拉森钢板桩围堰在某泵站工程中的应用

刘学锋，李志平，胡 云

（湖南省水利水电施工有限公司，湖南 长沙 410007）

1 工程概况

屈原管理区饮用水源取水头部上移工程位于湘江湘阴区段，主要工程项目括取水泵站及机电工程、泵房、取水头部及取水管道安装，其中取水泵房工程位于湘江右岸河滩，迎水面距离湘江河床约60 m，泵房所在地原地面高程约▽26.5 m。

取水泵房主体结构为外径14.4 m，壁厚1.2 m，高22 m（不含底板及底部封底混凝土高度）的钢筋混凝土圆筒。泵站底板厚度1.0 m，底面高程▽13.0 m，顶面高程▽14.0 m，底板以下设2 m 厚的水下混凝土封底，因此泵房基础需要开挖至▽11.0 m 高程，低于工程所在地湘江枯水期常水位约9 m，低于泵房所在地原地面高程15.5 m。

由于本项目为中央环保督查项目，项目必须在2018 年9 月份前施工完毕，但是由于特殊原因，本项目2018 年4 月才启动邀请招标程序，为确保2018 年9 月施工完毕，该泵站工程必须在汛期进行施工。

2 施工方案选择

本工程开工初期，设计单位、发包人、施工方分别提出了沉井、大开挖、钢板桩围堰三种不同的施工方案：

根据地勘资料，取水泵房基础地层具有不均匀性，泵房结构外径达到14.4 m，且建基面位于外河枯水位以下9 m，若采用人工开挖，沉井结构在下沉过程中，开挖面在水头差影响下，很容易发生流沙、管涌，极易造成安全事故；若采用水下吸砂开挖，则开挖范围和深度难以控制，不能保证沉井各处的吸砂高度一致，加之地层的不均匀性，极易产生沉降不均而发生偏斜，一旦发生偏斜，纠偏难度很大，甚至有可能导致沉井报废，沉井外围面积过大，下沉摩擦阻力大，很难沉入设计标高，施工工期无法保证，因此本工程不适宜采用沉井方案。

根据设计文件，本泵站基础开挖深度达到15.5 m左右，且基础位于湘江枯水期常水位以下约9 m，因此，若采用“大开挖”方案，预计开挖区域开挖开口线范围达到83.9 m×83.9 m，相应的开挖工程量约56 900 m3，预计需要约2.4 万m2的场地进行堆放，施工现场很难找到这么大的空地；同时，湘江右岸河滩出露地层主要为粉质粘土层、砂层，基础承载力较差，施工便道路基处理工作量较大；而且即将进入湘江流域的汛期，一旦外河水位漫过围堰，河水直接倾入基坑，不仅造成前功尽弃，也存在重大安全隐患，因此“大开挖”也不适用本工程。

拉森钢板桩方案土石方开挖量相对较少，后续土石方回填工程量也不大，无需较大的土方堆放场地；而且，只需在拉森钢板桩外侧修筑一条环向施工便道，且便道路基可位于湘江常水位以上，路基处理工程量较小，因此，施工公司最终选择了拉森钢板桩方案。

3 施工过程

3.1 钢板桩围护设计（见图1）

确定拉森钢板桩围护方案后，施工公司立即进行了拉森钢板桩围护结构的设计。由于项目开工时，泵房所在地原始地面高程约为▽26.5 m，湘江外河水位约为▽21.0 m，考虑到接近汛期，外河水位还会上涨，为尽可能保证作业平台位于外河水位以上，将施工作业平台高程定为▽23.5 m，由于泵房基础需要开挖至▽11.0m 高程，因此钢板桩围护支撑土体高度为12.5 m，根据拉森钢板桩使用要求，基坑开挖到位后，拉森钢板桩埋入土层深度应为外露长度的50%左右，因此，选定18 m 长的拉森钢板桩。

同时，由于泵房为外径14.4 m 的圆筒形结构，为便于作业，四周各预留1.6 m 的作业宽度，因此将拉森钢板桩围护结构设计为17.6 m×17.6 m 的矩形。

3.2 围檩及斜撑设计（见图2）

为确保拉森钢板桩围护使用安全，分别在▽23.0 m、▽19.5 m、▽17.0 m、▽15.0 m 分别设置横向围檩，围檩内部设置斜向支撑，围檩及斜向支撑的形式、布置位置、布置数量均经过严格的内力计算后确定。见表1。

图2 拉森钢板桩、围檀、斜撑设计平面图

图1 拉森钢板桩、围檀设计平面图

表1 拉森钢板桩及其围檩、斜撑材料设计表

3.3 安全稳定性分析

根据本泵房工程拉森钢板桩及其围护结构特点，以下5 种工况，对钢板桩围护结构、围檩及斜撑受力条件最不利：

工况一：采用挖机开挖围堰内土层至第二层内撑中心标高▽19.5 m 以下50 cm，且第二层内撑未安装时。

工况二：采用长臂挖机开挖围堰内土层至第三层内撑中心标高▽17.0m 以下50cm，且第三层内撑未安装时。

工况三：第三层内撑已安装，采用水下吹砂或抽砂方法将围堰内细砂层清除至▽11.0 m 标高，而封底混凝土未浇筑时。

工况四：封底混凝土浇筑待强后，抽水至第四层内撑底面50 cm，且第四层内撑未安装时。

工况五：第四层内撑已安装，围堰内抽干水时。

为确保钢板桩使用安全，施工公司邀请湖南路桥建设集团有限责任公司和长沙理工大学的专家进行论证。湖南路桥建设集团有限责任公司的专家采用ansys有限元分析软件、长沙理工大学的专家采用midas 有限元软件分别对以上五种不同工况下，拉森钢板桩、围檩、斜撑等结构的应力、应变，以及封底混凝土的抗浮稳定性均满足钢板桩围护结构安全使用要求。

经专家论证确定围檩及斜撑设计承载能力能满足土层压力要求后，并将相应专项方案报给现场监理工程师审批后，才进行拉森钢板桩施工。

3.4 施工过程

屈原管理区饮用水源取水口上移项目泵房工程拉森钢板桩于2018 年5 月5 日正式开始施工，2018 年5月21 日，最后一根钢板桩插打到位。随后，施工公司组织焊工进行内侧围檩的安装与加固，然后分层组织对钢板桩内侧土石方进行开挖，每开挖至某层设计内侧围檩位置以下50 cm 左右时，暂停开挖，依次进行牛腿、围檩、斜撑安装，并进行加固，围檩和斜撑安装并加固到位，并具备受力条件后，再进行本高程以下的基坑土石方开挖。直至将基坑开挖至设计建基面高程▽11.0 m。

对于▽19.5 m 以上土石方，主要采用普通反铲进行开挖；对于▽16.5 m～▽19.5 m 土石方，采用长臂挖机进行开挖。

▽16.5 m 以下土方原方案采用气举抽砂法一次性开挖至▽11.0 m，然后浇筑2 m 厚的水下混凝土封底，水下混凝土达到设计强度后，再分层抽水，第四道围檩和斜撑后，再将基坑积水排干，进行后续项目施工。

但是，2018 年6 月，▽16.5 m 以上的土方开挖结束后，外河水位急剧上涨，随时有漫过围堰、淹没基坑、危及大堤的危险；2018 年6 月8 日，岳阳市水利专家听取各单位情况汇报后建议暂停本项目施工，待湘江主汛期结束后再考虑本项目的继续实施。

2018 年10 月底，外河水位下降至▽19.0 m 以下，▽23.5 m 平台完全无水，具备设备通行和作业条件；同时，基坑内水头差较小，基坑底部水砂压力均较小，施工公司将开挖方案调整为吊小型挖机进入开挖面直接进行开挖，开挖出来的渣料采用料斗装运，汽车吊转运出基坑。

2018 年12 月，原河滩面以下泵房主体结构施工完毕，拉森钢板桩完成历史使命，施工公司立即组织对拉森钢板桩及其围檩和斜撑的拆除。

图3 成型后的基坑

3.5 变形观测

钢板桩插打到位，基坑内土石方开挖之前，项目部制定了《泵站工程施工安全监测专项方案》，在钢板桩每一层围檩、每一侧设置变形观测点，基坑内土石方开挖期间，项目部每天上午9 点、下午5 点各组织一次对拉森钢板桩进行变形观测；在混凝土浇筑以及其他项目施工期间，每天上午9 点组织一次对拉森钢板桩进行变形观测。

进行变形观测时，若发现变形速率明显加快，或者累计变形量超过规范允许值，则立即通知基坑内的施工作业人员和设备撤离，并根据现场条件，及时对钢板桩围檩及其斜撑进行加固（若变形急速发展，垮塌已不可避免时，不得安排抢险和加固）。见表2，表3。

4 方案实施效果

经连续观测，本泵站施工期间，钢板桩变形在规范允许范围内，施工期间未发生基坑变形和垮塌事故，拉森钢板桩减少了本泵站工程的土石方开挖以及土石方回填工程量，降低了施工便道修筑工程量和土石方转运工程量，既确保了泵站工程施工期间的安全，确保了施工工期，又控制了工程造价，达到了预期的效果。同时，由于钢板桩之间通过锁扣连接，锁扣之间的间隙很小，当钢板桩围堰内侧水位低于外侧地下水位时，土体中的细小颗粒在渗透水压力作用下向锁扣缝隙移动，将锁扣之间的缝隙堵住，从而达到止水防渗的作用，有效地减少了基坑排水工程量。

表2 拉森钢板桩第一层围檩变形记录表（节选前5 次）

表3 拉森钢板桩第一层围檩变形量统计表（节选前4 次）

5 结 语

拉森钢板桩在屈原管理区饮用水源取水口上移项目泵房工程中应用，再次印证了拉森钢板桩作为开挖深度较深，但是开挖尺寸不大的基坑挡土建筑物，既能对基坑边坡形成有效的支护，又能较大程度地减少土石方开挖工程量及后期土石方回填工作量，降低土石方运输工程量，还可以减少临时施工便道的修筑工程量，降低基坑排水工作量，在节约施工投资，加快施工进度，确保基坑安全等方面均具有重要意义。