钢板桩围堰在乌沙洞拆建工程中的应用
2015-12-26刘兵兵张德华徐永波
刘兵兵 张德华 徐永波
科技推广与应用
钢板桩围堰在乌沙洞拆建工程中的应用
刘兵兵 张德华 徐永波
一、工程概况
乌沙洞拆建工程属于灌溉总渠以北地区淮安区水利骨干排灌及大型泵站建设项目中的一个单位工程，位于江苏省淮安市淮安区与淮安市生态新城交界处的里运河东堤上，是淮安区渠北灌区主要引水渠首之一。该涵洞兴建于1957年，维修加固于2003年。
乌沙洞设计要素：根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），里运河东堤为2级，乌沙洞为2级水工建筑物。闸身采用钢筋混凝土箱涵结构，孔口净宽2.2m、净高2.5m，3孔，顺水流方向长15.0m，后接单节涵洞，节长15.0m，转弯角度为8.6°。采用3扇2.2m×2.5m钢闸门，配3台LQ-10T手电两用螺杆启闭机。
地基土质：一层（高程9.81～8.61m）为素填土，二层（高程8.61～4.11m）为轻粉质壤土，三层（高程4.11～2.81m）为重粉质壤土，四层（高程2.81～-3.49m）为黏土、重黏土，五层（高程-3.49～-5.19m）为粉质黏土，五层以下为细砂土。
水位组合及设计流量：设计上游水位9.5m，下游水位9.2m，设计流量30m3/s。
二、围堰设计
（一）围堰选型
选型原则：满足安全要求（稳定、抗渗、抗冲）、结构简单、方便施工。
选型依据：该工程护岸结构型式、河岸地形地貌条件、施工期里运河水位变幅情况、河道淤泥深度（水深较大为2～3m，历史河道淤泥层较厚为1.5m）等。
结构型式：采用双排钢板桩结合填土的施工方案。围堰顶宽5m，迎水面打入12m长SP-IV型钢板桩，双排桩间距5m，顶高程11.00m，底高程-1.0m，围堰内侧为1∶2粘土护堰。内侧每米加两根SP-IV型钢板桩扶垛进行加固，内外侧每米焊一根拉杆从顶部连接钢板桩。断面设计见图1。
（二）理论验算
该工程采用SP-IV型钢板桩，进行钢板桩的支撑层数及间距、最小入土深度和基坑的稳定性验算，其结构计算简图见图2。
1.确定支撑层数及间距
按等弯矩布置确定各层支撑间距，先计算钢板桩顶部悬臂端最大允许跨度：
h=（6×[σ]×W/γKa）1/3
式中：[σ]—钢板允许弯曲应力，[σ]=200MPa；
W—钢板桩截面模量,拉森Ⅳ型钢板桩W=2270cm3；
γ—水的重度,γ=10×103N/m3；
Ka—主动土压力系数,粉质壤土取0.6。
h=（6×[σ]×W/γKa）1/3=（6× 200×106×2270/10×103×0.6）1/3 =547cm=5.47m
确定采取单层支撑，支撑点高程在10.5m，至最深处河床距离为4.5m（靠近河中央的钢板桩处河床水深约4m考虑，是最不利因素），如图2支撑布置形式。
2.用盾恩近似法计算板桩最小入土深度x
主动土压力系数Ka=tg2（45°-15° /2）=0.589
被动土压力系数Kp=tg2（45°＋15° /2）=1.698
假定作用在板桩MB'段上的荷载MQN'B'由坑底土压力MB'R'承受，由图2中的几何关系可得：
即：γl×（Kp－Ka）x2/2－γH×x=0
式中γl=18kN/m3,γ=10kN/m3,
H=4.5m，代入式中，简化后得：
9.981x2－45x=0
解之得，钢板桩最小入土深度x=4.5m。
所以，钢板桩最小长度为L=H+x=4.5＋4.5=9m，拟采用钢板桩长度为12m，满足要求。
3.基坑稳定性验算
钢板桩围堰施工完成后，两排桩之间的河水无需抽干，而建筑物基坑还在8m之外，即使建筑物基坑有渗水现象也可以用井点降水，故无需对基坑稳定性进行验算。
图1 断面设计图
图2 钢板桩计算简图
三、围堰施工
（一）设备材料人员配置
钢板桩准备：由渠首上游护底向外8m布置钢板桩，共两排，排距为5m，围堰和里运河大堤相连接，单排钢板桩长度约98m，两排共计196m，按钢板桩每根0.4m宽计算，需490根，计划配置12m长SP-IV型钢板桩500根。围檩支撑36a工字钢200m，横向拉杆32a工字钢80m。
设备准备：50t吊车1台，打桩机械手（日立450）1套，测放小船1艘，75kW发电机组1套，3t卷扬机3台，电焊机2台，气割设备2套，20t千斤顶2台，倒链3套。
（二）准备工作
1.钢板桩处理
钢板桩全部使用新购置的钢板桩。
插打前应在锁口内涂以黄油或热混合油膏（质量比为：黄油∶沥青∶干粘土=2∶2∶1）。
2.钢板桩吊运及堆放
装卸钢板桩采用两点吊。吊运时，控制每次起吊的钢板桩根数，并注意保护锁口免受损伤。吊运方式采取成捆起吊和单根起吊。成捆起吊采用钢索捆扎，而单根吊运采用专用的吊具。
钢板桩堆放在平坦而坚固的场地上，必要时对场地地基土进行压实处理。在堆放时要注意：（1）堆放的顺序、位置、方向和平面布置均考虑到以后的施工方便；（2）板桩按型号、规格、长度、施工部位分别堆放，并在堆放处设置标牌说明；（3）钢板桩采取分层堆放，每层堆放数量一般不超过5根，各层间要垫枕木，垫木间距一般为3～4m，且上、下层垫木应在同一垂直线上，堆放的总高度不宜超过2m。
3.抄平放线
在机械手开行范围内，清除水面及水下障碍、平整场地、做好排水沟、修筑临时道路，并根据放线定位施打。拟从围堰两端分别推进施工，最后在围堰中部合龙。
施工前先测出水面高程，计算钢桩出水高度，在桩身相应位置作出标记，打到水面标记处即可停止插打，此时桩顶标高即与设计一致。
（三）钢板桩施打
1.打桩机械的选择
采用日立450挖掘机改装的机械手。该设备施工方便、定位准确、宜于校正、速度快、效率高。
2.钢板桩的施打
由于该围堰在沿里运河岸边，通过阻断里运河水创造乌沙洞渠首干地施工条件。对钢板桩之间整体的锁口闭合、二排钢板桩之间的钢围檩支撑等的施工要求非常严格，施工时应保持钢板桩桩体垂直，避免扭曲。
首先在河面用钢管打定位桩，桩距20m左右，两桩间拉上定位绳，作为施工标线。岸边施工时，由机械手夹持钢板桩顶端，人工定位并保持垂直缓慢振动下沉。
机械手起吊钢桩并固定好钢桩的位置，对准桩位落下钢桩，检查垂直度和平面位置合格后，将桩打入土中。
管桩的计算桩长为理论控制值入土深度，实际以贯入度3mm控制，保证入土深度满足承载力要求。
为防止锁口中心线平面位移，在打桩进行方向的钢板桩锁口处设卡板，阻止板桩位移。同时测量人员观测成桩位置，发现偏差随时校正。
开始打设的一、二块钢板桩的位置和方向应确保精确，以便起到样板桩导向作用，故应加强观测。
钢板桩插打应遵循“插打正直、分散偏差、逐步纠正”的原则。
钢板桩插打时要严格控制好每一根桩的垂直度，尤其是第一桩的两个方向的垂直度是关键，如垂直度达不到要求，应拔起重打。
3.支撑横梁、顶部拉杆施工
考虑基坑开挖时只有4m的水位差，在水面以上高程10.5m作为支撑点布置横梁，横梁采用36a工字钢间距1m支撑两排桩。另采用32a工字钢间距1m从两排桩外侧拉住。由此，通过支撑横梁和拉杆，将两排钢板桩连接成牢固的整体。
4.钢板桩堰内外填土
钢板桩内填土分层用机械夯实，压实度不小于0.91。堰体两端采用钢板桩围堰结合大堤进行闭合，闭合时应注意原坡面的清理，防止渗流破坏，影响围堰安全。
为保证围堰运行期安全稳定，冲抵围堰内外侧水压力，钢板桩围堰内侧布置3m支撑，采用人工填筑并夯实，形成1∶2坡度的土坡支撑。
四、围堰运行期维护与安全监测
围堰对整个工程的安全顺利施工起决定性的作用，在施工期内加强对施工围堰的安全维护十分重要。
施工期备足围堰抢险物资及人员。安排专职人员负责值守，定时检查钢板桩内外侧填土的变化情况；定时进行水位的观测记录；经常了解水情和气象预报；高水位或大风暴雨等恶劣天气，安排负责人带班，由班组24h值班，保证及时发现隐患并予以消除。
围堰两端设立交通禁行标志，设置安全警示灯。围堰顶部禁止进行任何施工作业，或堆放弃料弃土。
五、钢板桩的拆除
钢板桩拔除前，将乌沙洞钢闸门全部关闭，用水泵从里运河抽水，直到围堰内外侧水位相平时开始施工。
钢板桩拔除采用与施打时相反的施工顺序进行，所需机械、工序及安全要求基本相同。
从围堰中部开始，先拔除钢板闸3～5m，然后停止拔桩，用长臂挖掘机清除钢板桩内侧填土，要求清除到原河道底部。这样反复进行，直至全部完成。
六、结束语
钢板桩围堰在乌沙洞拆建工程中的应用，大大减少了土围堰填筑所需外购的土源数量、减少了里运河河道内的淤积，有效避免了深水清淤的难度，缩短了围堰施工时间，保证了整个工程施工期的安全，建议推广应用于流域性河道上新建或拆建水利工程建筑物
（作者单位:江苏淮源工程建设监理有限公司 223001 淮安市淮安区渠北水利管理所 223001 淮安市水利勘测设计研究院有限公司 223001）
