鋼板樁圍堰在小清河倒虹吸施工中的應(yīng)用

秦敬耀

（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

小清河復(fù)航工程總長(zhǎng)169.2km，按Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，全線共有穿越河道的水利倒虹吸設(shè)施11座，均需要拆除重建。倒虹吸設(shè)施重建采用土圍堰導(dǎo)流施工方案，該方案存在開挖土方工程量較大，土地資源占用量大，征地較為困難，施工周期長(zhǎng)，汛期前完成施工難等問題。而鋼板樁結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、鎖口緊密、水密性好、施工方便、工期短、工程經(jīng)濟(jì)性好、可回收反復(fù)使用、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。公司決定選用鋼板樁圍堰解決該問題。具體方案采用筑島土圍堰（作為施工平臺(tái)）+鋼板樁和鋼管支撐組合圍堰施工工藝，通過驗(yàn)算確定鋼板樁的長(zhǎng)度，同時(shí)采取井點(diǎn)降水進(jìn)行導(dǎo)流[1]。實(shí)踐證明，該方案解決了大面積導(dǎo)流、征地拆遷難以及施工工期長(zhǎng)的問題[2]。本文結(jié)合該工程中胡樓干渠倒虹吸的施工對(duì)鋼板樁圍堰的應(yīng)用進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 工程概況

小清河復(fù)航工程中胡樓干渠倒虹吸位于山東省鄒平市，全長(zhǎng)433m,2孔2.5×2.5的結(jié)構(gòu)形式，場(chǎng)區(qū)地貌類型屬黃河沖積平原區(qū)，地面高程7.2～17.8m。地下水勘探期間埋深3.1～4.4m，高程13.2～13.4m。通過勘探查明胡樓干渠倒虹吸地質(zhì)分別為：1-2層雜填土、1-4層淤泥、2層粉質(zhì)黏土、2-2層粉土、3層粉質(zhì)黏土、3-3層粉砂、4層粉質(zhì)黏土、4-2層粉土、5層粉質(zhì)黏土；勘探期間發(fā)現(xiàn)構(gòu)筑物基礎(chǔ)低于地下水位，采用井點(diǎn)降水法進(jìn)行基坑降水。

2 施工方案及驗(yàn)算

2.1 施工方案

該工程位于河道之中，需開挖7.7m深度的深基坑，為避免單獨(dú)使用鋼板樁圍堰而導(dǎo)致發(fā)生較大位移變形，圍堰漏水增加了排水難度這一問題，將鋼板樁和鋼管支撐組合使用，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)鋼板樁圍堰施工方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)土圍堰迎水面采用防滲膜+袋裝土防護(hù)，施工前先建造筑土圍堰施工平臺(tái)，坡比1∶2.0，并保證場(chǎng)地滿足施工機(jī)械的進(jìn)出。

具體的施工流程為：鋼板樁的制作→施工圍堰填筑→鋼板樁的倒運(yùn)→制作鋼板樁的導(dǎo)向架→雙排鋼管板樁插打→圍堰內(nèi)填土→管井降水→基坑開挖、抽水、封底→涵身結(jié)構(gòu)施工→鋼板樁的拔除→另半幅圍堰、涵身施工。

2.2 相關(guān)工況

該項(xiàng)目采用的鋼板樁型號(hào)規(guī)格為拉森Ⅳ型，其雙層間采用M20對(duì)拉桿進(jìn)行穩(wěn)定，并將鋼板樁圍堰組合分為五個(gè)工況進(jìn)行分析。工況一為鋼板樁基坑深度7.7m，鋼板樁15m，高出地面0.5m；工況二為鋼板樁基坑深度5.5m，鋼板樁12m，高出地面1m；工況三為鋼板樁基坑深度2.2m，鋼板樁6m，高出地面0.5m；工況四為鋼板樁基坑深度6.7m，鋼板樁15m，高出地面0.5m；工況五為鋼板樁基坑深度6.7m，鋼板樁15m，高出地面0.5m。基于安全角度考慮，雙層鋼板按照一側(cè)填土一側(cè)開挖，外側(cè)鋼板一側(cè)有水一側(cè)開挖進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3 支護(hù)方案的驗(yàn)算

根據(jù)工程實(shí)際情況，胡樓干渠倒虹吸施工采用拉森Ⅳ型鋼板樁+圍檁+鋼管內(nèi)支撐作為圍護(hù)體系。圍檁、斜撐均采用雙拼HW400×400×13∕21 型鋼，對(duì)撐采用Ф529mm×10mm鋼管。參考相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)圍堰荷載進(jìn)行分析，并進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

2.3.1 荷載分析

使用Midas對(duì)雙層鋼板樁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，雙排鋼板樁圍堰最不利工況為：圍堰內(nèi)抽水至地面線且雙排鋼板樁之間填土至最高水面線[3]。此時(shí)雙排鋼板樁圍堰主要承受圍堰外側(cè)的水壓力和鋼板樁中間填土的主動(dòng)土壓力。

2.3.2 土壓力計(jì)算

式中：

Pa——主動(dòng)土壓力（kPa），Pa＜0時(shí)，取Pa= 0；

γi——計(jì)算深度范圍內(nèi)各土層的重度（kN∕m3），地下水位以上取天然重度，以下取浮重度，分別取18kN∕m3、17kN∕m3、19kN∕m3；

hi——各土層的厚度（m），分別取6.7m、0.9m、6.9m；

ka——計(jì)算點(diǎn)處土的主動(dòng)土壓力系數(shù)，ka=；

c——土層粘聚力，分別取12kPa、15kPa、22kPa；

Pw——計(jì)算點(diǎn)處?kù)o止水壓力強(qiáng)度（kPa）；

γw——水的重度（kN∕m3），取10kN∕m3；

被動(dòng)土壓力計(jì)算公式為：

式中：

Pp——計(jì)算點(diǎn)處被動(dòng)土壓力強(qiáng)度（kPa），Pp＜0 時(shí)，取Pp= 0；

γi——計(jì)算點(diǎn)處各土層重度（kN∕m3），地下水位以上取天然重度，地下水位以下取水下重度，分別取18kN∕m3、17kN∕m3、19kN∕m3；

hi——各土層的厚度（m），分別取6.7m、0.9m、6.9m；

ka——計(jì)算點(diǎn)處土的主動(dòng)土壓力系數(shù)，ka=；

c——土層粘聚力，分別取12kPa、15kPa、22kPa；

Pw——計(jì)算點(diǎn)處?kù)o止水壓力強(qiáng)度（kPa）；

γw——水的重度（kN∕m3），取10kN∕m3；

（1）鋼板樁承受圍堰內(nèi)側(cè)填土的主動(dòng)土壓力計(jì)算如表1所示。

表1 鋼板樁承受圍堰內(nèi)側(cè)填土的主動(dòng)土壓力計(jì)算

（2）鋼板樁承受圍堰內(nèi)側(cè)土的被動(dòng)土壓力計(jì)算如表2所示。

表2 鋼板樁承受圍堰內(nèi)側(cè)土的被動(dòng)土壓力計(jì)算

2.3.3 鋼板樁穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)規(guī)定，雙排樁的嵌固深度應(yīng)符合下式嵌固穩(wěn)定性的要求。

式中：

Eak——基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力，其標(biāo)準(zhǔn)值為297.7kN；

Epk——基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力，其標(biāo)準(zhǔn)值為645.4kN；

aa——基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至雙排樁底端的距離5.54m；

ap——基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至雙排樁底端的距離3.55m；

G——鋼架梁、鋼板樁和樁間土的自重之和（kN），取為350kN；

aG——鋼架梁、鋼板樁和樁間土的重心至前排樁邊緣的水平距離（m），取為1.5m。

經(jīng)計(jì)算得出：

綜上所述，鋼板樁穩(wěn)定性滿足要求。

2.3.4 基坑圍檁及內(nèi)撐計(jì)算

（1）圍檁及內(nèi)斜撐強(qiáng)度計(jì)算。

經(jīng)程序計(jì)算，工況一，上游圍檁最大支反力為79.9kN；工況二，下游圍檁為27.93kN。最大支撐間距取為1m，轉(zhuǎn)化為線荷載為79.9kN∕m、27.93kN∕m，荷載組合分項(xiàng)系數(shù)取1.2。采用Midas∕Civil 建立空間整體計(jì)算模型，取最不利荷載對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算。構(gòu)件均采用材料為Q235鋼材的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

計(jì)算結(jié)果表明，圍檁最大應(yīng)力為72.8MPa，小于容許應(yīng)力215MPa；最大剪應(yīng)力25.1MPa，小于容許剪應(yīng)力125MPa；強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。最大相對(duì)位移為10.3mm，小于容許位移= 11.25mm。剛度滿足規(guī)范要求。

（2）圍檁穩(wěn)定性計(jì)算。

第二層屈曲模態(tài)計(jì)算結(jié)果：

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)為28 大于4，則鋼圍檁穩(wěn)定性滿足要求。

經(jīng)過最終的驗(yàn)算，設(shè)計(jì)的鋼板樁圍堰基坑整體穩(wěn)定性、基坑抗傾覆、嵌固深度，鋼板樁強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性滿足要求。

3 圍堰內(nèi)土方開挖和降水及沉降觀測(cè)

3.1 降水井布置

基坑采取管井降水+明排抽相結(jié)合的方式，降水井沿基坑邊坡中部平臺(tái)布置，管井間距10m，降水井深度15m。

3.2 圍堰基坑開挖

降水前，可開挖至地下水位位置，然后進(jìn)行降水，降水后，開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，鋼板樁圍堰內(nèi)土方采用長(zhǎng)臂挖機(jī)挖除，預(yù)留30cm由人工開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高；兩側(cè)做好排水溝，以備下雨天氣及時(shí)將明水匯集抽取外排。開挖支護(hù)過程中地質(zhì)信息如有變化或與實(shí)際不符，應(yīng)及時(shí)告知檢算方重新檢算[4]；開挖到位后及時(shí)進(jìn)行基槽檢驗(yàn)、墊層施工。

3.3 圍堰監(jiān)測(cè)內(nèi)容

（1）施工過程中要密切觀察基坑底部有無隆起、冒砂等情況，基坑周圍地表有無沉降、開裂的現(xiàn)象[5]。

（2）基坑邊坡的觀測(cè)內(nèi)容包括基坑頂?shù)某两怠⑽灰坪退挥^測(cè)。沉降、位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)，主要在上下游兩側(cè)鋼板樁設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)與控制點(diǎn)，分別加強(qiáng)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行垂直位移和水平位移測(cè)量觀測(cè)。

（3）嚴(yán)格保護(hù)觀測(cè)點(diǎn)，設(shè)置要求應(yīng)達(dá)到醒目、牢固且不易破壞。若破壞，應(yīng)及時(shí)修復(fù)或重新設(shè)置并重新記錄測(cè)量數(shù)據(jù)[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)小清河復(fù)航工程中倒虹吸工程土圍堰導(dǎo)流施工方案存在的一系列問題，采用鋼板樁圍堰施工工藝代替原方案，極大地降低了施工中可能發(fā)生的安全風(fēng)險(xiǎn)；不僅加快了施工進(jìn)度，同時(shí)節(jié)約了大面積臨時(shí)征地的困難以及后續(xù)開挖所需棄土場(chǎng)用地問題，避免了成本的增加。該工程取得的經(jīng)驗(yàn)可在類似工程中推廣。