珠海南门涌水闸基础开挖及处理施工技术

龙 胜

(葛洲坝集团第二工程有限公司,成都,610091)

1 工程概述

珠海南门涌水闸,位于斗门西堤河涌——南门涌出海口,水闸中心桩号CK25+884m。该闸排水孔为平底胸墙式敞式轻型结构,通航孔为平底开敞式结构,设计流量456.0m3/s,闸孔数为6孔,孔口净宽为10.0m,具有防洪挡潮、排涝排山洪兼有引水、通航功能(通航孔为Ⅷ级)。

基础开挖及处理工程作为南门涌闸的一个分部工程,主要施工项目有:水闸基坑开挖与中粗砂回填、粉喷桩施工及桩基区域粘性土换填、塑料排水板施工等。

南门涌闸堤段堤内原始地面高程为-1.80m～1.50m,沟渠底高程一般为 -1.50m～-1.80m,堤外为虎跳门水道。

闸址区地层自上至下为:①淤泥(Q4m),深灰色,局部含少量粉砂及贝壳,厚(3.20～3.35)m～14.70m左右,底板高程-4.35m～-4.20m;②淤泥质粘土(Q4m),深灰色,局部含少量粉砂及贝壳,厚12.60m～14.70m,底板高程-14.3m～-11.10m;③残积土(Qedl),黄褐色、深灰色、墨绿色,硬塑状,厚度大于3.50m左右,顶板高程-14.30m～ -11.10m;④强弱风化花岗岩(γ),厚度很厚。

闸址区淤泥、淤泥质粉质粘土抗剪强度低,具有高压缩性,允许承载力低,因此存在沉降变形、抗滑稳定等问题。

基础开挖及处理工程项目的施工程序见图1。

图1 地基开挖及基础处理工程项目施工程序

2 地基开挖施工

南门涌闸需进行开挖的施工项目有水闸基坑开挖、老堤拆除和新建堤基开挖。各开挖工作均在地形复测后进行。开挖分为水上开挖和水下开挖。其中涵闸水上部分开挖、旧堤拆除等为水上开挖,新建堤基础面清理、围堰形成前水闸处淤泥清理开挖为水下开挖。

2.1 水上开挖施工

水上开挖采用常规的旱地施工方法。施工原则为“自上而下,分层开挖”。水上开挖包括旧堤拆除、水上边坡开挖及基坑开挖。

2.1.1 旧堤拆除。旧堤拆除在围堰保护下干地施工。为保证老堤基础的稳定性和周边环境的安全性,旧堤拆除不采用爆破方式。干、砌块石部分采用挖掘机直接挖除,开挖渣料可利用部分装运至外海进行抛石填筑或用于石渣填筑,其余弃料装运至监理指定的弃渣场。

2.1.2 水上边坡开挖。开挖方式采取旱地施工,挖掘机挖除;水上开挖由高到低依次进行,均衡下降。待围堰形成和水上部分卸载开挖工作全部结束后,方可进行基坑抽水工作,以确保基坑的安全稳定。开挖料可利用部分用于堤身和内外平台填筑,其余弃料运至指定弃料场。

2.1.3 基坑开挖与支护。基坑开挖在围堰施工和边坡卸载完毕后进行,开挖前首先进行开挖控制线和控制高程点的测量放样等。开挖过程中要做好排水设施的施工,主要有:开挖边线附近设置临时截水沟,开挖区内设干码石排水沟,干码石采用挖掘机压入作为脚槽。另设混凝土护壁集水井,配水泵抽排,以降低基坑水位。

基坑开挖采用自上而下逐级分层卸载施工,并依据设计图纸控制好开挖边坡坡度。开挖设备采用3～6台0.5m3～1.0m3挖掘机进行倒运递渣。由于地基为软基,故采用垫3cm厚钢板,以保证挖掘机的安全稳定。小功率推土机配合集料,5t自卸汽车运输。挖掘机开挖时预留20cm保护层,人工进行清除,以保证与设计开挖线相吻合。开挖料在附近场地就近集中堆放,或根据监理工程师的指示及施工进展情况进行堤内、外平台的填筑。

基坑开挖应边开挖边验收,涵闸各结构部位的基础完成开挖后立即向监理工程师报验,并申请下道工序(中粗砂置换)开工。这样既可避免已开挖合格的基础因水泡而软化成流塑土体,也可避免淤泥重新淤填开挖面,确保工序间衔接紧凑、形成流水作业。

2.2 水下开挖施工

水下开挖施工主要为南门涌闸基坑水下流溯状淤泥开挖。

2.2.1 水下开挖施工方法

2.2.1.1 施工准备。水下开挖施工准备工作主要有:弃渣场的选择、机械设备的选型等。

2.2.1.2 测量放样。水下开挖的测量放样拟采用全站仪进行水上测量,主要测定开挖范围。浅滩可采用打设竹杆作为标记,水较深的地方用浮子作标记;为避免开挖时毁坏测量标志,标志可设在开挖线外10m处。

2.2.1.3 架设吹送管、绞吸船就位。根据绞吸船的吹距(最大可达1000m)和弃渣场的位置,吹送管可架设在陆上,也可架设在水上或淤泥上。

陆上管线宜选择最短的线路,并避免与其他建筑物、设备、道路等交叉。管线两旁采用钢钎加固,并在沿线每隔5m设置一处加固点。水上管线根据水流、风向和风浪情况布设,尽量顺直,避免急弯,每隔一定距离下设浮筒作为支撑体;水上管线不宜太长,在风浪、水流速较大的地段宜在300m～500m之间。夜间施工时,管线上安装警灯标示。

吹送管架设好后,绞吸船即可就位,并与吹送管对接。

2.2.1.4 绞吸吹送施工。绞吸船停靠就位、吹送管架设牢固后,即可开始进行绞吸开挖。

2.2.2 涵闸基坑水下开挖

2.2.2.1 涵闸水下基坑描述。涵闸前后河道由于长期双向过流,其表层主要为流塑状淤泥,对后期干地开挖有较大影响,因此须先采用水下开挖方式清除掉表层淤泥。

2.2.2.2 施工测量。施工前,对涵闸现状地形实施详细的测量,绘制原始地形图,标注出各部位的开挖厚度。一般采用50m2为分隔片,并在现场布置相应的标识指导施工。

2.2.2.3 施工方法。在围堰施工前,绞吸船进入开挖区域,根据测量标识开始作业。由于流塑状淤泥内摩擦角和粘聚力极小,过陡的开挖边坡和较大的施工扰动均会引起流塑状的淤泥整体滑动,因此不仅要控制开挖速度而且必须按照设计的坡比分层、分台阶开挖。

开挖顺序为:抛石防冲槽基础、海漫基础、消力池基础、闸室基础。开挖过程中应加强过程控制,经常检查开挖面高程和开挖边线是否符合设计要求,以免超、欠挖。

2.3 基坑开挖边坡稳定分析与控制

2.3.1 边坡描述

根据本工程水文、地质条件,水闸基础基本为淤泥土构成,基坑边坡土体含水量大,基本为淤泥,基坑开挖及施工过程中,容易出现边坡失稳,造成整体边坡下滑的现象。因此如何保证基坑边坡的稳定是本开挖施工重点。

2.3.2 应对措施

2.3.2.1 采取合理的开挖方法。根据工程特点,对于基坑先采用水下和岸边干地开挖,以减少基坑抽水后对边坡下部的压载,上部荷载过大使边坡土体失稳而出现垮塌和深层滑移。

2.3.2.2 严格控制基坑抽排水速度。基坑水下部分土体长期经海水浸泡,含水量大,地质条件差,基坑排水下降速度大于边坡土体固结速度,在没有水压力平衡下极易造成整体边坡失稳。因此在基坑抽排水过程中,严格控制其降水速度。基坑抽排水速度控制在30cm/d～50cm/d。

2.3.2.3 对已开挖边坡的保护。在基坑开挖完成后,沿坡脚形成排水沟组织排水,并设置小型集水井,及时排除基坑内的水。在雨季,对边坡覆盖条纹布加以保护,必要时设置抗滑松木桩。

2.3.2.4 变形监测。按规范要求,在边坡开挖过程中,在坡顶、坡脚设置观测点,对边坡进行变形观测,测量仪器采用全站仪和水准仪。观测期间,对每一次的测量数据进行分析,若发现位移或沉降有异常变化,立即报告并停止施工,待分析处理后再恢复施工。

2.4 开挖质量控制

2.4.1 开挖前进行施工测量放样工作,以此控制开挖范围与深度,并做好过程中的检查;

2.4.2 开挖过程中安排有测量人员在现场观测,避免出现超、欠挖现象;

2.4.3 开挖自上而下分层分段施工,随时做成一定的坡势,避免挖区积水;

2.4.4 水下开挖时,随时进行水下测量,以保证基坑开挖深度;

2.4.5 水闸基坑开挖完成后,沿坡脚打入木桩并堆砂包护面,维持出露边坡的稳定;

2.4.6 开挖完成后对基底高程进行实测,并上报监理工程师审批,以利于下道工序迅速开展。

3 基础工程施工

本水闸工程基础处理项目为:水泥粉喷桩施工、塑料排水板插打、粘性土换填等。水泥粉喷桩主要分布在水闸底板下部,用于水闸基础处理;塑料排水板用于堤身单薄、堤身填土较厚的堤段和涵闸内外消力池及翼墙侧土方回填基础处,有利于基础深层水的排出和基础土层的固结;粘性土换填主要分布在水闸底板下部,水泥粉喷桩顶部的区域。

3.1 水泥粉喷桩施工

水泥粉喷桩是水闸基础成为复合地基的主体项目,待水闸基础初步开挖至设计标高,回填中粗砂形成桩机施工平台后,再开始粉喷桩施工。

3.1.1 技术要求

桩径φ500mm,水泥采用32.5R旋窑水泥,现根据业主、设计、监理及施工单位四方确认,采用32.5R普通硅酸盐水泥。28天桩体无侧限抗压强度不小于1.0MPa。28天、14天、7天的水泥土拉压强度控制如下:

fcu90=(1.43～1.80)fcu28

fcu90=(1.73～2.82)fcu14

fcu90=(2.37～3.73)fcu7

式中,fcu90、fcu28、fcu14、fcu7 分别为 90、28、14、7天龄期的水泥土抗压强度。

桩体水泥含量均匀,由抽芯取样确定其均匀性,桩体上部喷粉量不得小于下部喷粉量。

3.1.2 粉喷桩施工工艺

3.1.2.1 施工顺序。场地及中粗砂平整→测量放样→钻机定位→钻杆下沉钻进→上提喷粉强制搅拌→复拌→提杆出孔→钻机移位。

3.1.2.2 搅拌工艺。搅拌工艺为二喷四搅+1/3桩长复搅,即:预搅下沉→喷粉搅拌提升→重复搅拌下沉→重复喷粉搅拌提升→重复搅拌下沉至1/3桩长→重复搅拌提升至孔口。最后一次提升搅拌宜采用慢速提升。具体施工工艺通过试验桩确定。

3.1.2.3 各工序施工要点

①场地及中粗砂平整。清除地下、地上障碍物,特别是块石、树根,以免钻机无法钻进,场地平整后即进行钻机施工平台中粗砂的填筑和整平,高程应高于桩顶高程30cm～50cm,以保证桩顶喷粉时不外喷。

②测量放样。准确桩机施工平台高程,以确保设计桩长,孔位要准确,已放样的孔位用小木桩标识,因施工破坏的桩位标识要及时补测。

③钻机就位、对中、调垂、搅拌头中心对正孔位标识、调整钻机机盘水平,最后调整钻杆垂直度。

④预搅。启动钻机,待搅拌头转速正常,接近地面时开始送气钻进,至桩底滞时2min～5min,以保证喷粉到达桩底;孔深在钻杆上做标识确定。

⑤喷粉搅拌提升。单位时间喷粉量、提升、搅拌速度由试桩提供的参数确定。

⑥1/3桩长复打。当重复搅拌下沉,提升喷粉、搅拌后,再下沉至复打部位,慢速搅拌提升至孔口。

⑦有防渗要求的咬合桩体,相邻二桩施工间隔时间应不大于24h,若间隔时间过长应补桩,相邻二桩重叠厚度应满足设计要求。

3.2 搅拌桩桩头开挖、粘性土换填及反滤层施工

搅拌桩施工完毕一定时间后,粉喷桩整体强度通过抽芯检测达到设计要求后,进行搅拌桩桩间土开挖。开挖深度为设计桩顶高程下降50cm,而后将上部50cm长度的桩头凿除,再进行粘性土换填施工。

粘性土换填采用分层人工摊铺、人工配合蛙式夯机夯实的填筑方法,分层填筑厚度不宜大于20cm,粘性土的干密度不小于1.5t/m3,压实度不小于0.92。

消力池底板下部反滤层施工。施工前应做好场地的排水、设好样桩、备足反滤料,不同粒径的碎石的级配需满足设计要求;施工时要保证由底部向上按设计要求逐层铺设,层次清楚,互不混杂。反滤层铺设完毕后,及时进行上部混凝土底板的浇筑施工。

3.3 塑料排水板施工

塑料排水板插打分布在内港消力池挡土墙与内港翼墙侧、外海消力池挡土墙与外海翼墙内侧、引堤连接段、闸管所区域以及堤内平台的局部区域等。塑料排水板在基础面挖、填至设计标高填筑砂垫层后开始施工。

3.3.1 技术要求

3.3.1.1 塑料排水板型号采用100mm×4.0mm(宽×厚),芯板应具有足够的抗拉强度和垂直排水能力,其抗拉强度不应小于130N/cm。当周围土体压力在 15m深度范围内不大于250kN/m2或在大于15m深度范围内不大于350kN/m2的条件下,其排水能力应不低于30cm3/m。

3.3.1.2 芯板应具有耐腐性和足够的柔性,保证塑料板在地下的耐久性,并在土体固结变形时不会折断或破裂。

3.3.1.3 滤套一般由无纺织物制成,应具有一定的隔离土颗粒和渗透功能,应等效于0.025mm孔隙,其最小自由透水表面积宜为1500cm2/m,渗透系数不应小于5×10-3cm/s。

3.3.1.4 塑料排水板的主要施工机具为插板机,国内目前有挖掘机改装的插板机、履带式插板机及门式轨道插板机等一些种类,性能不一,具体选择应根据工程实际情况,从机械的结构特点、工效、适用度等方面通过试验来确定。

3.3.2 塑料排水板插打工艺

3.3.2.1 施工工艺流程。平整场地、挖排水沟→铺设下层砂垫层稳压→测量定孔位→机具就位→排水板穿靴→插入套管→拔出套管→割断排水板→检查施工记录等情况→机具移位→摊铺上层砂垫层。

3.3.2.2 关键工序控制。①塑料排水板施工前,对场地进行清表、整平和初步碾压,做好土拱坡,铺设好砂垫层,根据地形要挖好排水沟,以利排水;②放样时根据设计情况准确定位,并在每个孔位都插好标记(所用的标记通常有石灰、油布、细条塑料板芯等),做到明显且不宜被损坏为宜;③定位要准确;④将塑料排水板端部穿过预制靴头固定架,对折带子长约10cm,固定联结。一般预制靴头可采用铁质或混凝土靴头。将靴头套在空心套管端部,固定塑料排水板,并使其在下沉过程中能阻止泥砂进入套管。

3.3.3 施工质量控制

3.3.3.1 塑料排水板进场时应有出厂合格证,进场后应抽样送检,以保证合格材料用于施工。

3.3.3.2 板盘进场堆放应覆盖,防止污染和在空气中老化。

3.3.3.3 插打过程中导轨应垂直,套管不得弯曲,透水滤套不得污染和撕破,跟带长度不得超过40cm,否则报废重插。

3.3.3.4 排水板留出孔口长度30cm,以使其与砂垫层贯通排水,并防止预留长度受损。

3.3.3.5 及时铺摊上层砂垫层,以防长时间暴露使板体老化。

3.3.4 质量检测

塑料排水板一旦施工结束,除板体本身和板距较易检测外,其它项目检测较困难,因此施工过程的质量控制十分重要。

3.3.5 施工布置

因采用履带式插板机,对施工道路要求不严格,水闸施工水、电已通,施工用水、电只须接至施工点即可。

3.3.6 施工进度计划

南门涌闸塑料排水板的工程量为32250m,按照插板机工作强度2000m/d计算,结合南门涌闸施工场地情况,南门涌闸区域考虑布置1台插板机施工,即可满足强度要求。

4 结语

在沿海地区河涌段软质土的特殊地质条件上修建挡水建筑物,施工方法和施工工艺的确定尤为重要,否则将造成施工难度增大、严重影响工期。本文所阐述的开挖施工中采用水下开挖施工法施工简单,可比常规陆上开挖施工大大节约施工周期。对于闸址基础采用粉喷桩施工,不失为软基处理中很好的一种施工方法,虽然比建筑中预制管桩施工节约了投资,但在实际施工中施工质量较难控制,同时施工周期和成桩凝期时间较长。所以,很好地控制粉喷桩施工质量及施工工艺和合理调配设备资源,是工期目标实现的关键。