可回收裝配式止水鋼圍堰的綜合對比與設計選型

張 弛

(上海建工二建集團，上海 200080)

0 引 言

圍堰是指在水利工程建設中，為建造永久性水利設施，修建的臨時性圍護結構，其作用是防止水和土進入建筑物的修建位置，以便在圍堰內排水，開挖基坑，修筑建筑物[1]。圍堰一般在用完后拆除，圍堰高度高于施工期內可能出現的最高水位。

在水利等基礎設施建設中，鋼材被大量應用在圍堰等水利設施建設中。盡管仍存在銹蝕等問題，但仍可用在很多臨時結構上，比如：鋼圍堰、鋼樁、鋼圍護，等等。在建筑領域和交通領域，許多臨時基坑也需要有止水效果的圍護結構。因此，鋼圍堰形式也開始在建筑和交通行業出現應用。

1 鋼圍堰形式

按照形式分類，鋼圍堰可分為鋼板樁圍堰[2]、鎖口鋼管樁圍堰、鋼套箱圍堰[3]與鋼吊箱圍堰[4]，見表1。

表1 鋼圍堰的形式

圖1 鋼圍堰形式

2 鋼板樁圍堰

鋼板樁圍堰的結構形式主要有兩個部分：鋼板樁墻和支撐體系。通常用“U”型鋼板樁，橫向通過其特有的鎖扣連接，形成組合墻，采用振動錘將鋼板樁振入一定深度的土層。鋼板樁圍堰也可以選擇不同的拼裝形式，如：方形、橢圓形，圓形等等。工程應用也非常廣泛，包括：道路與鐵路兩側鋼板樁的支護、堤岸的防護工程、房建的基坑工程、防砂壩工程與圍堰工程等。根據有無內支撐以及內支撐的數量，分為：懸臂板樁、單撐板樁和多撐板樁。根據鋼板樁支護的形式又可以分為錨拉和橫撐。

2.1 種類

目前，鋼板樁生產廠家主要集中在日本、韓國及盧森堡等國。鋼板樁種類主要分為U型鋼板樁、Z型鋼板樁、組合型鋼板樁，以及目前已在日本經廣泛應用的900 mm帽型鋼板樁。

常見的熱軋U型鋼板樁，基本為Ⅲ和Ⅳ型，如圖4所示。

圖2

圖3 Ⅲ和Ⅳ型型鋼板樁

表2 拉森板樁的形式

2.2 破壞形式

鋼板樁圍堰的破壞形式主要有：內支撐的變形，接頭的破壞以及鎖扣冒水三種破壞形式。

2.3 內支撐的施工方法

支撐體系的兩種常見的施工方法：

(1)逐層安裝支撐體系，逐層抽水或開挖，到高程后澆筑墊層(不封底)；

(2)先水下開挖到封底混凝土底面，澆筑封底混凝土，逐層安裝支撐體系，逐層抽水。

2.4 施工案例

內湖的鋼板樁圍堰：武漢東湖通道工程。江河的鋼板樁圍堰：哈爾冰松花江大橋、壽縣淮河特大橋、廣州白云機場快速通道等。

3 鋼管樁圍堰

鋼管樁圍堰分干開挖和帶水開挖兩種形式。鎖口樁打設在施工條件允許的情況下，設置雙層導向，上端導向架上設置卡槽，精確定位鎖口樁坐標，下端主要控制鎖口樁的打入方向。

圖4

4 鋼套箱圍堰

鋼套箱圍堰分為單壁套箱和雙壁套箱圍堰兩種形式，還有單雙壁組合鋼套箱。鋼套箱圍堰主要由壁板、豎肋、水平環板、水平斜撐、隔倉，和刃腳等構成，宜采用有限元模型整體仿真計算[5]。

5 沉樁與拉拔

剛管樁與鋼板樁的沉樁方式，如下：

6 綜合對比

圍堰種類、適用范圍、水流條件、水深、鋼材用量、適用建筑物，與制造難度。

圖5 打樁方式

表3 四種鋼圍堰的綜合對比

圍堰的安全等級劃分：

表4 鋼板樁、鎖扣樁圍堰安全等級劃分

7 選型堰設計

7.1 要求

(1)圍堰必須能夠承受作用在其上的各種荷載；

(2)控制滲入圍堰內的水量，用泵抽干；

(3)在每個施工階段都必須要保證施工面的穩定，不發生不可控制的隆起、流沙和管涌；

(4)圍堰墻體和支撐不變形不能影響圍堰附近的永久結構或其他既有結構；

(5)必須保證斜坡或潛在滑動面導致土體失衡時能夠維持堰體整體穩定；

(6)圍堰大小必須核實，能夠滿足其內部結構的施工要求；

(7)臨時圍堰必須要能夠最大限度地回收和重復利用建筑材料。

7.2 流程

(1)設計資料收集：5年內的氣象、水紋、地質等資料，還有鋼管樁加工制造、運輸、吊裝、樁錘等有關數據；

(2)圍堰設計參數計算：風、水流、土壓、波浪等；

(3)確定圍堰施工工序：對圍堰支撐的要求，水下開挖或干挖等；

(4)繪制圍堰總圖：擬定鋼管樁直徑，鎖口形式，支撐間距及平面布置；

(5)計算圍堰樁長：確定圍堰樁長及圍堰在風力、水流、波浪力下圍堰的抗傾覆穩定性；

(6)建立圍堰計算模型：利用計算軟件按施工階段分析圍堰各工況下受力變形情況；

(7)調整圍堰技術方案：施工工序、內支撐材料規格、鋼管樁直徑；

(8)復核設計方案：圍堰樁長、內支撐強度、圍堰整體位移。鋼板樁的長度需以3的倍數。

7.3 內支撐

內支撐的布置需盡量避開(鋼護筒、承臺預埋件、墩身、墩身預留鋼筋其他附屬設施)。鋼套箱、鋼吊箱內壁兼做模板(0.1 m～0.2 m)。當圍堰一側有斜坡或者有車輛行駛產生動載時可設置擋土排樁。計算圍堰樁長前需先計算封底厚度及強度。黏性土、黏質粉土可采用土壓力、水壓力合算的方法，砂質粉土、砂土、碎石土可采用土壓力、水壓力分算的方法。在土的抗剪強度指標一般采用三軸固結不排水抗剪指標即固結快剪。圍堰在干挖時墊層厚度一般為20 cm～50 cm即可。

7.4 注意事項

(1)設計水位與施工水位的區別；

(2)圍堰兩側是否存在斜坡，水土壓力的區別；

(3)地質的分析采用水土分算/合算；

(4)圍堰的施工方式(引孔、整體下放)；

(5)圍堰封底能否滿足一次性施工承臺的要求；

(6)止水帷幕與圍檁間縫隙的填充；

(7)鎖口樁頂部、底部需設置加強箍；

(8)有些圍堰需要干挖，再混凝土澆筑封底。

8 結束語

可回收的裝配式止水鋼管結構的設計選型與加工工藝已趨于成熟。隨著節約資源和環保意識的加強，經濟、高效，又便捷的止水鋼圍堰形式，相比于混凝土制成的圍堰、圍護，以及支撐結構的優勢將更加明顯。必將更為廣泛地應用在水利領域的圍堰工程、建筑領域的大型基坑工程，以及市政領域的道路工程等方面。