楊 曉 永, 高 強(qiáng)

(中國(guó)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(guó)內(nèi)在一些基礎(chǔ)工程建設(shè)中多次采用鋼板樁進(jìn)行支護(hù),取得了一些寶貴經(jīng)驗(yàn),促使鋼板樁圍堰施工技術(shù)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(jìn)入基坑進(jìn)而形成基坑干地施工環(huán)境。由于其施工用途和地質(zhì)環(huán)境條件不同,導(dǎo)致其具體的施工工藝和施工注意事項(xiàng)存在很大的差異。雖然我國(guó)鋼板樁施工技術(shù)已很成熟,但在深基坑施工中對(duì)其相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。采用鋼板樁圍堰施工技術(shù)對(duì)周圍環(huán)境的影響較小。鋼板樁結(jié)構(gòu)具有重量輕、強(qiáng)度高、鎖口緊密、施工簡(jiǎn)便、工序簡(jiǎn)單、工期短、安全性高、環(huán)保效果顯著等特點(diǎn),能夠大大減少基坑滲水、流沙等問題,取得了極好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。以中國(guó)水利水電第十工程局有限公司承建的南太平洋地區(qū)斐濟(jì)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(shè)計(jì)與施工情況。

斐濟(jì)瑞瓦河供水工程的建設(shè)采用由中國(guó)水利水電第十工程局有限公司和中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司組成聯(lián)營(yíng)體的方式,按照EPC模式實(shí)施,業(yè)主工程師由澳大利亞雪山公司(SMEC)和法國(guó)愛集思公司(EGIS)聯(lián)營(yíng)體負(fù)責(zé),項(xiàng)目業(yè)主為斐濟(jì)水務(wù)局(Water Authority of Fiji)。

項(xiàng)目由兩個(gè)標(biāo)段組成,分別是標(biāo)段一的水廠DBO標(biāo)和標(biāo)段二的重力管線GM標(biāo)段。水廠DBO標(biāo)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(chǔ)藥間、加氯間、污泥塘等;重力管線GM標(biāo)段包括長(zhǎng)度為17.8 km的DN900 mm鋼質(zhì)輸水管線。

瑞瓦河是斐濟(jì)的主要河流之一,雨季和旱季的流量相差較大,該地區(qū)年內(nèi)降雨量很大,沒有真正的旱季(因?yàn)闆]有一個(gè)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(qū)全年氣溫相對(duì)穩(wěn)定,平均溫度約為25 ℃。

針對(duì)該工程,項(xiàng)目部在水力模型中進(jìn)行了三次設(shè)計(jì)數(shù)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(shù)據(jù)和地形建模程度,進(jìn)水口設(shè)計(jì)采用最大水位高程17.5 m。

取水口結(jié)構(gòu)位于瑞瓦河南岸一個(gè)相對(duì)平坦的中間臺(tái)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(cè)存在大量侵蝕河道和滑坡特征,其下游長(zhǎng)滿了茂密的植被,粉質(zhì)砂、砂質(zhì)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(diǎn)

由于該工程取水口結(jié)構(gòu)位于瑞瓦河南岸一個(gè)相對(duì)平坦的中間臺(tái)階上,而且大部分河岸植被覆蓋較低,暴露出的粉質(zhì)砂、砂質(zhì)土和淤泥等特征較明顯,加之該地區(qū)全年降水量很大,嚴(yán)格來說沒有明顯的旱季,故圍堰工程的施工應(yīng)盡量選擇在降雨量較少的6～9月。因此,圍堰施工前期的機(jī)械設(shè)備、材料準(zhǔn)備等工作就顯得尤為關(guān)鍵;同時(shí)給圍堰施工期的組織安排及施工質(zhì)量、施工時(shí)效等造成巨大挑戰(zhàn)。如果在枯水期內(nèi)未完成圍堰及取水口的建設(shè),工程極有可能會(huì)被河水淹沒。同時(shí),因河岸巖體組成多為粉質(zhì)砂、砂質(zhì)土和淤泥,導(dǎo)致鋼板樁的入巖深度等一系列問題也會(huì)成為工程建設(shè)的一大難點(diǎn)。

3 引流方式及導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

考慮到河流水位問題,在建造取水口結(jié)構(gòu)時(shí)計(jì)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(shè)置一道污泥攔污屏,以盡量減少工程施工對(duì)瑞瓦河造成的污染?；跇I(yè)主提供的瑞瓦河相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得知:圍堰施工采用5 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)作為導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn),枯水期(6～9月)流量為1 242 m3/s,相應(yīng)水位高程為4.5 m。

4 圍堰設(shè)計(jì)

4.1 圍堰斷面

導(dǎo)流結(jié)構(gòu)采用土石圍堰結(jié)合鋼板樁圍堰擋水,鋼板樁圍堰頂?shù)臉?biāo)高設(shè)置為5 m,鋼板樁圍堰的長(zhǎng)度約為165 m。采用長(zhǎng)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(duì)于其堰頂考慮填筑砂石料,鄰河側(cè)邊坡考慮碼砌生態(tài)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(qū)沒有明顯的旱季且其降雨量不均勻系數(shù)較大,進(jìn)而增加了取水口被淹的可能性,故鋼板樁圍堰施工應(yīng)考慮堰頂過水和不過水兩種情況。同時(shí),鋼板樁圍堰受土石圍堰主動(dòng)土壓力及水壓力影響,故鋼板樁的選型對(duì)整個(gè)圍堰的自穩(wěn)性起到了非常關(guān)鍵的作用。

4.2.1 低水位工況

土石圍堰堰頂施工機(jī)具自重荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力對(duì)整個(gè)圍堰的穩(wěn)定性起到重要的作用,此圍堰以最重的施工機(jī)具(打樁機(jī))為計(jì)算依據(jù),其最低水位為-0.5 m。根據(jù)鋼板樁施工期的工況,鋼板樁內(nèi)外均有水,據(jù)此進(jìn)行了以下分析與計(jì)算:

式中 φ為土的內(nèi)摩擦角。根據(jù)土的特性φ取30°。

因鋼板樁圍堰內(nèi)外均有水,故其內(nèi)外水壓力相互抵消。通過查閱打樁機(jī)荷載參數(shù)得知:打樁機(jī)履帶著地荷載P=63 kPa;根據(jù)朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算公式,其支護(hù)墻頂端側(cè)向壓力q1為:

q1=Ka×P=0.33×63=20.79(kPa)

式中P為打樁機(jī)履帶荷載。

支護(hù)墻底端側(cè)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(jù)支護(hù)板的受力情況,采用有限元分析軟件對(duì)該支護(hù)板進(jìn)行了受力分析,得出該板最大豎向彎矩發(fā)生在底部的結(jié)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(jù)土的特性φ取30°。

迎水面?zhèn)人畨毫1,max=r水×H1=10×8

=80(kPa)

背水面被動(dòng)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(dòng)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(jù)支護(hù)板的受力情況,采用有限元分析軟件對(duì)該支護(hù)板進(jìn)行了受力分析,得出該板最大豎向彎矩發(fā)生在底部的結(jié)論,其值為73.5 kN·m。

綜上所述,對(duì)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(jù)。

經(jīng)查閱拉森鋼板樁參數(shù)表,假定采用SP-Ⅲ型鋼板樁,以每m寬進(jìn)行驗(yàn)算,得到:

拉森鋼板樁容許彎曲應(yīng)力[σ]=210 MPa。

根據(jù)彎曲正應(yīng)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(diǎn)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(shè)計(jì)要求。

4.3 插樁設(shè)備的選擇

根據(jù)該工程2017年地勘報(bào)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(jù)地勘報(bào)告,巖石單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)為:標(biāo)高在-3 m且鉆孔深度為15.5 m時(shí),勘探孔BH AD2的單軸抗壓強(qiáng)度為6.2 MPa;鉆孔深度為11 m左右時(shí),其單軸抗壓強(qiáng)度為2.9 MPa。

根據(jù)2015年地勘報(bào)告《Rewa River Water Supply Scheme Water Authority of FIJI, VITI Levu, Fiji Geotechnical Investigation Factual Report》,標(biāo)高在-3 m左右時(shí),鉆孔深度為10 m,勘探孔BH41的單軸抗壓強(qiáng)度為1.1 MPa;鉆孔深度為15 m左右時(shí),其單軸抗壓強(qiáng)度為1.9 MPa。故插樁設(shè)備最終選用攜帶SV35振動(dòng)錘的反鏟挖掘機(jī)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(zhì)量的開挖料作為料源采用進(jìn)占法進(jìn)行圍堰填筑,15 t自卸汽車運(yùn)輸填料至現(xiàn)場(chǎng)卸料,推土機(jī)及時(shí)跟進(jìn)推料整平,20 t振動(dòng)碾分層碾壓。圍堰邊坡采用人工配合反鏟挖掘機(jī)的方式碼砌生態(tài)袋以抵抗沖刷。圍堰形成的基坑應(yīng)根據(jù)基坑內(nèi)的水量及降雨強(qiáng)度計(jì)算出初始階段的排水強(qiáng)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(shí),為滿足斐濟(jì)政府關(guān)于防止河流污染等方面的要求,對(duì)基坑內(nèi)結(jié)構(gòu)物的周邊設(shè)置排水溝渠并設(shè)置三級(jí)沉淀池對(duì)基坑內(nèi)的滲水或降雨經(jīng)沉淀后外排。

5.2 土石圍堰的拆除

(1)取水口構(gòu)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(nèi),使鋼板樁圍堰內(nèi)外的水位一致;(2)鋼板樁的拆除應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況從上到下拆卸支架和回路檁條;最后,使用一臺(tái)帶振動(dòng)錘的反鏟挖掘機(jī)、用振動(dòng)錘對(duì)板樁鎖進(jìn)行振動(dòng),將鋼板樁從下游到上游依次振動(dòng)拉出,再使用10 t平板卡車將鋼板樁運(yùn)到倉庫儲(chǔ)存;(3)鋼板樁拆除后進(jìn)行土石圍堰的挖除工作,使用ZX200反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行開挖,15 t自卸汽車運(yùn)渣至棄渣場(chǎng)。開挖時(shí),應(yīng)注意圍堰必須清除干凈并小心保護(hù)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(jī)配振動(dòng)錘作為打樁設(shè)備;(2)將導(dǎo)向架檁條由人工結(jié)合機(jī)械安裝固定在定位樁上;(3)使用帶SV35振動(dòng)錘的反鏟挖掘機(jī)插入鋼板樁。打樁時(shí),在鋼板樁鎖內(nèi)涂上特殊的潤(rùn)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(yīng)從上游到下游單向進(jìn)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(shè)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(jiān)固的砂礫層中打樁時(shí)樁的阻力過大;②鋼板樁的連接鎖口銹蝕、變形,導(dǎo)致鋼板樁不能順利沿鎖口下滑。對(duì)于第一種原因,需要在打樁前對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行分析,充分研究貫入的可能性,其可以采用振動(dòng)法沉樁,而不宜采用直打。對(duì)于第二種原因,應(yīng)在打樁前對(duì)樁進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)有銹蝕或變形的情況時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整或更換,同時(shí),可在鎖口位置涂抹油脂等以減少打樁阻力;(2)對(duì)于樁的傾斜現(xiàn)象,在施打鋼板樁時(shí),由于連接鎖口處的阻力大于鋼板樁周圍的阻力而導(dǎo)致板樁行進(jìn)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(fā)現(xiàn)傾斜時(shí)應(yīng)盡早調(diào)整,可將鋼板樁向上拉1～2 m,再往下錘進(jìn),如此上下往復(fù)振拔數(shù)次即可。如果傾斜過大、僅靠上述方式不能糾正時(shí),可以使用楔形板樁以達(dá)到糾偏的目的;(3)對(duì)于在基礎(chǔ)較軟處有時(shí)會(huì)發(fā)生的施工時(shí)將鄰樁帶入的現(xiàn)象,所采用的處理措施是:將相鄰的數(shù)根板樁焊接在一起,并且在施打板樁的鎖口處涂抹潤(rùn)滑劑以減少阻力。

6 結(jié) 語

以斐濟(jì)瑞瓦河供水工程取水口鋼板樁圍堰施工為例對(duì)其施工技術(shù)進(jìn)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(hù)工程,具有施工便捷、強(qiáng)度高、防水性能好、穩(wěn)定性好、可多次重復(fù)使用、經(jīng)濟(jì)適用性高等優(yōu)點(diǎn)。因此,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理使用鋼板樁圍堰,其對(duì)于整個(gè)基礎(chǔ)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(nèi)施工,而斐濟(jì)政府對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求又高,尤其對(duì)于河流、小溪等地段嚴(yán)禁向流域內(nèi)外排放污染物等?？紤]到這些因素,項(xiàng)目部在圍堰外圍設(shè)置了一道污泥攔污屏以減少污染物的大面積排放;同時(shí),建造了三級(jí)沉淀池,對(duì)基坑內(nèi)的積水及雨水進(jìn)行收集并經(jīng)沉淀后排放,以盡量減少其對(duì)河流的環(huán)境染污,滿足業(yè)主及斐濟(jì)政府對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求。以上措施的實(shí)施,將項(xiàng)目的成本和履約風(fēng)險(xiǎn)控制在合理的范圍內(nèi),進(jìn)而保證了項(xiàng)目順利履約。