污水厂处理池降水与基坑支护方案设计

景广涛

(中交集团中国城乡碧水源北京久安建设投资集团有限公司,北京 100094)

0 引言

由于地下工程本身所具有较大风险的问题,需要在施工的每一步中进行严格地设计与把控,主要分为土方开挖、基坑支护、结构修筑与防水处理等,根据不同的工程需求还包括各类的管线埋设等,不同的地下结构需根据自身需要与其所处的地质水文环境对其关键施工环节进行着重研究与处理。对于污水处理池这种埋深较大且后期维护成本较高的地下构筑物来说,坚固的支护结构显得较为重要,结合砀山经济开发区污水处理厂项目中存在的砂质黏土与地下水问题,本文对降水与支护方法进行了专项探究,形成了一套适用于在砂质黏土情况下的排水方法与支护方法的施工流程,最终结合实际工程对其进行可靠性验证。

1 基坑降水

当构筑物的基坑开挖处以及附近存在地下水时,需要进行基坑降水,其降水要求在施工的过程中不影响施工进度与施工效果,在施工后短时间内不影响施工质量,从抽水量计算、成井与封井方法3个方面对其进行介绍研究,其实用结果证明该方法降水效果良好,为后续作业提供很好的施工环境[1]。

1.1 基坑内抽水量的计算

在施工期间,在基坑开挖过程中应采取相应的排水措施,加强支护,防止塌方和流沙的产生,同时要考虑到降水对周边建筑沉降的影响,并按实际情况进行降水。对于基坑内降潜水量的计算,采用式(1)来计算地下水容量储存量,采用式(2)计算坑内所需采用的降水井数量。

W=μ×V

(1)

其中,W为容积储存量,m3;V为含水层体积,m3,V=基坑面积×降水深度h(h为潜水静止水位至基坑底板以下0.5 m);μ为含水层的给水度(粉砂与黏土给水度经验值为0.10～0.15)。

n=A/a

(2)

其中,n为井数,口;A为基坑面积,m2;a为单井的有效抽水面积,m2。

1.2 成井方法

在成井过程中,采用正循环旋转钻井液的护壁成孔技术,并需要采用与之配套工序如滤管、黏性土、封孔等。其工艺具体流程为测放井位→埋设护口管→钻孔→清孔换浆→下井管注石→井口封堵与洗井→埋设装置→最后检验。

尽管对地质情况做出了前期勘探与预研工作,但是在成井施工的过程中,由于地质情况的复杂性,需要在成井的过程中注意施工细节。在清孔换浆时,考虑淤泥地形,井管上端要用闷塞密封,然后将钻杆从中抽出,与此同时进行调浆工作,保证施工的连续性;根据其工程量确定合适类型的泵,且注石时应根据所采用的井的结构设计,将砂粒注满,并根据所填的深度和测量其高度,直到将碎石排到指定的位置;在进行洗井工作时采用“从过滤器的底部开始,拉动活塞”的方式进行钻孔清洗,当活塞抽出的水大致清澈后,可用空气压缩机来清洗管道底部的沉砂以保证所形成的井在后续施工期间保持畅通;在成井结束后,进行施工前的真空泵抽泵试验,要求其管路系统内的真空度应保持在-0.06 MPa。

1.3 封井方法

在封井前的降水运行中,针对地下储水的水文条件,抽水泵的抽水间隔时间应逐渐增大以确保土层完成沉降固结,若抽水量增大,则需加大抽水次数并增大抽水间隔以确保不影响后续施工。在降水井的封井工作中,探讨与计算得出如图1,图2所示的结构样式与施工流程,以确保其整体结构的稳定性并契合当地的地下储水情况,具体施工步骤如下:

将瓜子片填充到井筒中,然后在井筒中下直径为2.54 cm的注浆管,并将注浆管的底部下入1.0 m的深度。在正式注浆之前,井口要用钢筋作为支承,在注浆管安装好后,就可以进行注浆。注浆完成,在水泥浆达到初凝阶段后,将剩余水从井筒中排出,并对井筒内的水位和标高进行实时监测。在确定注浆效果后,再将混凝土注入井筒,注入的混凝土比地面稍低50 cm。注浆结束后,要对井眼水位进行观测,以判断其实际封堵效果。当井筒混凝土的初凝能力满足要求,能够判定封堵效果满足要求时,才可以将裸露的井管全部切掉。在切割完井管后,应在管的位置用钢板焊接,焊缝应在地面以下50 cm处。管口焊接好后,将普通填土填入孔内,并将其填平,然后进行封井。

2 拉森钢板桩支护

拉森钢板桩又被称为U型钢板桩,具有材质轻、强度高、施工简单且不受施工条件制约的众多优点,因其具有较高的防水性与安全性,十分适用于砂质黏土中存在地下水的工况,能够组合形成强有力的保护屏障阻止地下水的渗透且能加快施工速度,从性能、施工与造价三方面研究比选最终确定在对污水处理池进行施工的过程中选择其作为支护构件,并从钢板桩的施工准备与施工打设两个关键工艺方面进行介绍与研究,得到适用于该地质条件下的打设工艺[2]。

2.1 钢板桩施工准备

在选用钢板桩时,应确保其平面尽可能平坦、平整,避免出现不规则的拐角,便于使用和支承,并尽可能地使各个外周尺寸与板桩的模数一致。

2.1.1 钢板桩的检验

钢板桩在运输到现场后必须进行清理。将锁孔中的杂质清理干净,并进行修补。在基坑工程中,钢板桩检测的主要手段是外观检测,应保证符合规范标准,且对于重复使用的必须符合相关规范;对经检测合格的钢板桩进行保证后续承载作用的润滑及防渗处理,每块钢板桩的锁头必须用混合油均匀地涂抹。

2.1.2 钢板桩的矫正

对有表面缺陷的钢板桩,应首先清除其周围的腐蚀和油污,然后用焊接修复法将其平整,再用砂轮打磨;对端部分离矩形比的钢板桩,用砂轮将其打磨、修削。在修整的过程中,可以直接使用砂轮进行修整;存在桩体弯曲的钢板桩利用龙门式顶梁托架上的千斤顶对腹向弯矫进行冷弯校正;存在桩身歪斜的桩体可按钢板桩的变形程度,采用常规的方法进行校正;桩断面的局部变形可采用千斤顶顶压、大锤敲打、氧乙炔火焰加热等措施纠正局部变形;锁头变形的情况可采用普通钢板作为基础,采用低速提升机的牵伸调整技术,或采用氧乙炔热烘烤,大锤锻打胎具对其进行调整。

2.1.3 钢板桩吊运及堆放

在卸下钢板桩时,必须采用双点吊的方法。在吊装时,每次吊装的钢板桩不能过多,而且要保护好锁。起重方式包括成束起重和单起重。成捆型起重机通常使用钢索进行捆扎,采用专用起重设备。堆叠钢板桩时,必须选用平整的、牢固、可承受大压力的地点,且应便于运输;必要时,可选择将其压实。

2.2 钢板桩打设

2.2.1 导架安装

为确保桩身定位准确、保证桩体垂直、提高桩头的插入精度、防止桩身失稳以及提高桩体的穿透性,通常要求采用具有高刚度的导桩。导向梁、边檩桩等为单层方面形式,间距一般在2 m～3 m左右,边框间距应偏小,可厚于板桩9 mm～16 mm。

在安装导轨时,应注意引导梁的位置要用经纬计和水平计调整。正确的导向柱高度有利于板桩的施工,提高工效。由于采用了钢板桩,所以导梁不会产生沉降和变形,引导横梁应尽量垂直,避免与板桩相撞。

2.2.2 钢板桩打设

由于建设底面标高低于地面的大型构筑物,所以钢板桩需要打入较深的深度,且考虑砂质黏土的特性,每个桩的斜度必须受到严格控制,即每根桩体的倾斜度小于2%,以避免因土体较弱而发生钢板桩倾斜现象,因此,采用最适宜该情况的屏风式打入法。且在施工前,由于施工场地的湿滑,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。同时在围檩上预先算出每块板桩的位置,以便随时检查校正。

屏风式打入法的优点在于可减少板状发生屈曲、扭转、倾斜等一系列变形问题的产生,打入精度高,很契合地质结构为砂质黏性土且富含地下水的土体,可以解决该类型土体对桩体垂直度要求高的问题,但在施工时仍需严格控制其斜率。

进行施工时首先在两端插入1根～2根钢板桩,并对插入钢板桩的垂直方向进行严格的控制,之后将其与墙壁进行焊接,剩余的钢板桩按次序分别以1/2或1/3的板桩高度依次打设;按照上述的施工顺序以此进行钢板桩的打入,直到项目完工。采用上述方法,可以防止钢板桩发生过大的倾斜和变形;并减小进给累积的倾角误差(如表1所示),以减少钢板桩的损耗;相邻钢板桩由于分段施打因此不会影响施工。

表1 板桩打设的公差标准

2.2.3 钢板桩的拔除

需先进行拔桩阻力的计算:拔桩阻力F为钢板桩与土的吸附力Fe与上一段钢板桩与土的侧面阻力Fs之和,Fe和Fs的计算公式分别如式(3)与式(4)所示。

Fe=Ulτ

(3)

其中,U为钢板桩的周长;l为钢板桩的长度;τ为钢板桩与各土层吸附力按土层厚度的加权平均值(l范围内)。

Fs=1.2EaBhμ

(4)

其中,Ea为作用在钢板桩上的主动土压力强度,kN/m2;B为钢板桩的宽度,m;H为钢板桩桩顶至坑底的长度,m;μ为钢板桩与土的摩阻阻力系数,取0.30～0.40。

在进行拔桩作业时,必须遵循以下几个步骤:封闭钢板桩墙,拔桩起点距桩角至少相隔5根桩以上的距离,如有需要,可以间隔拔出。通常情况下,拔出的顺序和打桩的顺序是相反的。

3 挂网锚喷支护工艺

对于基坑上方的土壤边坡,可以采取悬挂式锚喷的方式进行支护,并在坡面上进行喷浆。土钉墙支护施工的工艺流程如下:施工准备→开挖→清理边坡→埋设喷射混凝土厚度控制标志→喷射第一层混凝土→安设插筋→安放钢板网→喷射第二层混凝土→喷置排水系统→开挖下一步。

4 实际应用

4.1 工程概况

本工程紧邻某经济开发区工业污水处理厂西侧,位于顺堤河以西,铁路运河以北,道北路以南。目标为建设一座可处理规模为30 000.0 m3/d的污水处理厂,需建设新的事故池1座、初沉池2座、生化池1座。具体数据如表2所示。

表2 新建处理池参数

根据该建设工程勘察程度范围内揭露的地层,可将场地地基土划分为4个工程地质层,其自上而下分别为:杂填土、淤泥、黏质粉土、砂质粉土。场地的地下水上部为孔隙潜水,其动态变化主要受大气降水及河流水位影响。下部主要为赋存淤泥土中上层滞水,勘察测得静止地下水埋深为1.2 m～4.5 m。

4.2 实际施工

4.2.1 成井施工

根据计算,可确定其降水井结构设计要求为:井点井径为705 mm,下入直径为 400 mm/300 mm的水泥砾石滤管,过滤管外覆盖一层300 g/m/m～400 g/m/m的无纺布,在井深范围内填充φ3 mm～φ7 mm的滤料。降潜水井点结构如图3所示。

在现场根据实际情况进行适当的调整按规划好的布局图进行放井位,由于其地层与地下水问题,采用黏土与草编将护口管封闭,以避免在施工过程中出现返浆现象。采用直径为500 mm的钻孔进行钻孔,且需保证井筒内的天然浆液质量浓度在1.10～1.15之间。清孔换浆下井管之后,在填砂之前,将钻杆下到孔底0.25 m～0.45 m,以确保可将钻杆抽出时进行正常的排浆工作且需逐步调节孔内的泥浆质量浓度至1.05,之后按照方案要求进行正常的井口封堵以及进行设备放置工作[3-4]。

在降水运行时确保基坑排水,由于其多为孔隙水与土中滞水,须在基坑开挖前20 d进行排水。

4.2.2 钢板桩支护施工

在正式施工前,需对钢板桩进行检修,由于工期较短,采用一种便捷的检测方式,即对于锁口段的检测,选择长度为2 m的同一尺寸钢板桩,对其进行锁口检查;在保证两边的钢柱平行的同时,还要保证钢板桩的宽度处于同一水平。对其他有缺陷的钢板桩,需进行彻底的检验,并采取相应的措施保证其正常工作。

根据其水文情况以及地质构造,在使用网格法进行打设时,采用将10个～20个板桩成列插入导向架上,形成网眼形状,然后进行击打。将一套板桩在屏风墙的两端打到一定的高度或一定的深度,并对垂直度进行严格的控制,用焊接法将其紧固到横梁上,再在中段依次按1/3或1/2的水平插入。采用单层桁架,以10片～20片钢板桩为一施工区段,将其埋入一定深度,构成一小片屏风墙,之后再进行后续操作,以保证施工的快速与准确性。

在最后拔桩前,为减小土的阻力,应先使用振动锤将板桩锁口振活,之后对桩体采用边振边拔的方式。对于较难拔出的拉森板桩,可用柴油锤将桩振打入100 mm～300 mm,再结合振动锤交替振打、振拔。起重机上载荷的施加应随振动锤的起动保持一致,起重机上的起吊力一般略小于减振器弹簧的压缩极限。为保证顺利施工,供振动锤所使用的电源应是振动锤本身电动机额定功率的1.2倍～2.0倍。对于引拔阻力较大的钢板桩,应采用间歇振动的方法,该方法中,每次振动时间为15 min,且保证振动锤的连续工作时常不超过1.5 h。

5 结论

采用新型封井结构和拉森钢板桩以及配套的打设工艺对工业污水处理厂基坑支护施工项目进行施工,并进行事后总结,可得到如下结论:

1)污水处理厂基坑支护施工工程中所采用的封井结构安全可靠,适宜于此处的砂质黏土地质与富含地下水的水文情况,随着该结构的量化和使用推进了整体基坑施工的进程,有效节省了施工时间,提高了施工效率。

2)屏风式打入法的采用,减少了钢板桩因倾斜不达标导致被拔除的可能性,也因此相应降低了在拔除过程中导致的钢板桩的损耗数量,极大提高了钢板桩的利用率,并且减少了因钢板桩维修而损耗的人力,提高了经济效益。

以上二者在项目中的优异表现,为在砂质黏土与地下水问题的综合影响下的尤其是污水厂的深基坑施工提供了一种新的解决思路。