拉森鋼板樁圍堰在某泵站工程中的應用

劉學鋒，李志平，胡 云

（湖南省水利水電施工有限公司，湖南 長沙 410007）

1 工程概況

屈原管理區飲用水源取水頭部上移工程位于湘江湘陰區段，主要工程項目括取水泵站及機電工程、泵房、取水頭部及取水管道安裝，其中取水泵房工程位于湘江右岸河灘，迎水面距離湘江河床約60 m，泵房所在地原地面高程約▽26.5 m。

取水泵房主體結構為外徑14.4 m，壁厚1.2 m，高22 m（不含底板及底部封底混凝土高度）的鋼筋混凝土圓筒。泵站底板厚度1.0 m，底面高程▽13.0 m，頂面高程▽14.0 m，底板以下設2 m 厚的水下混凝土封底，因此泵房基礎需要開挖至▽11.0 m 高程，低于工程所在地湘江枯水期常水位約9 m，低于泵房所在地原地面高程15.5 m。

由于本項目為中央環保督查項目，項目必須在2018 年9 月份前施工完畢，但是由于特殊原因，本項目2018 年4 月才啟動邀請招標程序，為確保2018 年9 月施工完畢，該泵站工程必須在汛期進行施工。

2 施工方案選擇

本工程開工初期，設計單位、發包人、施工方分別提出了沉井、大開挖、鋼板樁圍堰三種不同的施工方案：

根據地勘資料，取水泵房基礎地層具有不均勻性，泵房結構外徑達到14.4 m，且建基面位于外河枯水位以下9 m，若采用人工開挖，沉井結構在下沉過程中，開挖面在水頭差影響下，很容易發生流沙、管涌，極易造成安全事故；若采用水下吸砂開挖，則開挖范圍和深度難以控制，不能保證沉井各處的吸砂高度一致，加之地層的不均勻性，極易產生沉降不均而發生偏斜，一旦發生偏斜，糾偏難度很大，甚至有可能導致沉井報廢，沉井外圍面積過大，下沉摩擦阻力大，很難沉入設計標高，施工工期無法保證，因此本工程不適宜采用沉井方案。

根據設計文件，本泵站基礎開挖深度達到15.5 m左右，且基礎位于湘江枯水期常水位以下約9 m，因此，若采用“大開挖”方案，預計開挖區域開挖開口線范圍達到83.9 m×83.9 m，相應的開挖工程量約56 900 m3，預計需要約2.4 萬m2的場地進行堆放，施工現場很難找到這么大的空地；同時，湘江右岸河灘出露地層主要為粉質粘土層、砂層，基礎承載力較差，施工便道路基處理工作量較大；而且即將進入湘江流域的汛期，一旦外河水位漫過圍堰，河水直接傾入基坑，不僅造成前功盡棄，也存在重大安全隱患，因此“大開挖”也不適用本工程。

拉森鋼板樁方案土石方開挖量相對較少，后續土石方回填工程量也不大，無需較大的土方堆放場地；而且，只需在拉森鋼板樁外側修筑一條環向施工便道，且便道路基可位于湘江常水位以上，路基處理工程量較小，因此，施工公司最終選擇了拉森鋼板樁方案。

3 施工過程

3.1 鋼板樁圍護設計（見圖1）

確定拉森鋼板樁圍護方案后，施工公司立即進行了拉森鋼板樁圍護結構的設計。由于項目開工時，泵房所在地原始地面高程約為▽26.5 m，湘江外河水位約為▽21.0 m，考慮到接近汛期，外河水位還會上漲，為盡可能保證作業平臺位于外河水位以上，將施工作業平臺高程定為▽23.5 m，由于泵房基礎需要開挖至▽11.0m 高程，因此鋼板樁圍護支撐土體高度為12.5 m，根據拉森鋼板樁使用要求，基坑開挖到位后，拉森鋼板樁埋入土層深度應為外露長度的50%左右，因此，選定18 m 長的拉森鋼板樁。

同時，由于泵房為外徑14.4 m 的圓筒形結構，為便于作業，四周各預留1.6 m 的作業寬度，因此將拉森鋼板樁圍護結構設計為17.6 m×17.6 m 的矩形。

3.2 圍檁及斜撐設計（見圖2）

為確保拉森鋼板樁圍護使用安全，分別在▽23.0 m、▽19.5 m、▽17.0 m、▽15.0 m 分別設置橫向圍檁，圍檁內部設置斜向支撐，圍檁及斜向支撐的形式、布置位置、布置數量均經過嚴格的內力計算后確定。見表1。

圖2 拉森鋼板樁、圍檀、斜撐設計平面圖

圖1 拉森鋼板樁、圍檀設計平面圖

表1 拉森鋼板樁及其圍檁、斜撐材料設計表

3.3 安全穩定性分析

根據本泵房工程拉森鋼板樁及其圍護結構特點，以下5 種工況，對鋼板樁圍護結構、圍檁及斜撐受力條件最不利：

工況一：采用挖機開挖圍堰內土層至第二層內撐中心標高▽19.5 m 以下50 cm，且第二層內撐未安裝時。

工況二：采用長臂挖機開挖圍堰內土層至第三層內撐中心標高▽17.0m 以下50cm，且第三層內撐未安裝時。

工況三：第三層內撐已安裝，采用水下吹砂或抽砂方法將圍堰內細砂層清除至▽11.0 m 標高，而封底混凝土未澆筑時。

工況四：封底混凝土澆筑待強后，抽水至第四層內撐底面50 cm，且第四層內撐未安裝時。

工況五：第四層內撐已安裝，圍堰內抽干水時。

為確保鋼板樁使用安全，施工公司邀請湖南路橋建設集團有限責任公司和長沙理工大學的專家進行論證。湖南路橋建設集團有限責任公司的專家采用ansys有限元分析軟件、長沙理工大學的專家采用midas 有限元軟件分別對以上五種不同工況下，拉森鋼板樁、圍檁、斜撐等結構的應力、應變，以及封底混凝土的抗浮穩定性均滿足鋼板樁圍護結構安全使用要求。

經專家論證確定圍檁及斜撐設計承載能力能滿足土層壓力要求后，并將相應專項方案報給現場監理工程師審批后，才進行拉森鋼板樁施工。

3.4 施工過程

屈原管理區飲用水源取水口上移項目泵房工程拉森鋼板樁于2018 年5 月5 日正式開始施工，2018 年5月21 日，最后一根鋼板樁插打到位。隨后，施工公司組織焊工進行內側圍檁的安裝與加固，然后分層組織對鋼板樁內側土石方進行開挖，每開挖至某層設計內側圍檁位置以下50 cm 左右時，暫停開挖，依次進行牛腿、圍檁、斜撐安裝，并進行加固，圍檁和斜撐安裝并加固到位，并具備受力條件后，再進行本高程以下的基坑土石方開挖。直至將基坑開挖至設計建基面高程▽11.0 m。

對于▽19.5 m 以上土石方，主要采用普通反鏟進行開挖；對于▽16.5 m～▽19.5 m 土石方，采用長臂挖機進行開挖。

▽16.5 m 以下土方原方案采用氣舉抽砂法一次性開挖至▽11.0 m，然后澆筑2 m 厚的水下混凝土封底，水下混凝土達到設計強度后，再分層抽水，第四道圍檁和斜撐后，再將基坑積水排干，進行后續項目施工。

但是，2018 年6 月，▽16.5 m 以上的土方開挖結束后，外河水位急劇上漲，隨時有漫過圍堰、淹沒基坑、危及大堤的危險；2018 年6 月8 日，岳陽市水利專家聽取各單位情況匯報后建議暫停本項目施工，待湘江主汛期結束后再考慮本項目的繼續實施。

2018 年10 月底，外河水位下降至▽19.0 m 以下，▽23.5 m 平臺完全無水，具備設備通行和作業條件；同時，基坑內水頭差較小，基坑底部水砂壓力均較小，施工公司將開挖方案調整為吊小型挖機進入開挖面直接進行開挖，開挖出來的渣料采用料斗裝運，汽車吊轉運出基坑。

2018 年12 月，原河灘面以下泵房主體結構施工完畢，拉森鋼板樁完成歷史使命，施工公司立即組織對拉森鋼板樁及其圍檁和斜撐的拆除。

圖3 成型后的基坑

3.5 變形觀測

鋼板樁插打到位，基坑內土石方開挖之前，項目部制定了《泵站工程施工安全監測專項方案》，在鋼板樁每一層圍檁、每一側設置變形觀測點，基坑內土石方開挖期間，項目部每天上午9 點、下午5 點各組織一次對拉森鋼板樁進行變形觀測；在混凝土澆筑以及其他項目施工期間，每天上午9 點組織一次對拉森鋼板樁進行變形觀測。

進行變形觀測時，若發現變形速率明顯加快，或者累計變形量超過規范允許值，則立即通知基坑內的施工作業人員和設備撤離，并根據現場條件，及時對鋼板樁圍檁及其斜撐進行加固（若變形急速發展，垮塌已不可避免時，不得安排搶險和加固）。見表2，表3。

4 方案實施效果

經連續觀測，本泵站施工期間，鋼板樁變形在規范允許范圍內，施工期間未發生基坑變形和垮塌事故，拉森鋼板樁減少了本泵站工程的土石方開挖以及土石方回填工程量，降低了施工便道修筑工程量和土石方轉運工程量，既確保了泵站工程施工期間的安全，確保了施工工期，又控制了工程造價，達到了預期的效果。同時，由于鋼板樁之間通過鎖扣連接，鎖扣之間的間隙很小，當鋼板樁圍堰內側水位低于外側地下水位時，土體中的細小顆粒在滲透水壓力作用下向鎖扣縫隙移動，將鎖扣之間的縫隙堵住，從而達到止水防滲的作用，有效地減少了基坑排水工程量。

表2 拉森鋼板樁第一層圍檁變形記錄表（節選前5 次）

表3 拉森鋼板樁第一層圍檁變形量統計表（節選前4 次）

5 結 語

拉森鋼板樁在屈原管理區飲用水源取水口上移項目泵房工程中應用，再次印證了拉森鋼板樁作為開挖深度較深，但是開挖尺寸不大的基坑擋土建筑物，既能對基坑邊坡形成有效的支護，又能較大程度地減少土石方開挖工程量及后期土石方回填工作量，降低土石方運輸工程量，還可以減少臨時施工便道的修筑工程量，降低基坑排水工作量，在節約施工投資，加快施工進度，確保基坑安全等方面均具有重要意義。