簡易鋼板在防治流沙地質中的快速施工技術及應用

史靜靜 王華震 李志強

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 概述

近年來，我國經濟得到了快速發展，水利工程建設的意義非常重大，水利工程建設作為基礎設施，同時也是保證國家經濟快速發展的基礎，因此，在施工中一定要對施工質量進行保證。在施工過程中難免會遇到流砂地質的情況，采取措施對流砂進行防治非常重要，這樣才能保證水利工程在一個穩定的施工環境下進行，為工程的順利完成奠定基礎。國內外目前施工中常用的防治流沙措施有井點排水法、鋼板樁圍堰法、水中挖土法、基坑凍結法幾種[1]。以上施工方法無法滿足合同約定工期要求。

2 工程概況

本項目依托賈魯河（前程路- 萬三路）綜合治理配套工程，賈魯河是淮河支流沙潁河的主要支流，是河南省中部地區的一條骨干排水河道，也是建設美麗河南、美麗鄭州，提升鄭州市文化旅游產業及投資環境，實現鄭州航空經濟綜合實驗區建設、中原經濟區中心城市等戰略目標的基礎。

由于賈魯河河道治理中沿線施工護坡所處部位地層多為純砂土或粉砂土，開挖部位土質液限低，地下水發育較好，極易形成流沙，且受揚塵管控等因素影響，造成有限施工天數少、工期短、跨冬季施工等不利條件，對目前施工過程中出現的流沙現象迫切需要一種快速施工、節約成本、適應性強的流沙防治技術應用于本工程中。

3 技術原理

本項目依托賈魯河綜合治理配套工程，通過現場試驗進行研究，采用現場開挖使用普通鋼板簡易材料，消化吸收鋼板樁的工作原理進行使用。

3.1 利用北京理正軟件進行滲流模擬分析，確定鋼板截滲位置，見圖1-2，表1。

表1 分析參數表

圖1 導流明渠、液壓壩址位置平面圖、斷面圖（單位：mm）

圖2 建立理正軟件滲流模型

根據理正滲流計算公式法計算出浸潤線溢出點位置，表2。

表2 浸潤線計算結果表 單位：m

根據上面的方程，解出h0=1.2m 和q/k= 0.564(m3/d.m)。

代入通過設計圖紙及現場測量所得相關數據得出鋼板所處位置（浸潤線終點x 坐標=21.898(m)），逸出點高度1.2m 如圖3 所示。

圖3 計算結果圖（單位：mm）

3.2 仿用鋼板樁連接方式，延長滲流通道、減少滲透壓力（圖4）

圖4 鋼板連接圖

3.3 簡易鋼板受土壓力計算，復核簡易鋼板是否滿足荷載要求。

根據土層分布關系輕粉質壤土、粉砂層，天然容重加權平均值為：X=18KN/m3；內摩擦角加權平均值：φ =21.2° ；粘聚力加權平均值c=11，土壓力呈梯形分布。Q235 鋼板承受荷載為[f]=235Mpa。

由朗肯主動土壓力計算公式可知，無黏性土中主動土壓力強度Ea 與深度h 成正比，沿鋼板高的土壓力呈三角形分布（如圖5 所示）。作用在單位長度擋墻上的土壓力為三角形分布面積。

圖5 無黏性土受力分布

根據現場施工情況，鋼板主要用于淺層降水方案實施，鋼板打入深度為2m，主動土壓力作用點在鋼板底部h/3=2/3=0.67m。

故，現場采用開挖1 米，打入1m，循環施工。

經計算鋼板打入1m，鋼板外露1m 所受土壓力為18.81KN/m，6-9m 寬鋼板所受土壓力遠遠小于Q235 鋼板承受荷載。

3.4 施工工藝流程及操作要點

3.4.1 制定方案

根據對開挖部位形成的流沙進行研究，分析流沙形成的原因、現狀等情況，選用施工機械選用液壓反鏟挖掘機CAT336D-Ⅱ改裝的液壓振動錘，材料選用現場現有的長度6-9m、寬度2m、厚度20mm 的Q235 鋼板。

3.4.2 現場試驗（圖6）

圖6 施工工藝圖

3.4.2.1 施工準備，首先要對鋼板樁進行詳細檢查，要求無變形，無缺陷，搭接處要能夠達到一定密閉要求，否則使用前由專人維修至合格。合格的鋼板進行分類、編號。鋼板材質為Q235 鋼，并與槽鋼焊接牢固，槽鋼型號為20（200*75*9）。

3.4.2.2 測量放線

利用全站儀等測量設備，按設計要求測放出邊線的具體位置，并用白石灰線標識，然后確定鋼板打設的位置線，并做好標識。

3.4.2.3 布設鋼管

為保證鋼板位置的正確和豎直，需設置一定剛度的、堅固的導架，在灰線位置每間距3m，垂直打進6m長鋼管（腳手架子管），以固定鋼板位置，使鋼板能夠垂直進入流沙地層中，鋼板間緊密貼合，減少鋼板間因縫滲水的問題。

通過試驗最終采用長度6m、寬度2m、厚度20mm 的鋼板進行防滲施工。

3.4.2.4 壓入鋼板

鋼板施工必須保證垂直度偏差值不超過1%，為保證垂直度，鋼板打入過程中用兩臺經緯儀在兩個方向進行控制。隨時檢查垂直度，確定滿足要求后，可繼續施壓至設計高程。應確保開始壓設的第一、第二塊鋼板的位置和方向精確，以便起到導向樣板的作用，因此最多每打入1m 左右應測量一次，如發現有任何偏差，及時調整，確定位置、方向、垂直度準確無誤后方可繼續壓設。然后以前兩塊鋼板為樣板導向作用，鋼板施工順序從一側向另一側連續施打。施工過程中，為節約時間，盡量減少移動打樁機。

3.4.2.5 基坑土方開挖

鋼板壓入以后，采用開挖降水的方法。首先開挖1m 深度，開挖完成后，分臺階再進行鋼板壓入，循環施工，確保完成基坑開挖工作。

3.4.3 效果評估

考慮不同規格鋼板的截滲能力不同以及流沙的嚴重程度，依托岸坡防護和液壓壩施工為基礎，對比研究現有流沙防治的措施，綜合進度、技術和經濟成本，對鋼板截滲的效果進行綜合評估。

4 材料與設備

4.1 材料

主要使用材料為：鋼板、槽鋼等，做好每批進場材料的檢驗工作，確保施工使用的材料皆為合格產品。

4.2 人員及設備

4.2.1 本技術主要施工人員配置見表3。

表3 主要施工人員設備配置表 單位：人

4.2.2 本技術主要施工設備配置見表4。

表4 主要施工設備配置表 單位：人

5 結果

通過現場施工所用的機械和材料對比鋼板樁施工來說，減少費用支出，降低工程成本，同時提高施工效率，兼顧了技術可行性和經濟合理性。

5.1 采用簡易鋼板施工費用成本

CAT336D-Ⅱ：170 萬，液壓振動錘（含改裝）費用25 萬，鋼板（含槽鋼）費用35 萬。

采用鋼板樁施工費用成本：

CAT336D-Ⅱ：170 萬，液壓振動錘（含改裝）費用25 萬，鋼板樁（6m）555 根，費用成本88 萬。材料費用節省53 萬元。

5.2 與鋼板樁相比較，施工速度快，施工成本低，同時證明防治流沙地層效果良好。

從技術可行和經濟合理的方面來看，鋼板防治流沙地層較為成功，消除了施工安全隱患，解決了工期和成本的矛盾沖突，同時滿足了液壓壩設計要求和規范要求，保證了工程質量，對水利施工中流沙防治具有指導和借鑒意義。

6 結論

目前全國的水系治理工作正如火如涂的展開，而河道流砂層地質情況普遍存在，流砂產生的原因是水在土中滲流所產生的動水壓力對土體作用的結果。簡易鋼板的施工技術進行防治流沙地層具有較強的機動性，對比鋼板樁施工而言，成本低、施工快，材料易采購。該技術成功在賈魯河綜合治理工程中的應用，對流沙嚴重、工期短的水系治理工程具有較好的借鑒意義，同時該技術是在現場實際總結出來的施工成果，為同類別的地層施工提供了依據和參考。另外，該工程施工工期短，鋼板在流砂治理使用中不夠規范，在以后水系治理工程中形成一套具有規范性使用的標準。