仝妍妍，吳 昊，吳永軍，周成洋，袁 聰，沙亞偉

（1.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇省水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 揚州 225002；3.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001）

水利工程建設(shè)中，常需提前修建圍堰工程，以便創(chuàng)造合適的工作環(huán)境［1-2］。圍堰結(jié)構(gòu)形式包括土圍堰、鎖扣管樁圍堰、鋼筋混凝土圍堰和鋼板樁圍堰等［3-4］，這些圍堰結(jié)構(gòu)形式有著各自的優(yōu)缺點和適用環(huán)境。在沿海軟土地區(qū)，鋼板樁圍堰因其具備強度高、施工速度快、止水性能好、易打入土層且能重復(fù)利用等優(yōu)點，成為了一種常用圍堰結(jié)構(gòu)形式［5-6］。但是，沿海地區(qū)可能存在深厚淤泥土地基的施工環(huán)境，淤泥土層厚度有時達到10.0 m 以上，采用雙排鋼板樁圍堰時，鋼板樁長度往往設(shè)計較大，造成工程造價高昂，且影響后期拆除。

PC工法組合鋼管樁（簡稱PC工法樁）是從拉森鋼板樁改進得到的一種新型板樁支護結(jié)構(gòu)，由鋼管樁和拉森鋼板樁共同組成，通過鋼管樁兩側(cè)焊接的鎖口將鋼管樁和拉森鋼板樁有效連接起來，由此建立一道連續(xù)的鋼性連續(xù)板樁，用于擋土和止水［7-9］。PC 工法樁以鋼管樁為主要受力樁，與傳統(tǒng)板樁支護結(jié)構(gòu)相比，其樁身剛度得到了提高，由此改進了拉森鋼板樁剛度偏低和易變形的缺點。鑒于PC 工法樁的工程應(yīng)用優(yōu)點，本文以北深泓閘加固改造工程下游圍堰工程為依托，該圍堰地處深厚淤泥質(zhì)土地基，設(shè)計和發(fā)展了一種適合該深厚淤泥土地基的新型雙排PC 工法樁圍堰支護結(jié)構(gòu)，其安全和穩(wěn)定性值得關(guān)注與分析。本文對該雙排PC 工法樁圍堰設(shè)計樣式、穩(wěn)定性驗算和施工方法等進行了研究和分析，有望為雙排PC 工法樁圍堰在類似淤泥土地基環(huán)境中的推廣提供價值性參考。

1 工程概況與雙排PC工法樁圍堰設(shè)計

該工程處于新沂河出?？?，位于江蘇省連云港市灌云縣燕尾港鎮(zhèn)。工程場地土質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)特征劃分為7 層，下游圍堰大部位于①灰黃、灰色黏土、粉質(zhì)黏土上，中部位于③層灰色淤泥質(zhì)重黏土、黏土上，樁底位于⑤層灰色重砂壤土、粉砂土上。

北深泓閘下游施工截流措施為在距閘下游約200 m 處打施工圍堰。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252—2017），下游圍堰為4級水工建筑物。經(jīng)設(shè)計與施工人員研究，結(jié)合工程實際情況，對原設(shè)計方案進行改進，下游圍堰擬采用雙排PC 工法樁圍堰，其結(jié)構(gòu)示意圖可見于圖1 和圖2 所示。如圖1所示，河底高程為-4.0 m，外河水位高程為3.0 m，雙排PC工法樁間距為12.0 m，通過鋼拉桿相連，基坑側(cè)緊鄰圍堰位置設(shè)置一戧臺，PC 工法樁中的鋼管樁縱向深度為27.0 m，鋼板樁縱向深度為18.0 m，如圖2 所示。鋼管直徑為630 mm，壁厚為14 mm。2根鋼管樁之間有3根鋼板樁，相鄰鋼板樁通過鎖扣條咬合固定，鋼管樁與鋼板樁通過側(cè)扣條與鎖扣條相互咬合固定，這樣就可以形成一排PC工法樁。同樣，兩排PC 工法樁之間添加素填土，且兩排工法樁用鋼拉桿相連接，鋼拉桿為直徑50 mm的HRB400。

圖1 雙排PC工法樁結(jié)構(gòu)立體示意

圖2 雙排PC工法樁結(jié)構(gòu)立體示意

2 雙排PC工法樁圍堰穩(wěn)定性驗算

該工程地基含有深厚淤泥質(zhì)土，由于其結(jié)構(gòu)形態(tài)與力學(xué)性能和雙排鋼板樁圍堰相似，為確保圍堰工程安全性，有必要參考《水利水電工程鋼板樁圍堰技術(shù)規(guī)范》，對雙排PC 工法樁圍堰進行抗傾覆、抗水平滑移、抗隆起和深層抗滑穩(wěn)定等驗算。

2.1 抗傾覆穩(wěn)定驗算

雙排PC 工法樁板樁圍堰的抗傾覆穩(wěn)定性驗算采用下式進行驗算：

式中，Ke為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，安全等級為三級的圍堰，Ke不應(yīng)小于1.15；Epk和Eak分別為基坑內(nèi)外側(cè)荷載的合力作用點至擋土構(gòu)件底端的距離；ap和aa分別為基坑內(nèi)、外荷載的合力作用點至擋土構(gòu)件底端的距離；G為鋼板樁、樁間土的自重之和；aG為鋼板樁、樁間土的重心至前排樁邊緣的水平距離。

取一段PC工法樁圍堰為對象，結(jié)合各土層物理力學(xué)參數(shù)，按式（1）開展計算，該雙排PC 工法樁圍堰抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.61，滿足規(guī)范安全要求。

2.2 抗水平滑移驗算

圍堰的抗水平滑移穩(wěn)定性按下式計算：

式中，Kc為圍堰抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)，其值不應(yīng)小于1.2；f為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，可由試驗或根據(jù)類似地基的工程經(jīng)驗確定，本文取0.25；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載；∑E為作用在擋土墻上全部平行于基底面上的荷載。

經(jīng)計算，Kc為4.10，滿足規(guī)范安全要求。

2.3 抗隆起驗算

雙排PC 工法樁圍堰嵌固深度應(yīng)滿足坑底抗隆起穩(wěn)定性要求，抗隆起穩(wěn)定性可按下列公式驗算：

式中，Khe為抗隆起安全系數(shù)，對于該圍堰，Khe不應(yīng)小于1.4；γm1為圍堰外樁底以上土的重度，對地下水位以下的土取浮容重，對多層土取各層土按厚度加權(quán)的平均重度；γm2為圍堰內(nèi)樁底以上土的重度；ld為基坑底面至鋼板樁底面的土層厚度；h為基坑底面至鋼板樁外側(cè)河床的土層厚度；q為河床以上均布荷載；Nq和Nc為承載力系數(shù)；c和φ為擋土構(gòu)件底面以下土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

經(jīng)計算，該圍堰的抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)為2.27，滿足規(guī)范安全要求。

2.4 深層抗滑穩(wěn)定驗算

為進行深層抗滑穩(wěn)定驗算，采用Autobank軟件進行二維建模，通過建立圍堰有限元模型，并導(dǎo)入地層地質(zhì)及力學(xué)參數(shù)，進行滲流和邊坡穩(wěn)定計算。本文選用有效應(yīng)力法進行穩(wěn)定性驗算，采用瑞典圓弧法進行計算。鑒于本文選用的PC工法樁有27 m長的鋼管樁以及18 m 的鋼板樁兩段，因此，將兩段分別計算，計算結(jié)果如表1所示。圖3和圖4分別為雙排PC 工法樁圍堰的鋼管樁段和鋼板樁段的圓弧滑動穩(wěn)定計算結(jié)果，兩種板樁長度的圍堰斷面安全系數(shù)分別為4.76和2.23，滿足規(guī)范安全要求。

表1 計算結(jié)果（不同板樁長度）

圖3 鋼管樁段圓弧滑動穩(wěn)定計算結(jié)果（鋼管樁長27 m）

圖4 鋼板樁段圓弧滑動穩(wěn)定計算圖（鋼管樁長18 m）

綜合上述計算結(jié)果，該圍堰的抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)，抗水平滑移驗算、抗隆起驗算以及深層抗滑穩(wěn)定計算均符合規(guī)范要求，圍堰方案安全可靠。

3 雙排PC工法樁圍堰施工方法

3.1 施工工藝流程

雙排PC 工法樁聯(lián)合支護圍堰施工工藝流程如下：

施工測量→灘地土圍堰施工→灘地段鋼板樁施工→深泓段PC板樁（PC法）施工（預(yù)留龍口）→圍檁、拉桿安裝→鋼板樁內(nèi)兩側(cè)回填土（預(yù)留龍口）→龍口填土合攏→龍口段插打鋼板、安裝圍檁和拉桿→圍堰后戧臺施工、袋裝土子堰施工→圍堰驗收→閘塘排水→圍堰后戧修整。具體可分為下述過程。

3.2 施工準(zhǔn)備

（1）選用施工噪聲小、空氣污染少的工程機械進場施工。圍堰施工前，通過測量定位出圍堰位置，隨后開展灘地圍堰土方施工和水上PC 板樁打樁施工。

（2）施工前期，于施工現(xiàn)場的明顯位置豎立公示牌，標(biāo)明工程施工現(xiàn)場存在的危險源與監(jiān)控牌、可能造成環(huán)境影響的因素及各項安全要求等。

（3）施工用材料包括鋼板樁、Φ630 鋼管、拉桿、雙拼槽鋼圍檁、土工布等均通過陸路運至施工現(xiàn)場。鋼板樁采用SP-Ⅳw拉森鋼板樁，單根長18 m。Φ630×14 mm鋼管長27 m，共需130根，共800 t。鋼圍檁及拉桿125 t，防滲土工布2 500 m2，土方由業(yè)主指定區(qū)域就近取土。

（4）施工機械準(zhǔn)備。及時組織調(diào)遣土方施工機械、打樁設(shè)備、抽排水設(shè)備、清淤設(shè)備和水上工作船等設(shè)備運至工地。施工機械的選擇性能好、施工效能高和證照齊全的施工機械進場施工。

（5）測量放樣。根據(jù)設(shè)計圖紙及建設(shè)單位提供的坐標(biāo)點建立施工控制點對圍堰軸線進行放樣定位。圍堰放樣結(jié)束報請監(jiān)理工程師驗收復(fù)核，符合要求后方可進入下道工序施工。

3.3 施工過程

（1）根據(jù)以往施工經(jīng)驗，采用兩臺套水上打樁設(shè)備組合，每天可以完成PC 板樁施打40～60 根，共計770根樁，30 d內(nèi)完成鋼板樁施工，計劃從2022年10月1日開工，于2022年10月31日施工完成。

（2）打樁施工從兩側(cè)岸邊向中間施打推進，每完成20 m左右鋼板樁，立即進行拉桿和圍堰檁的安裝固定，再進行樁間土方回填壓實至設(shè)計高程；一段完成后，重復(fù)上述工序，進行第二段的施工，以此循環(huán)重復(fù)，紙質(zhì)全部完成。

（3）沉樁時要嚴(yán)格控制板樁的垂直度，以免樁位偏斜造成脫榫。沉樁的位置和垂直度由定位樁和經(jīng)緯儀進行控制，沉樁標(biāo)高通過水準(zhǔn)儀控制。

（4）根據(jù)定位尺寸，沿鋼板樁施打方向先打臨時定位樁，每5 m布置導(dǎo)向樁一對，在導(dǎo)向樁上焊接槽鋼導(dǎo)梁，用經(jīng)緯儀校驗合格后方可開始鋼板樁施打。在鋼板樁向前施打的同時，導(dǎo)向樁和導(dǎo)梁不斷向前設(shè)置。

（5）施工過程中安排專人用垂球線分別觀察樁的軸線和垂線方向的傾斜情況，若發(fā)生傾斜，則通知操作員及時調(diào)整振動錘進行糾偏。在施打過程中，安排質(zhì)量監(jiān)督員必須堅守崗位，隨時觀察樁的傾斜動態(tài)變化，保持樁的垂直度。

（6）雙排鋼板樁形成20 m左右，及時架設(shè)圍檁，安裝對拉桿，使雙排樁形成整體，并進行樁間填土至設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。圍檁分二道布置，在高程▽-0.5 m 和▽3.0 m 處設(shè)置兩排拉桿，采用φ50@100 鋼拉桿，圍檁采用［32a雙拼槽鋼。▽-0.5 m一道鋼圍檁，需要在最低潮位才能施工，因此必須24 h 內(nèi)趕潮施工。圍檁拉錨時應(yīng)注意圍檁槽鋼與鋼板樁的連接，如果型鋼安裝后與鋼板樁之間出現(xiàn)較大的間隙，為防止圍堰變形，應(yīng)將槽鋼與鋼板樁之間的間隙全部用槽鋼焊接支撐連接，圍堰的4 個角更應(yīng)加強。拉桿用螺栓固定在圍檁槽鋼上，為保證內(nèi)外鋼板樁對拉牢

固，防止螺帽滑牙，應(yīng)采用雙螺帽固定，螺帽與圍檁之間用鐵板并加橡皮墊實，防止拉桿處滲水。

3.4 圍堰拆除

（1）水下工程通過驗收后，向圍堰內(nèi)注水以保持圍堰內(nèi)外水位基本持平后拆除圍堰。拆除前，編制方案報經(jīng)監(jiān)理審批后實施，先用挖機將圍堰鋼板樁拉桿以上部位的土方挖出，運至指定地點。

（2）圍堰水下方拆除前先進行圍堰鋼板樁拔除。拔樁采用機械手作業(yè)，選用DZ90型振動錘，計劃投入2 臺套水上拔樁設(shè)備。拔樁前先解除連接，拆除拉桿，直到圍堰內(nèi)錨桿全部拆除完，方可進行拔樁。拔樁施工采用機械手的夾具夾住鋼板樁，啟動振動錘，借助振動錘的不斷震動，減少樁與土之間的摩擦力，將板樁從圍堰內(nèi)拔出，然后由吊車裝車平板車轉(zhuǎn)運出場。

（3）待鋼板樁清除完畢后，采用2 m3抓斗式水下挖泥船清除河道所有泥土及雜物，恢復(fù)河道原貌。水下方作業(yè)期間必須經(jīng)常探測河床底高程及河道的寬度，直到滿足設(shè)計要求。水下方拆除完成后，對河道斷面進行復(fù)測和驗收，報建設(shè)單位和監(jiān)理工程師共同參與驗收。

4 結(jié) 語

本文以北深泓閘加固改造工程下游圍堰工程為例，該工程面臨深厚淤泥質(zhì)土地基的問題，原設(shè)計方案采用雙排鋼板樁圍堰方案，鋼板樁縱向深度達到27 m，存在側(cè)向剛度偏低、工程造價較高等缺陷。為改善其結(jié)構(gòu)剛度并縮減工程造價，本文發(fā)展了一種適用于深厚淤泥土地基的雙排PC 工法樁圍堰，其中鋼管樁保持縱向深度27 m，鋼板樁縱向深度則為18 m。結(jié)合規(guī)范要求，對該雙排PC 工法樁圍堰進行了抗傾覆穩(wěn)定性驗算、抗水平滑移驗算、抗隆起驗算以及深層抗滑穩(wěn)定驗算，穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求，圍堰方案安全可靠。最后對該雙排PC工法樁圍堰的施工方法和過程進行了研究和分析。本文研究成果有望為雙排PC 工法樁圍堰在類似淤泥土地基環(huán)境中的推廣提供價值性參考。