據土的特性φ取30°。

因鋼板樁圍堰內外均有水,故其內外水壓力相互抵消。通過查閱打樁機荷載參數得知:打樁機履帶著地荷載P=63 kPa;根據朗肯主動土壓力計算公式,其支護墻頂端側向壓力q1為:

q1=Ka×P=0.33×63=20.79(kPa)

式中P為打樁機履帶荷載。

支護墻底端側向壓力q2=q1+Ka×r1×2+Ka×r2×2.5=40.92(kPa),其中r1為土的天然容重;r2為土的浮容重。

根據支護板的受力情況,采用有限元分析軟件對該支護板進行了受力分析,得出該板最大豎向彎矩發生在底部的結論,其值為116 kN·m。

4.2.2 高洪水位工況

考慮洪水淹沒至鋼板樁頂部高程的工況:

根據土的特性φ取30°。

迎水面側水壓力q1,max=r水×H1=10×8

=80(kPa)

背水面被動土壓力q2,max=Ka×r土×H2

=3×18×4.5=243(kPa)

式中H1為迎水面高水位至河床的高度;H2為土石圍堰的高度。由于被動土壓力大于水壓力,能夠形成有效支撐,故可以將圍堰頂作為支撐。

鋼板樁在圍堰頂承受的壓力q3,max=r水×(H1-H2)=10×(8-4.5)=35(kPa)。

根據支護板的受力情況,采用有限元分析軟件對該支護板進行了受力分析,得出該板最大豎向彎矩發生在底部的結論,其值為73.5 kN·m。

綜上所述,對比低水位工況和高水位工況并考慮最不利工況,最終決定采用最大彎矩為116 kN·m作為鋼板樁選型的依據。

經查閱拉森鋼板樁參數表,假定采用SP-Ⅲ型鋼板樁,以每m寬進行驗算,得到:

拉森鋼板樁容許彎曲應力[σ]=210 MPa。

根據彎曲正應力公式得知:σ=My/I=M/W=116×106/1 340×103=86.56(MPa)<210 MPa。

式中M為彎矩;y為截面形心到受力點的距離;I為截面慣性矩;W為截面模量。

故采用SP-Ⅲ型鋼板樁能夠滿足設計要求。

4.3 插樁設備的選擇

根據該工程2017年地勘報告《Rewa River Water Supply Scheme Water Authority of Fiji, Viti Levu, Fiji Factual Geotechnical Report》,其勘探孔位布置情況見圖2。

圖2 勘探孔位布置圖

根據地勘報告,巖石單軸抗壓強度參數為:標高在-3 m且鉆孔深度為15.5 m時,勘探孔BH AD2的單軸抗壓強度為6.2 MPa;鉆孔深度為11 m左右時,其單軸抗壓強度為2.9 MPa。

根據2015年地勘報告《Rewa River Water Supply Scheme Water Authority of FIJI, VITI Levu, Fiji Geotechnical Investigation Factual Report》,標高在-3 m左右時,鉆孔深度為10 m,勘探孔BH41的單軸抗壓強度為1.1 MPa;鉆孔深度為15 m左右時,其單軸抗壓強度為1.9 MPa。故插樁設備最終選用攜帶SV35振動錘的反鏟挖掘機用于插入鋼板樁。

5 土石圍堰

5.1 土石圍堰的施工

土石圍堰選用較好質量的開挖料作為料源采用進占法進行圍堰填筑,15 t自卸汽車運輸填料至現場卸料,推土機及時跟進推料整平,20 t振動碾分層碾壓。圍堰邊坡采用人工配合反鏟挖掘機的方式碼砌生態袋以抵抗沖刷。圍堰形成的基坑應根據基坑內的水量及降雨強度計算出初始階段的排水強度。必須考慮配置足夠的水泵及備用水泵用于基坑排水;同時,為滿足斐濟政府關于防止河流污染等方面的要求,對基坑內結構物的周邊設置排水溝渠并設置三級沉淀池對基坑內的滲水或降雨經沉淀后外排。

5.2 土石圍堰的拆除

(1)取水口構筑物全部施工完成后,可以考慮將圍堰拆除。首先將水抽至基坑內,使鋼板樁圍堰內外的水位一致;(2)鋼板樁的拆除應根據實際情況從上到下拆卸支架和回路檁條;最后,使用一臺帶振動錘的反鏟挖掘機、用振動錘對板樁鎖進行振動,將鋼板樁從下游到上游依次振動拉出,再使用10 t平板卡車將鋼板樁運到倉庫儲存;(3)鋼板樁拆除后進行土石圍堰的挖除工作,使用ZX200反鏟挖掘機進行開挖,15 t自卸汽車運渣至棄渣場。開挖時,應注意圍堰必須清除干凈并小心保護取水口建筑物不被損壞。

5.3 鋼板樁的施工

(1)土石圍堰施工完成后開始施工鋼板樁防滲圍堰:先施工定位樁,將樁插入河床,采用反鏟挖掘機配振動錘作為打樁設備;(2)將導向架檁條由人工結合機械安裝固定在定位樁上;(3)使用帶SV35振動錘的反鏟挖掘機插入鋼板樁。打樁時,在鋼板樁鎖內涂上特殊的潤滑和防水油脂以便于鋼板樁的插入和拔出,滿足防滲要求。鋼板樁的打樁應從上游到下游單向進行;(4)鋼板樁打樁完成后,沿鋼板樁自上而下安裝圍檁和支撐。

鋼板樁打設過程中遇到的問題及采用的處置措施:(1)打樁過程中阻力過大,不易貫入。其主要原因:①在堅固的砂礫層中打樁時樁的阻力過大;②鋼板樁的連接鎖口銹蝕、變形,導致鋼板樁不能順利沿鎖口下滑。對于第一種原因,需要在打樁前對地質情況進行分析,充分研究貫入的可能性,其可以采用振動法沉樁,而不宜采用直打。對于第二種原因,應在打樁前對樁進行檢查,發現有銹蝕或變形的情況時應及時進行調整或更換,同時,可在鎖口位置涂抹油脂等以減少打樁阻力;(2)對于樁的傾斜現象,在施打鋼板樁時,由于連接鎖口處的阻力大于鋼板樁周圍的阻力而導致板樁行進方向形成不均衡力、鋼板樁底部向阻力小的方向位移。所采取的措施是:發現傾斜時應盡早調整,可將鋼板樁向上拉1～2 m,再往下錘進,如此上下往復振拔數次即可。如果傾斜過大、僅靠上述方式不能糾正時,可以使用楔形板樁以達到糾偏的目的;(3)對于在基礎較軟處有時會發生的施工時將鄰樁帶入的現象,所采用的處理措施是:將相鄰的數根板樁焊接在一起,并且在施打板樁的鎖口處涂抹潤滑劑以減少阻力。

6 結 語

以斐濟瑞瓦河供水工程取水口鋼板樁圍堰施工為例對其施工技術進行了分析研究。鋼板樁圍堰適用于各種水上施工及基坑開挖支護工程,具有施工便捷、強度高、防水性能好、穩定性好、可多次重復使用、經濟適用性高等優點。因此,應根據實際情況合理使用鋼板樁圍堰,其對于整個基礎工程施工具有舉足輕重的作用。鑒于取水口圍堰需在瑞瓦河內施工,而斐濟政府對環境保護的要求又高,尤其對于河流、小溪等地段嚴禁向流域內外排放污染物等?？紤]到這些因素,項目部在圍堰外圍設置了一道污泥攔污屏以減少污染物的大面積排放;同時,建造了三級沉淀池,對基坑內的積水及雨水進行收集并經沉淀后排放,以盡量減少其對河流的環境染污,滿足業主及斐濟政府對環境保護的要求。以上措施的實施,將項目的成本和履約風險控制在合理的范圍內,進而保證了項目順利履約。