鋼板樁圍堰在小清河倒虹吸施工中的應用

秦敬耀

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東 濟南 250002）

0 引言

小清河復航工程總長169.2km，按Ⅲ級航道標準建設，全線共有穿越河道的水利倒虹吸設施11座，均需要拆除重建。倒虹吸設施重建采用土圍堰導流施工方案，該方案存在開挖土方工程量較大，土地資源占用量大，征地較為困難，施工周期長，汛期前完成施工難等問題。而鋼板樁結構具有質量輕、強度高、鎖口緊密、水密性好、施工方便、工期短、工程經濟性好、可回收反復使用、綠色環保等優點。公司決定選用鋼板樁圍堰解決該問題。具體方案采用筑島土圍堰（作為施工平臺）+鋼板樁和鋼管支撐組合圍堰施工工藝，通過驗算確定鋼板樁的長度，同時采取井點降水進行導流[1]。實踐證明，該方案解決了大面積導流、征地拆遷難以及施工工期長的問題[2]。本文結合該工程中胡樓干渠倒虹吸的施工對鋼板樁圍堰的應用進行經驗總結。

1 工程概況

小清河復航工程中胡樓干渠倒虹吸位于山東省鄒平市，全長433m,2孔2.5×2.5的結構形式，場區地貌類型屬黃河沖積平原區，地面高程7.2～17.8m。地下水勘探期間埋深3.1～4.4m，高程13.2～13.4m。通過勘探查明胡樓干渠倒虹吸地質分別為：1-2層雜填土、1-4層淤泥、2層粉質黏土、2-2層粉土、3層粉質黏土、3-3層粉砂、4層粉質黏土、4-2層粉土、5層粉質黏土；勘探期間發現構筑物基礎低于地下水位，采用井點降水法進行基坑降水。

2 施工方案及驗算

2.1 施工方案

該工程位于河道之中，需開挖7.7m深度的深基坑，為避免單獨使用鋼板樁圍堰而導致發生較大位移變形，圍堰漏水增加了排水難度這一問題，將鋼板樁和鋼管支撐組合使用，同時根據現場的實際情況對鋼板樁圍堰施工方案進行了設計優化，同時土圍堰迎水面采用防滲膜+袋裝土防護，施工前先建造筑土圍堰施工平臺，坡比1∶2.0，并保證場地滿足施工機械的進出。

具體的施工流程為：鋼板樁的制作→施工圍堰填筑→鋼板樁的倒運→制作鋼板樁的導向架→雙排鋼管板樁插打→圍堰內填土→管井降水→基坑開挖、抽水、封底→涵身結構施工→鋼板樁的拔除→另半幅圍堰、涵身施工。

2.2 相關工況

該項目采用的鋼板樁型號規格為拉森Ⅳ型，其雙層間采用M20對拉桿進行穩定，并將鋼板樁圍堰組合分為五個工況進行分析。工況一為鋼板樁基坑深度7.7m，鋼板樁15m，高出地面0.5m；工況二為鋼板樁基坑深度5.5m，鋼板樁12m，高出地面1m；工況三為鋼板樁基坑深度2.2m，鋼板樁6m，高出地面0.5m；工況四為鋼板樁基坑深度6.7m，鋼板樁15m，高出地面0.5m；工況五為鋼板樁基坑深度6.7m，鋼板樁15m，高出地面0.5m。基于安全角度考慮，雙層鋼板按照一側填土一側開挖，外側鋼板一側有水一側開挖進行驗算。

2.3 支護方案的驗算

根據工程實際情況，胡樓干渠倒虹吸施工采用拉森Ⅳ型鋼板樁+圍檁+鋼管內支撐作為圍護體系。圍檁、斜撐均采用雙拼HW400×400×13∕21 型鋼，對撐采用Ф529mm×10mm鋼管。參考相關文獻，對圍堰荷載進行分析，并進行穩定性計算。

2.3.1 荷載分析

使用Midas對雙層鋼板樁的結構強度和穩定性進行計算，雙排鋼板樁圍堰最不利工況為：圍堰內抽水至地面線且雙排鋼板樁之間填土至最高水面線[3]。此時雙排鋼板樁圍堰主要承受圍堰外側的水壓力和鋼板樁中間填土的主動土壓力。

2.3.2 土壓力計算

式中：

Pa——主動土壓力（kPa），Pa＜0時，取Pa= 0；

γi——計算深度范圍內各土層的重度（kN∕m3），地下水位以上取天然重度，以下取浮重度，分別取18kN∕m3、17kN∕m3、19kN∕m3；

hi——各土層的厚度（m），分別取6.7m、0.9m、6.9m；

ka——計算點處土的主動土壓力系數，ka=；

c——土層粘聚力，分別取12kPa、15kPa、22kPa；

Pw——計算點處靜止水壓力強度（kPa）；

γw——水的重度（kN∕m3），取10kN∕m3；

被動土壓力計算公式為：

式中：

Pp——計算點處被動土壓力強度（kPa），Pp＜0 時，取Pp= 0；

γi——計算點處各土層重度（kN∕m3），地下水位以上取天然重度，地下水位以下取水下重度，分別取18kN∕m3、17kN∕m3、19kN∕m3；

hi——各土層的厚度（m），分別取6.7m、0.9m、6.9m；

ka——計算點處土的主動土壓力系數，ka=；

c——土層粘聚力，分別取12kPa、15kPa、22kPa；

Pw——計算點處靜止水壓力強度（kPa）；

γw——水的重度（kN∕m3），取10kN∕m3；

（1）鋼板樁承受圍堰內側填土的主動土壓力計算如表1所示。

表1 鋼板樁承受圍堰內側填土的主動土壓力計算

（2）鋼板樁承受圍堰內側土的被動土壓力計算如表2所示。

表2 鋼板樁承受圍堰內側土的被動土壓力計算

2.3.3 鋼板樁穩定性計算

根據文獻規定，雙排樁的嵌固深度應符合下式嵌固穩定性的要求。

式中：

Eak——基坑外側主動土壓力，其標準值為297.7kN；

Epk——基坑內側被動土壓力，其標準值為645.4kN；

aa——基坑外側主動土壓力合力作用點至雙排樁底端的距離5.54m；

ap——基坑內側被動土壓力合力作用點至雙排樁底端的距離3.55m；

G——鋼架梁、鋼板樁和樁間土的自重之和（kN），取為350kN；

aG——鋼架梁、鋼板樁和樁間土的重心至前排樁邊緣的水平距離（m），取為1.5m。

經計算得出：

綜上所述，鋼板樁穩定性滿足要求。

2.3.4 基坑圍檁及內撐計算

（1）圍檁及內斜撐強度計算。

經程序計算，工況一，上游圍檁最大支反力為79.9kN；工況二，下游圍檁為27.93kN。最大支撐間距取為1m，轉化為線荷載為79.9kN∕m、27.93kN∕m，荷載組合分項系數取1.2。采用Midas∕Civil 建立空間整體計算模型，取最不利荷載對其進行驗算。構件均采用材料為Q235鋼材的梁單元進行模擬。

計算結果表明，圍檁最大應力為72.8MPa，小于容許應力215MPa；最大剪應力25.1MPa，小于容許剪應力125MPa；強度滿足規范要求。最大相對位移為10.3mm，小于容許位移= 11.25mm。剛度滿足規范要求。

（2）圍檁穩定性計算。

第二層屈曲模態計算結果：

結構穩定系數為28 大于4，則鋼圍檁穩定性滿足要求。

經過最終的驗算，設計的鋼板樁圍堰基坑整體穩定性、基坑抗傾覆、嵌固深度，鋼板樁強度、剛度以及穩定性滿足要求。

3 圍堰內土方開挖和降水及沉降觀測

3.1 降水井布置

基坑采取管井降水+明排抽相結合的方式，降水井沿基坑邊坡中部平臺布置，管井間距10m，降水井深度15m。

3.2 圍堰基坑開挖

降水前，可開挖至地下水位位置，然后進行降水，降水后，開挖至設計標高，鋼板樁圍堰內土方采用長臂挖機挖除，預留30cm由人工開挖至設計標高；兩側做好排水溝，以備下雨天氣及時將明水匯集抽取外排。開挖支護過程中地質信息如有變化或與實際不符，應及時告知檢算方重新檢算[4]；開挖到位后及時進行基槽檢驗、墊層施工。

3.3 圍堰監測內容

（1）施工過程中要密切觀察基坑底部有無隆起、冒砂等情況，基坑周圍地表有無沉降、開裂的現象[5]。

（2）基坑邊坡的觀測內容包括基坑頂的沉降、位移和水位觀測。沉降、位移監測點檢測，主要在上下游兩側鋼板樁設置監測點與控制點，分別加強對觀測點進行垂直位移和水平位移測量觀測。

（3）嚴格保護觀測點，設置要求應達到醒目、牢固且不易破壞。若破壞，應及時修復或重新設置并重新記錄測量數據[6]。

4 結束語

面對小清河復航工程中倒虹吸工程土圍堰導流施工方案存在的一系列問題，采用鋼板樁圍堰施工工藝代替原方案，極大地降低了施工中可能發生的安全風險；不僅加快了施工進度，同時節約了大面積臨時征地的困難以及后續開挖所需棄土場用地問題，避免了成本的增加。該工程取得的經驗可在類似工程中推廣。