鋼板樁圍堰在烏沙洞拆建工程中的應用

劉兵兵 張德華 徐永波

科技推廣與應用

鋼板樁圍堰在烏沙洞拆建工程中的應用

劉兵兵 張德華 徐永波

一、工程概況

烏沙洞拆建工程屬于灌溉總渠以北地區淮安區水利骨干排灌及大型泵站建設項目中的一個單位工程，位于江蘇省淮安市淮安區與淮安市生態新城交界處的里運河東堤上，是淮安區渠北灌區主要引水渠首之一。該涵洞興建于1957年，維修加固于2003年。

烏沙洞設計要素：根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000），里運河東堤為2級，烏沙洞為2級水工建筑物。閘身采用鋼筋混凝土箱涵結構，孔口凈寬2.2m、凈高2.5m，3孔，順水流方向長15.0m，后接單節涵洞，節長15.0m，轉彎角度為8.6°。采用3扇2.2m×2.5m鋼閘門，配3臺LQ-10T手電兩用螺桿啟閉機。

地基土質：一層（高程9.81～8.61m）為素填土，二層（高程8.61～4.11m）為輕粉質壤土，三層（高程4.11～2.81m）為重粉質壤土，四層（高程2.81～-3.49m）為黏土、重黏土，五層（高程-3.49～-5.19m）為粉質黏土，五層以下為細砂土。

水位組合及設計流量：設計上游水位9.5m，下游水位9.2m，設計流量30m3/s。

二、圍堰設計

（一）圍堰選型

選型原則：滿足安全要求（穩定、抗滲、抗沖）、結構簡單、方便施工。

選型依據：該工程護岸結構型式、河岸地形地貌條件、施工期里運河水位變幅情況、河道淤泥深度（水深較大為2～3m，歷史河道淤泥層較厚為1.5m）等。

結構型式：采用雙排鋼板樁結合填土的施工方案。圍堰頂寬5m，迎水面打入12m長SP-IV型鋼板樁，雙排樁間距5m，頂高程11.00m，底高程-1.0m，圍堰內側為1∶2粘土護堰。內側每米加兩根SP-IV型鋼板樁扶垛進行加固，內外側每米焊一根拉桿從頂部連接鋼板樁。斷面設計見圖1。

（二）理論驗算

該工程采用SP-IV型鋼板樁，進行鋼板樁的支撐層數及間距、最小入土深度和基坑的穩定性驗算，其結構計算簡圖見圖2。

1.確定支撐層數及間距

按等彎矩布置確定各層支撐間距，先計算鋼板樁頂部懸臂端最大允許跨度：

h=（6×[σ]×W/γKa）1/3

式中：[σ]—鋼板允許彎曲應力，[σ]=200MPa；

W—鋼板樁截面模量,拉森Ⅳ型鋼板樁W=2270cm3；

γ—水的重度,γ=10×103N/m3；

Ka—主動土壓力系數,粉質壤土取0.6。

h=（6×[σ]×W/γKa）1/3=（6× 200×106×2270/10×103×0.6）1/3 =547cm=5.47m

確定采取單層支撐，支撐點高程在10.5m，至最深處河床距離為4.5m（靠近河中央的鋼板樁處河床水深約4m考慮，是最不利因素），如圖2支撐布置形式。

2.用盾恩近似法計算板樁最小入土深度x

主動土壓力系數Ka=tg2（45°-15° /2）=0.589

被動土壓力系數Kp=tg2（45°＋15° /2）=1.698

假定作用在板樁MB'段上的荷載MQN'B'由坑底土壓力MB'R'承受，由圖2中的幾何關系可得：

即：γl×（Kp－Ka）x2/2－γH×x=0

式中γl=18kN/m3,γ=10kN/m3,

H=4.5m，代入式中，簡化后得：

9.981x2－45x=0

解之得，鋼板樁最小入土深度x=4.5m。

所以，鋼板樁最小長度為L=H+x=4.5＋4.5=9m，擬采用鋼板樁長度為12m，滿足要求。

3.基坑穩定性驗算

鋼板樁圍堰施工完成后，兩排樁之間的河水無需抽干，而建筑物基坑還在8m之外，即使建筑物基坑有滲水現象也可以用井點降水，故無需對基坑穩定性進行驗算。

圖1 斷面設計圖

圖2 鋼板樁計算簡圖

三、圍堰施工

（一）設備材料人員配置

鋼板樁準備：由渠首上游護底向外8m布置鋼板樁，共兩排，排距為5m，圍堰和里運河大堤相連接，單排鋼板樁長度約98m，兩排共計196m，按鋼板樁每根0.4m寬計算，需490根，計劃配置12m長SP-IV型鋼板樁500根。圍檁支撐36a工字鋼200m，橫向拉桿32a工字鋼80m。

設備準備：50t吊車1臺，打樁機械手（日立450）1套，測放小船1艘，75kW發電機組1套，3t卷揚機3臺，電焊機2臺，氣割設備2套，20t千斤頂2臺，倒鏈3套。

（二）準備工作

1.鋼板樁處理

鋼板樁全部使用新購置的鋼板樁。

插打前應在鎖口內涂以黃油或熱混合油膏（質量比為：黃油∶瀝青∶干粘土=2∶2∶1）。

2.鋼板樁吊運及堆放

裝卸鋼板樁采用兩點吊。吊運時，控制每次起吊的鋼板樁根數，并注意保護鎖口免受損傷。吊運方式采取成捆起吊和單根起吊。成捆起吊采用鋼索捆扎，而單根吊運采用專用的吊具。

鋼板樁堆放在平坦而堅固的場地上，必要時對場地地基土進行壓實處理。在堆放時要注意：（1）堆放的順序、位置、方向和平面布置均考慮到以后的施工方便；（2）板樁按型號、規格、長度、施工部位分別堆放，并在堆放處設置標牌說明；（3）鋼板樁采取分層堆放，每層堆放數量一般不超過5根，各層間要墊枕木，墊木間距一般為3～4m，且上、下層墊木應在同一垂直線上，堆放的總高度不宜超過2m。

3.抄平放線

在機械手開行范圍內，清除水面及水下障礙、平整場地、做好排水溝、修筑臨時道路，并根據放線定位施打。擬從圍堰兩端分別推進施工，最后在圍堰中部合龍。

施工前先測出水面高程，計算鋼樁出水高度，在樁身相應位置作出標記，打到水面標記處即可停止插打，此時樁頂標高即與設計一致。

（三）鋼板樁施打

1.打樁機械的選擇

采用日立450挖掘機改裝的機械手。該設備施工方便、定位準確、宜于校正、速度快、效率高。

2.鋼板樁的施打

由于該圍堰在沿里運河岸邊，通過阻斷里運河水創造烏沙洞渠首干地施工條件。對鋼板樁之間整體的鎖口閉合、二排鋼板樁之間的鋼圍檁支撐等的施工要求非常嚴格，施工時應保持鋼板樁樁體垂直，避免扭曲。

首先在河面用鋼管打定位樁，樁距20m左右，兩樁間拉上定位繩，作為施工標線。岸邊施工時，由機械手夾持鋼板樁頂端，人工定位并保持垂直緩慢振動下沉。

機械手起吊鋼樁并固定好鋼樁的位置，對準樁位落下鋼樁，檢查垂直度和平面位置合格后，將樁打入土中。

管樁的計算樁長為理論控制值入土深度，實際以貫入度3mm控制，保證入土深度滿足承載力要求。

為防止鎖口中心線平面位移，在打樁進行方向的鋼板樁鎖口處設卡板，阻止板樁位移。同時測量人員觀測成樁位置，發現偏差隨時校正。

開始打設的一、二塊鋼板樁的位置和方向應確保精確，以便起到樣板樁導向作用，故應加強觀測。

鋼板樁插打應遵循“插打正直、分散偏差、逐步糾正”的原則。

鋼板樁插打時要嚴格控制好每一根樁的垂直度，尤其是第一樁的兩個方向的垂直度是關鍵，如垂直度達不到要求，應拔起重打。

3.支撐橫梁、頂部拉桿施工

考慮基坑開挖時只有4m的水位差，在水面以上高程10.5m作為支撐點布置橫梁，橫梁采用36a工字鋼間距1m支撐兩排樁。另采用32a工字鋼間距1m從兩排樁外側拉住。由此，通過支撐橫梁和拉桿，將兩排鋼板樁連接成牢固的整體。

4.鋼板樁堰內外填土

鋼板樁內填土分層用機械夯實，壓實度不小于0.91。堰體兩端采用鋼板樁圍堰結合大堤進行閉合，閉合時應注意原坡面的清理，防止滲流破壞，影響圍堰安全。

為保證圍堰運行期安全穩定，沖抵圍堰內外側水壓力，鋼板樁圍堰內側布置3m支撐，采用人工填筑并夯實，形成1∶2坡度的土坡支撐。

四、圍堰運行期維護與安全監測

圍堰對整個工程的安全順利施工起決定性的作用，在施工期內加強對施工圍堰的安全維護十分重要。

施工期備足圍堰搶險物資及人員。安排專職人員負責值守，定時檢查鋼板樁內外側填土的變化情況；定時進行水位的觀測記錄；經常了解水情和氣象預報；高水位或大風暴雨等惡劣天氣，安排負責人帶班，由班組24h值班，保證及時發現隱患并予以消除。

圍堰兩端設立交通禁行標志，設置安全警示燈。圍堰頂部禁止進行任何施工作業，或堆放棄料棄土。

五、鋼板樁的拆除

鋼板樁拔除前，將烏沙洞鋼閘門全部關閉，用水泵從里運河抽水，直到圍堰內外側水位相平時開始施工。

鋼板樁拔除采用與施打時相反的施工順序進行，所需機械、工序及安全要求基本相同。

從圍堰中部開始，先拔除鋼板閘3～5m，然后停止拔樁，用長臂挖掘機清除鋼板樁內側填土，要求清除到原河道底部。這樣反復進行，直至全部完成。

六、結束語

鋼板樁圍堰在烏沙洞拆建工程中的應用，大大減少了土圍堰填筑所需外購的土源數量、減少了里運河河道內的淤積，有效避免了深水清淤的難度，縮短了圍堰施工時間，保證了整個工程施工期的安全，建議推廣應用于流域性河道上新建或拆建水利工程建筑物

（作者單位:江蘇淮源工程建設監理有限公司 223001 淮安市淮安區渠北水利管理所 223001 淮安市水利勘測設計研究院有限公司 223001）