钢围堰施工技术在自来水厂工程取水头施工中的应用

2020-11-23虞国宏龚飞朱张峰

安徽建筑 2020年11期

虞国宏，龚飞，朱张峰

（1.海天建设集团有限公司，浙江金华 322100；2.南京工业大学，江苏南京 211816）

围堰是指在水利工程建设中修建永久性水利设施的临时围护结构[1]，其作用是防止水土进入建筑物施工现场，从而将围堰内的水排干，开挖基坑，修建建筑物。钢围堰是水工建筑施工中常用的施工技术，钢板桩围堰则是最常用的板桩围堰，其具有强度高、施工简便、防水密封性能好、可重复使用等突出优点，在桥梁工程[2-5]和隧道工程[6-7]得到了广泛应用。

本文以某自来水厂工程取水头施工项目为背景，详细介绍了本工程采用拉森钢板桩围堰施工的方案设计、受力验算及施工工艺，期望为其他类似工程提供参考。

1 工程概况

该自来水厂单侧临湖，场地分布着较厚的河相冲积物，地貌单元类型属海积平原沉积类型。场地原为农田，拟建场地内有多条排水沟及水塘，宽约1.5m～15.0m，深约0.50～2.40m，大部分排水沟已经干涸，沟底无淤软土，较深水沟局部有0.10m～0.60m水深，沟底有0.10m～0.30m左右淤软土，地势不平整。

取水头位于湖底，湖水面高程约+3.00m，施工涉及土层由浅至深分别为淤泥、黏土、细砂和粉质黏土。由于水下施工，故采用钢板桩围堰施工技术。

2 钢板桩围堰方案设计

根据工程特点，采用钢板桩围堰施工方法，钢板桩采用拉森Ⅵ型钢板桩（SP-Ⅳ），材质SY295，单根长度为15m，围堰平面呈圆形，轴线直径34.0m，共设置三道内支撑。围堰顶高程为+3.50m，围堰底高程为-11.50m，封底混凝土厚2.0m。

钢板桩围堰方案示意图见图1。

3 钢板桩围堰验算

3.1 钢板桩验算

基于等值梁法，并借助Midas/Gen软件进行钢板桩围堰结构应力及入土深度验算。计算过程中作出如下假设：

①计算时取1m宽单位宽度钢板桩作为计算对象；

②因围堰两侧土全部处于水下环境，处于饱和水状态，为简化计算且偏安全考虑，不考虑土的粘聚力（c=0）；

③弯矩为零的位置约束设置为铰接，故等值梁相当于一个简支梁，方便计算；

④假设钢板桩在封底混凝土底面固结；

⑤土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。

根据施工过程，分解为三个工况分别进行计算，具体如下：

①工况一，第一道内支撑安装后，围堰内抽水、清淤至-0.55m，第二道内支撑未安装前，该阶段钢板桩受力最大，为最不利状态；

②工况二，第二道内支撑安装后，围堰内挖土至-4.05m，第三道支撑安装前，该阶段钢板桩受力最大，为最不利状态；

③工况三，第三道支撑安装后，围堰内继续开挖至-5.55m，封底混凝土浇筑前，该阶段钢板桩受力最大，为最不利状态。

各工况计算简图见图2。

通过验算，各工况下钢板桩最大应力值为76.7MPa，入土深度满足安全要求。

3.2 内支撑验算

由钢板桩验算结果，第一道内支撑最大支撑反力为81.1kN，第二道内支撑最大支撑反力为271.5kN，第三道内支撑最大支撑反力为201.5kN。因此，可只验算第二道内支撑。

采用Midas/Gen软件建立内支撑结构有限元模型，并进行计算，见图3。

计算可知，第二道内支撑最大位移为8.733mm，围檩最大组合应力为192.4MPa，钢管最大组合应力为138.1MPa，均满足安全要求。

3.3 其他验算

考虑封底混凝土及钢板桩围堰自重，进行整体抗浮验算，经计算，抗浮安全系数为1.19，大于1.05；抗基坑底管涌安全系数计算得3.08，大于1.5；在工况三下围堰内挖土至-5.55m时，须验算坑底的承载力，如承载力不足，将导致坑底土的隆起。本工程基底抗隆起计算参照普朗德尔和太沙基的地基承载力公式，并将钢板桩底面的平面作为极限承载力的基准面，承载力安全系数计算得4.0，大于1.2，均满足安全要求。