水閘工程中鋼板樁圍堰施工技術的應用研究

趙雅智

（安徽省淮河河道管理局，安徽 蚌埠 233000）

隨著沿海經濟的迅速發展，各種大型水庫的修建也隨之增多。在濱海地區，水利水電工程的基礎往往是深厚軟弱層，以淤泥或者淤泥質粉質粘土為主。目前，采用混凝土圍堰、砌筑圍堰等施工方法，因其處理工藝復雜，造價較高，已不能適應現代水利工程建設對閘門的要求。而鋼管樁框格填土圍堰技術是一種適用于地基變形能力強、斷面小、造價低、施工簡便的新型結構形式，是一種適合我國國情的新型水工建筑物。

1 工程概況

某水閘工程設計為1 級通航，船閘寬度為80.5m，閘室長度為30m，主要建筑物為3，附屬建筑物為4級。該船閘閘室長100m，凈寬12m，上、下游引水通道50m，引水墻20m。船閘主體結構為一塊式，閘室及上、下閘門首部采用100cm 直徑的鉆孔灌注樁，底端為強風化地層。圖1 顯示了該工程中使用的鋼板樁的平面布局，其平面大小為20.5m×12.76m。圍檁、角撐、對撐均采用同一種工字鋼。表1 顯示了水閘的地質參數。

表1 地質參數

圖1 圍堰布置平面圖

2 鋼板圍堰工序的改進以及建立三維模型

2.1 工序的改進

經過勘察，確定本工程中鋼板樁圍堰的支護深度為13.5m，超出了一般工程的10m，因此，傳統的圍堰施工次序不能很好地適應工程需要，因此選擇了改良的施工順序。

通常采用鋼板樁圍堰的施工程序是先將圍堰中的一部分抽走，如果先做好下面的支撐，那么就會先安裝支架，這樣就會累積變形，形成較大的彎矩，危及圍堰的安全[1]。由于鋼板樁是在水里施工的，所以必須要有一個支架，然后將所有的水都放進去，這樣就不會發生變形。該施工工序是首先將角撐、對撐和圍模焊接起來，然后將支撐結構移至適當的位置，調節水平度，再在澆筑鋼板樁和混凝土封底，最后將所有的水一次排干。由于事先設置了支護，因此泵送時對圍堰的變形影響不大，同時大幅度地減小了混凝土的彎矩，使結構的安全度得到了很大的提高。

2.2 建立三維模型

在此基礎上，采用的有限元分析軟件能對項目進行排序，分別構建了兩個工藝改善前后的有限元模型，這樣就可以計算和分析圍堰在施工期間的變形規律，對比分析兩種不同工藝條件下的鋼板樁的變形變化，探討不同施工工藝對鋼板樁變形的影響[2]。

一般采用常規工藝進行鋼板樁圍堰，鋼板樁的剛度一般只有理想剛度的二分之一，經過工藝改進后，鋼板樁受內部支撐的限制，它的剛度達不到設計值的50%，所以就按理想值的30%來計算。在建立數學模型時，對圍堰原來開挖面以下及周圍進行擴深，使圍堰長、寬、高分別為101.5m、93.76m、54m，并按圍堰深3 倍進行擴大[3]。對內撐、檁、鋼板樁等采用線性彈性力學模型；選擇MC 彈性模型作為土的本構模型；采用有限元分析軟件的自定義函數，實現了模型的網格自動剖分。

在一般的過程中，模型將其劃分為五個步驟：

第一道工序是首先鋪設一層圈梁及支護，澆筑鋼板樁，并將水位降至二道撐下0.5m 處。

第二道工序是進行第二道圈梁及支護，澆筑鋼板樁，并將積水排至第3 層0.5m 處。

第三道工序是進行第3道圈梁及支護，澆筑鋼板樁，并向第4 道樓板下0.5m 處抽水。

第四道工序是進行第4道圈梁及支護，澆筑鋼板樁，并將水位降至5 層以下0.5m。

第五道工序是進行第5 道圈梁及支護，排水后，將淤泥全部開挖，直到最上層的混凝土封底。改造過程是先設定支架，再排水。

3 工序改進前后的位移分析

3.1 位移分析

對圍堰進行了有限元法計算，得到了圍堰內最大邊中點各個標高上的位移，并將其繪制成圖2，顯示了施工變更前后、不同抽運次數下的位移變化情況。

圖2 工序改進前后位移變化規律

由圖2 中的有限元法計算得到的鋼板樁樁位移云圖可以看到，經過工藝改造后，鋼板樁的位移相對于常規過程有很大的減小，而且工藝的變化也引起了位移峰值的位置及幅值的變化。如圖2 所示，在常規過程中（初期泵送階段），在正常過程中，鋼板樁的變形量很小。如圖2（a）所示，就通常的正常工作程序來說，當泵送次數（水深）越大，圍堰內的水越少，外界壓力對圍堰造成壓力，使其變形，板樁產生位移，位移都是先增加后減少的，位移量逐漸積累，最終在中上部達到最大值，而后逐漸降低。最大位移量達到164.7mm。由于一般的工序都是先抽水，然后設置內支撐，因此，在安裝支架之前，板樁就已經有了一定的變形，特別是在第一次抽水的時候，由于沒有任何支撐，導致了很大的變形，并且在持續的抽水過程中，板樁的變形逐漸累積，并且對上層的支承造成了一定的壓力，因此，在位移峰值的地方，會有輕微的沉降。在施工過程中，底板與底板之間的間距不斷減小，因此，靠近底板混凝土時，底板對底板的約束作用較強，底板的變形量較小。與此相對，在圖2（b）中，即使在末泵時，變更工作次序后的最大位移也只有6.97mm，只有普通工序最大位移量的4.2%，而且鋼板樁的變形比較均勻，沒有在抽水初期產生大而集中的變形。圖2（b）表明，在每一次泵送時，鋼板樁的變形增量幾乎相等，而且在同一位置上的位移峰值也差不多，沒有像常規施工那樣產生沉陷[4]。

改造過程的優點是，每一次泵送時，圍堰上已經布置了5 層內撐，以協同抗變形。而在常規工藝中，最大支座與支座之間（首次設支座）之間的距離要比改良后的支座與支座之間的距離大得多。在泵送之前，將整個內部支架安裝到位，使支架和泵送同步進行。這也說明，改進后的工藝可以解決常規工藝中，某個支撐部位僅能對該支承位置下方的板樁進行約束的缺陷，它的支撐既能作用于支撐點之下的板樁，也能作用于支撐點之上的板樁，它能極大地增強圍堰內部各支撐之間的協作，使其整體性能更加強大，具有更大的優越性。另外，在施工過程中，局部支護的剛度、標高等參數的選取，也會對鋼板樁及其它支護結構的變形產生影響，應予以特別關注；在此基礎上，提出了在設計、監測及施工過程中應特別注意的問題[5]。

3.2 比較改進后的監測結果與計算結果

通過在正常施工條件下，不同抽汲（深度）數下鋼板樁的變形及修正后的變形量，并與實測值作了比較，如圖3 所示。

圖3 抽水完成后監測值與計算值的對比

從圖3的分析中可以看出，在工作序列被改變之后，就位移的變化情況而言，實測結果和理論計算結果相差不大，盡管兩種最大位移并不完全相同，但相差很小，遠比普通過程中的最大位移與實測值之差要小得多。這也表明，相對于常規工藝，鋼板樁圍堰施工程序的改進，可以減少板樁的變形，改善結構的整體穩定與安全，具有廣闊的應用前景。

4 結論

在某些大型工程中，采用常規的鋼板樁圍堰法已無法滿足實際需要，所以在設計中對其進行了調整。但是，在我國，有關施工工藝變化對鋼板樁的變形影響方面的研究還不多見，結合一具體工程實例，采用有限元方法，對不同施工次序的鋼板樁圍堰進行了比較，得出以下結論：

1.改造后的沉放變形比常規工藝小4.2%，說明采用鋼板樁圍堰施工程序后，其穩定性能得到了顯著改善。

2.通過對施工工藝的改進，可以極大地增強圍堰內部支護之間的協同工作，使圍堰支護體系具有更好的整體性和優越性。

3.通過對改造工藝的監測值、計算值以及常規工藝的計算值進行比較，可以看出，在鋼板樁圍堰的位移的變化規律上，不同工藝的監控值與計算值相差不大，相對于常規工序，通過對鋼板樁圍堰的施工程序的改進，可以減少板樁的變形，增強其整體的穩定與安全。