钢板桩在汉江下游堤防穿堤涵闸深基坑支护中的有效应用

李延春,胡 胜,王义才

(湖北省水利水电规划勘测设计院有限公司,武汉 430070)

0 引言

涵闸是一种位于堤坝内的建筑物,用于引水或泄水,它包括涵洞和水闸等组成部分。通常情况下,涵闸修建在河道或堤坝上,并与堤防和排水蓄水工程相结合,以实现对水流的控制[1]。在施工过程中,涵闸的使用性能受到基坑施工效果和地质条件的直接影响。钢板桩是一种具有锁口的型钢,具有多种截面形状,包括直板形、槽形和Z形等,它具有高强度和良好的防水性能等特点[2]。在汉江下游堤防穿堤涵闸的施工范围内,主要是以砂壤土为主。在这个区域,深基坑的两侧存在密集的地下水管道,由于漏水情况,土体会软化,导致深基坑施工时边坡的稳定性较差[3]。

为确保深基坑的施工安全和边坡的稳定性,本文采用钢板桩进行支护,并研究其支护效果。通过使用钢板桩作为支撑结构,可以增加基坑的稳定性,减少土体滑坡和坍塌的风险,保证施工安全。通过研究钢板桩的支护效果,可以评估其在深基坑工程中的应用性能,并为类似工程提供经验和指导。这对于提高涵闸的建设质量和安全性具有重要意义。

1 钢板桩深基坑支护

1.1 工程概况

根据设计要求,本次郭口闸的孔数仍为2孔,孔口尺寸为3 m×4 m(宽×高)。底板设计高程考虑了老闸底板高程、地形和灌溉要求,最终确定为21.8 m。水闸由外江到内依次包括外江侧进水渠护底护坡、外八字墙消力池、闸室、混凝土箱涵、内八字墙消力池和水渠护底护坡等组成。

具体布置方案如下:闸底板高程与渠底高程齐平,即为21.8 m。闸身总长83.5 m,共分为7节布置,其中闸室段长15 m。闸底板厚度1.2 m,边墩和中墩的厚度均为1 m,顶板厚度0.8 m。闸身采用C25钢筋混凝土,为了防止不均匀沉降,在各节洞身分缝处的底部设置了1 m宽的垫梁,底梁厚度0.6 m。闸底还设有10 cm厚的C15混凝土垫层。

该闸开挖基坑两侧地下水管道密集,且部分管网的建设年代较久,找不到具体的铺设位置,经常发生漏水情况。基坑边坡主要由砂壤土构成,市政管网漏水会导致土体软化和抗剪指标降低,多次出现边坡失稳的危险情况。严重影响工程施工的安全,尤其在工期紧迫、雨季来临和汛期即将到来的情况下,存在一定的安全隐患。

针对工程实际情况,在施工过程中采取了一些临时支护处理措施。这些措施旨在增加基坑边坡的稳定性,确保施工安全。具体的临时支护措施可以根据实际情况选择,如采用钢板桩、土工格栅、喷射混凝土等技术来加固边坡。这些措施将有助于减少土体滑坡和坍塌的风险,保障施工顺利进行。

总之,通过对深基坑进行临时支护处理,可以提高工程施工的安全性和稳定性,应对地下水管漏水引起的土体软化问题,确保工程顺利进行。在实际施工中,应密切监测边坡的变形和地下水位的变化,及时采取必要的安全措施,保障施工人员和工程的安全。

1.2 钢板桩深基坑支护设计

1.2.1 钢板桩布设

为了保证汉江下游堤防穿堤涵闸深基坑开挖的安全,本文采用了钢板桩作为临时支护处理措施。具体措施包括上部放坡、下部钢板桩和钢管对撑的深基坑支护。上部边坡分为两级,一级边坡高程设立了1.5 m宽的马道;二级边坡高程上设立了5 m宽的平台。这样的设置能够提供较好的施工平台和安全通道,便于施工人员进行作业。下部钢板桩采用双排拉尔森III型钢板桩进行支护。钢板桩之间的间距8 m,长度8.5 m。钢板顶部设有HW300×300型钢纵梁,通长布置,并通过自带的锁口相互插接连接,以增加整体的稳定性和强度。

为进一步加固支护结构,采用直径250 mm、壁厚10 cm的钢管进行对撑。钢管之间间距4.5 m,通过钢管对撑可以有效地增加支护结构的刚度和稳定性。

在临水侧还设置了降水井,用于排水,以降低基坑内的地下水位,减少土体软化和失稳的风险。

通过采用上述钢板桩和钢管对撑的临时支护处理措施,能够有效地保证深基坑的开挖安全,并避免边坡失稳的危险情况出现。汉江下游堤防穿堤涵闸深基坑开挖和支护断面如图1所示。这样的支护措施将为施工人员提供安全稳定的工作环境,确保工程顺利进行。

图1 涵闸深基坑开挖及支护断面示意

1.2.2 钢板桩支护施工工艺

钢板桩支护方案确定后,开始进行该支护体系的施工,采用分层开挖的方式完成,施工内容为:分层开挖至30 m平台→钢板桩施打→降水井→基坑开挖至28 m高程→加设纵梁和对撑钢管→基坑开挖至设计高程→基础换填→涵闸结构施工→土方回填至28 m高程→拆除纵梁和对撑钢管→拔出钢板桩→土方回填恢复土坝。施工的详细步骤如下:

步骤1:以设计的边坡比为依据,采用挖掘机进行分层开挖,分层高度3 m上下,开挖至30 m后将其作为钢板桩和涵闸结构的施工平台。

步骤2:利用液压振动机完成钢板桩的施打,并采用两排对称、由下游室至上游室的顺序完成钢板桩施工,同时,在施工过程中,通过人工的方式对钢板桩的垂直度进行校正,判断钢板桩之间的咬合是否紧密[4]。判断完成后,采用轻锤随其进行敲击,当钢板桩入土达到一定深度后,重锤敲击钢板桩,直到其高程满足设计高程为止。

步骤3:在临水侧设立降水井,井深10 m,井底高程20 m,降水井的布设间隔12 m。降水井在设立过程中,利用冲孔桩机成孔,在此基础上放置直径600 mm的钢筋笼,并且表面设立3层过滤网。与此同时,在钢筋笼和井壁之间回填细砾石,将其作为过滤网。

步骤4:涵闸深基坑开挖过程中,安装纵梁和对撑钢管,并在纵梁下方安装托板,间距2.8 m,钢管和纵梁之间通过焊接的方式连接。

步骤5:在平台上进行深基坑开挖后,当开挖深度达到20 m后,利用小型挖掘机完成基坑底部的开挖[5],并且在开挖过程中,须利用抽水泵排除基坑内的水,降低地下水位。

步骤6:基坑开挖至设计高程后,砂壤下部为承载力较高的砂卵石层,为保证基坑的施工效果,将其挖除后,采用石渣进行填筑,厚度1 m;完成填筑后浇筑混凝土垫层对其进行找平[6],在此基础上完成涵闸结构施工。

步骤7:涵闸结构浇筑完成后,测试其施工强度,满足施工标准后,进行土方回填;在回填过程中,主要采用粘土完成,其粘粒含量在10%～25%之间,塑性指数为12～17。在回填时,先对涵闸结构两侧进行回填,回填至设计高程后,通过小型振动碾对回填部分进行压实处理后[7],将纵梁和对撑板拆除;并利用液压振动机依次拔出钢板桩;最后分层回填至坝顶高程,恢复汉江下游堤坝,完成深基坑施工。

2 施工有效性计算与分析

2.1 性能计算方法

钢板桩施工后,其承受的荷载主要包含钢板桩自重、插入土层中时主动土压力和被动土压力,以荷载的基本组合概念,采用安全系数法进行计算,则钢板桩承受的总荷载Fz计算公式为:

Fz=Fg+Ft+Fb

(1)

式中,Fg表示钢板桩自重荷载;Ft表示主动土压力荷载;Fb表示被动土压力荷载。

2.1.1 深基坑内侧抗弯性能和外侧抗弯性能计算

深基坑内侧抗弯性能和外侧抗弯性能采用以下公式:

(2)

(3)

2.1.2 抗倾覆稳定性计算

采用被动土压力和支点力对于钢板桩底弯矩Mp和主动土压力对钢板桩的弯矩Ma的比值,表示抗倾覆安全系数ψs,其计算公式为:

(4)

抗倾覆安全系数能够衡量基坑施工的安全性,按照《建筑基坑工程技术规范》要求,ψs的结果需大于1.2。

2.2 计算结果分析

2.2.1 抗弯性能分析

深基坑内侧抗弯性能和外侧抗弯性能能够决定深基坑边坡的稳定性,获取在不同荷载下,深基坑内侧和外侧最大弯矩处的正应力结果,如表1所示。

表1 深基坑内侧和外侧最大弯矩处的正应力结果

通过对表1中的结果进行分析,可以得出以下结论:采用钢板桩对涵闸深基坑进行支护后,深基坑内侧和外侧大弯矩处的正应力结果均在215 MPa以内,符合规范要求。这意味着采用钢板桩支护可以有效提升深基坑的边坡稳定性。

钢板桩作为一种强度高、防水性能好的材料,能够提供坚固的支撑和保护,有效地抵抗荷载作用和土体侧压力。它能够承受较大的力量,减少土体变形和破坏的风险,从而提高边坡的稳定性。通过采用钢板桩支护,深基坑内侧和外侧的正应力得到有效控制,保持在安全范围内。这意味着钢板桩能够有效地分担荷载,并保持深基坑边坡的稳定性,确保工程的施工安全和长期运行。

采用钢板桩对涵闸深基坑进行支护后,能够提升深基坑的边坡稳定性,确保工程的安全性。然而,在实际应用中,仍需根据具体工程要求和地质条件进行详细的设计和施工方案制定,以确保支护措施的有效性和可靠性。

2.2.2 抗倾覆稳定性分析

获取钢板桩在不同的组合应力下,深基坑的整体稳定性结果,由于篇幅限制,文中随机呈现深基坑10处位置的抗倾覆安全系数结果,如表2所示。

表2 抗倾覆安全系数结果

根据表2的结果分析,可以得出以下结论:在不同大小的组合应力下,采用钢板桩完成涵闸深基坑支护后,深基坑的整体稳定性均在1.2以上,符合规范要求。这意味着深基坑的稳定性良好。

通过采用钢板桩支护,深基坑能够承受不同组合应力的作用,并保持稳定性。钢板桩具有高强度和优异的抗弯性能,能够有效分担土体的荷载,并抵抗土体侧压力的影响。因此,钢板桩的支护系统能够保持深基坑的整体稳定性,防止土体滑动、变形或破坏。

深基坑的稳定性是工程安全的重要保证。通过采用钢板桩支护措施,能够有效地提高深基坑的整体稳定性,减少工程风险,并确保施工和运行的安全。

综上,采用钢板桩完成涵闸深基坑支护后,深基坑的整体稳定性良好,并满足规范要求。这证明了钢板桩支护的有效性,以确保深基坑在各种荷载作用下的稳定性和安全性。

3 结论

汉江下游堤防穿堤涵闸施工时,基坑的开挖深度较大,并且该开挖区域处于砂壤地质环境,导致基坑开挖过程中,基坑边坡稳定性较差,施工安全性较低。因此,本文研究钢板桩在汉江下游堤防穿堤涵闸深基坑支护中的有效应用,对深基坑的开挖进行支护方案设计,通过钢板桩对深基坑边坡的上部分、下部分进行支护,利用钢板桩各个部分之间的紧密结合,保证深基坑开挖的稳定性,避免基坑边坡发生较大变形。