桩基与空箱结构一体化围堰施工技术及应用

2024-03-07张雪冰

中国水能及电气化 2024年2期

张雪冰

(安徽水安建设集团股份有限公司，安徽合肥 230601)

水利工程围堰施工往往面临复杂的地形、地质条件，同时还受到场地、水位变化等因素的约束。传统的重力式围堰为保证其稳定性需要足够的宽度和深度，这种围堰很难在受限狭窄场地中施工建造。并且在深水区域内施工为保持水中稳定性需增大抛投块体的直径和质量，增加了施工的成本和难度。在此工况下，双排桩围堰的桩长往往也不足以达到要求的止水效果和稳定性。因此传统挡水围堰在受限空间和水位大幅变化时很难取得理想的挡水效果。为应对类似情形，需对传统围堰进行改造[1-2]。学者们利用长螺旋钻孔灌注桩、高压旋喷桩、防渗墙与土围堰相结合的多种止水帷幕施工方法对土石围堰相关防渗和止水问题进行了大量探索。为许多工程土石围堰汛期挡水问题提供了借鉴。在围堰渗流方面，水位骤升骤降[3-5]条件下，王旭东等[6]采取施工围堰综合防渗措施设计，在围堰及堰基内采用高压旋喷咬合桩截渗墙止水帷幕，成功解决了高水位条件下的防渗难题。以上学者均对传统的挡水围堰进行了改良和优化，通过灌注桩、高压旋喷桩等综合措施来加固围堰和提升防渗效果。本文在上述方法的基础上，通过工程实践提出了一种双排灌注桩和桩间增设旋喷桩与地下连续墙组合形成的多重防渗体系，既解决了围堰下部防渗问题又保证了围堰上部空箱结构的承载问题，同时灌注桩作为空箱结构的基础与空箱结构连成整体，形成一体化挡水围堰，确保了围堰在不同水位情况下的安全运行。

1 桩基与空箱结构一体化挡水围堰技术

1.1 围堰结构与作用

桩基与空箱结构一体化挡水围堰的平面和剖面布置见图1，围堰由双排桩结构和空箱结构组成，围堰顶高程为31.9m，顶宽为10m。双排桩结构下部由2排φ1.6m钻孔灌注桩和1.4m厚钢筋混凝土承台板组成，上部由2排立墙、立墙间填料、防撞栏及路面结构组成。在灌注桩之间设置φ800高压旋喷桩，形成止水的加固体。双排桩结构与主坝衔接处采用空箱结构，以减少对主坝的开挖破坏，空箱下防渗采用素混凝土防渗墙，厚度为600mm，进入较好隔水层深度不小于2m。路面结构自上而下分别为220mm厚C30素混凝土路面、200mm厚6%水泥稳定碎石基层和200mm厚碎石垫层。

图1 一体化挡水围堰布置

一体化挡水围堰利用双排灌注桩和桩间增设旋喷桩与地下连续墙组合形成多重防渗体系，通过双排灌注桩的刚度和高压旋喷桩的止水加固作用，提升了围堰的承载能力和防渗效果；地下连续墙延长渗径可确保围堰的抗渗稳定性；钢筋混凝土空箱结构可弥补传统围堰刚性不足的问题。

1.2 技术特点与适用范围

该技术在围堰上部采用钢筋混凝土空箱结构，解决了受限空间条件下传统围堰施工不便以及高水头压力作用下围堰刚性不足的问题。另外，双排灌注桩刚度大，承载效果好，采用高压旋喷桩形成止水加固体可同时起到承载与防渗作用。双排灌注桩排间增设地下连续墙延长了渗径，保证了围堰抗渗稳定性。

该技术适用于空间受限条件下，地下水丰富且利用灌注桩作为深基坑垂直开挖支护的工程。对水位大幅变化，围堰堰体刚性要求较高的工程也可适用。

1.3 技术优势及效果

工程应用表明，该技术具有以下优势：

a.防渗效果显著。一体化挡水围堰通过将双排灌注桩与高压旋喷桩、地下连续墙相结合，形成了一种一体化挡水围堰。这种复合式结构可以有效阻断渗流，防渗效果明显。

b.结构稳定性高。一体化挡水围堰结合了双排灌注桩的刚度和高压旋喷桩的强大承载效果，围堰具有较高的稳定性。同时，围堰下部地下连续墙的设置还增加了渗径，进一步提升了渗透稳定性。

c.适用范围广泛。该一体化挡水围堰适用于在受限空间条件下，无法采用传统围堰施工的情况，尤其是在地下水丰富、高低水位交替变化较大的工程中，或对围堰的稳定性和防渗性能要求较高时，展现出显著的优势。

d.施工效率高。该一体化挡水围堰将不同施工工艺有机融合，采用先施工钻孔灌注桩，再施工地连墙，最后施工高压旋喷桩的合理施工顺序，大幅度提高了施工效率。

e.经济效益显著。相对于传统的单一咬合桩施工方法，该一体化挡水围堰可显著降低工程造价。

1.4 技术应用的必要性

在面对高低水位频繁变化等复杂工况时，防渗墙作为该全封闭一体化组合防渗体系中第一道屏障，可使基坑临航道侧渗流由直接穿过防渗墙与灌注桩结合面间隙，变为绕过防渗墙再穿过搭接区域，既增加了渗径，保障了渗流的稳定性，又解决了传统双排桩受动载作用产生渗水缝隙的问题，避免因渗径过短、透水缝隙过大而出现透水流量过大情况。并且，双排桩内部防渗墙顶部高程低于上部混凝土结构物底部高程，不作为综合防渗体系的受力体系，以避免受到上部动静荷载产生裂缝破坏，影响防渗效果。双排桩作为第二道屏障，具有一定的防渗功能，可有效减小中间混凝土防渗墙承受的水头差，防止其产生渗透破坏。第三道屏障即在搭接区域采用高压旋喷注浆进行土体固结，增加了搭接区域即高压旋喷固结区的抗渗稳定性。

2 施工工艺流程及操作要点

2.1 施工工艺流程

桩基与空箱结构一体化挡水围堰施工工艺流程见图2，主要流程包括施工准备、双排灌注桩施工、地下连续墙施工、桩间旋喷桩施工和空箱结构施工五个步骤。

图2 施工工艺流程

2.2 施工操作要点

2.2.1 施工准备

在施工区域进行场地平整，修筑施工平台，面积要满足机械周转需要，场地要坚实，无塌陷。根据工程特点、地质条件情况、工程量大小，结合工期，合理制定并优化施工方案。

2.2.2 双排灌注桩施工

a.测量人员根据设计图纸使用全站仪精确放样桩位，并打入明显标记，孔位中心点经测量放样确定后，以孔位中心点为交点设定十字形保护桩以便进行校核。

b.进行钢护筒埋设(见图3)，钢护筒埋设工作是旋挖钻机施工的开端，钢护筒平面位置与垂直度应准确，钢护筒周围和护筒底脚应紧密，不透水。护筒要高出施工平台300mm，护筒周围要挤密夯实以防松动。

图3 钢护筒的埋设施工

c.钻进、成孔检测。钻机就位时，要事先检查钻机的性能状态是否良好，进行钻机施工前的调试，检查在回转半径范围内是否有障碍物影响回转，钻孔分两序进行，钻进过程中根据机械仪表检测成孔质量是否满足设计要求。钻孔达到设计标高后，对孔径、孔深、倾斜度等进行检测，检测合格后及时进行清孔。

d.钢筋笼下放。钢筋笼在钢筋厂内分节制作完成后，宜采用吊车、平板车辅以人工运输至桩基现场。下放钢筋笼时对准孔位轻放、慢放，由专人引导并居于孔中心，缓慢下至设计深度(见图4)，避免钢筋笼卡住或碰撞孔壁。将钢筋笼子固定后，再次取样测定泥浆比重，合格后方可进行下道工序。

图4 钢筋笼的下放

e.混凝土浇筑。混凝土浇筑前，需进行导管下设，导管在使用前应进行水密试验，合格后方可使用。导管安装完毕后，经测深、检查孔径及沉淀物均符合要求后，即进行水下混凝土灌注。首盘混凝土灌注量依据孔深、孔径和导管内径计算得出，灌注必须连续进行，不得中断，导管第一次埋入混凝土灌注面以下深度不应小于1m；提升导管时，不能摇动，要维持孔内静水状态，要保证导管底部埋入混凝土2～6m，混凝土浇筑面上升速度不小于2m/h。灌注桩浇筑时应高出设计0.5～1m。

2.2.3 地下连续墙施工

a.导墙修筑。导墙采用钢筋混凝土结构，导墙净宽比地下连续墙厚度多40mm，采用机械挖土和人工修整相结合的方法开挖导墙沟槽，挖土标高由人工修整控制，严禁超挖。导墙施工完成后，按规范要求划分槽段，将槽段连续编号，并分为两序，奇数序号为I序，偶数序号为Ⅱ序。

b.地下连续墙成槽施工。依照预先设定的成槽顺序进行施工，先施工I序槽，再施工Ⅱ序槽，跳槽分段作业，采用液压抓斗“三抓法”成槽。

c.混凝土浇筑，开挖至设计标高后，及时检查槽深、槽宽和垂直度、浆液性能，合格后方可进行混凝土浇筑。混凝土浇筑前，先在导管内注入适量的水泥砂浆，并准备好足够数量的混凝土，以使导管中的球塞被挤出后，能将导管底部埋入混凝土内，混凝土连续浇筑，槽孔内混凝土面上升速度不小于2m/h，并连续上升至设计高程顶面。

2.2.4 桩间旋喷桩施工

a.根据基线控制点和高程点、桩位平面图及现场基准水准点，使用GPS进行桩位放样，并打入明显标记，桩位放样应确保准确无误，定位精度在50mm以内。

b.钻机造孔。采用地质钻机进行钻孔施工，钻孔孔径大于喷射管外径20mm，钻孔前需要校核钻杆垂直度，利用铅锤吊线的方法检查钻杆是否垂直，要求垂直度偏差不超过1%。钻孔分两序进行，钻孔有效深度应超过设计深度0.3m。

c.制浆、喷射。采用42.5级普通硅酸盐水泥，高速搅拌机搅拌时间不小于30s，普通搅拌机搅拌时间不小于3min。浆液在使用前应过筛，从制备至用完的时间宜小于4h，在储浆桶内安装低速搅拌轴搅拌，防止水泥浆沉淀。高压旋喷下喷射管前先进行地面试喷，检查机械及管路运行情况，并调准喷射方向和旋转方向。喷射作业完成后，应利用回浆或水泥浆及时回灌，直至孔口浆面不再下降为止。

2.2.5 空箱结构施工

a.双排灌注桩桩头破除、空箱底板施工前，桩检合格后需将双排桩桩头破除，将桩头钢筋与空箱底板钢筋连为一体(见图5)，灌注桩上接空箱结构形成一体化围堰。

图5 空箱底板钢筋的铺设

b.模板与钢筋安装。底板外模可采用1500mm×1200mm钢平模，内模采用600mm×600mm标准倒角模板，钢模面板厚4mm。空箱墙身，外模采用3000mm×2100mm钢平模，内模主要采用1500mm×750mm钢平模，钢模面板厚4mm。钢筋在内场加工成型，现场绑扎定位，上、下层钢筋片间用工字形钢筋支撑，支撑与上、下层钢筋网片点焊，以确保网片之间的尺寸。下层钢筋网片垫混凝土垫块，垫块强度不低于底板混凝土，支撑间距不应大于1.5m。为加快施工进度，直径16mm以下的钢筋采用搭接，直径25mm、28mm钢筋采用直螺纹连接，其他需要焊接的钢筋可现场焊接。

c.止水带及预埋件安装。施工人员严格按测量放点进行止水带安装，止水带安装与模板支立同时进行。在混凝土浇筑过程中设专人看护止水带，保证止水带在混凝土浇筑过程中不变形，不损坏，对施工过程中暴露在外面的止水带用木盒进行保护。预埋件加工严格按各浇筑分块或分段的预埋件要求进行加工，预埋件安装时采取必要的架立措施，保证预埋件固定牢靠，在混凝土浇筑过程中设专人看护预埋件。

d.混凝土浇筑与养护。空箱结构分三次浇筑成型，第一次浇筑底板和立墙倒角，第二次浇筑空箱墙身，第三次浇筑围堰空箱顶板和剩余墙身。混凝土浇筑采用阶梯浇筑法，严格分层，层厚30cm，条宽4m。混凝土浇筑完毕后12～18h内开始采用喷淋法养护至规定时间，养护期间用土工布覆盖保湿。

3 应用实例与效果分析

3.1 工程概况

淮河航道临淮岗复线船闸，位于安徽省六安市霍邱县临淮岗乡。淮河航道临淮岗复线船闸施工围堰体系包括退建城西湖蓄洪堤围堰、上游全年围堰、下游全年纵向围堰、下游全年横向围堰、下游枯水围堰。

上、下游全年围堰及主基坑帷幕系统构成了主基坑支护及止水体系。上游全年围堰顶宽4～8m，下游全年围堰顶宽10m，围堰体系中除下游纵向围堰外，其余围堰均为土围堰。该工程围堰施工导流特征值见表1。

表1 施工导流围堰特征值

该工程下游左岸纵向全年围堰为空箱围堰(即一体化围堰)，施工期间兼有基坑开挖防渗与县道交通导流双重作用，后期兼有一线船闸与复线船闸分隔堤的作用，下游左岸纵向全年围堰剖面见图6。该围堰为永临结合结构，工程竣工后下游纵向围堰保留，作为一线船闸和复线船闸之间的隔流墙。

图6 左岸纵向全年围堰布置剖面(尺寸单位：mm)

3.2 社会与环保效益

图7为一体化挡水围堰在临淮岗复线船闸的施工过程，该技术施工工业化程度高，工艺先进，工效高，加快了施工进度，缩短了施工工期。按照合理的顺序进行流水施工，避免了机械设备反复移动或拆除桩基，便于土方开挖、减少施工便道修筑，节约了成本。同时，灌注桩结合高压旋喷桩与地下连续墙组合的下部围堰结构所需空间较小，不需要大开挖，对周围建筑物的安全及使用的影响较小。本工法充分利用三种基础处理方式的不同性能以及施工的先后顺序，加快了施工进度，缩短了施工时间，降低了施工对周边环境的影响程度，具有较高的社会效益和环保效益。

图7 一体化挡水围堰应用于临淮岗复线船闸

3.3 经济效益分析

空箱围堰下部采用灌注桩结合高压旋喷与混凝土防渗墙的防渗与承载体系，较传统单一的咬合桩在施工进度、防渗可靠性、施工安全性上有明显优势。依次进行钻孔灌注桩、混凝土防渗墙、高压旋喷桩的施工，在有限的施工作业面上，实现了灌注桩、混凝土防渗墙、高压旋喷桩流水作业，加快了施工进度，提高了施工工效，降低了施工总成本。该工程若采用传统咬合桩需20.7m素桩134根，23m素桩12根，共计素桩长3049.8m，所需费用为3049.8m×2756.08元/m=840.55万元。与传统咬合桩的施工方法相比，淮河航道临淮岗复线船闸工程采用该一体化挡水围堰施工后，需高压旋喷桩深度3185.7m，费用为3185.7m×402.78元/m=128.31万元；导梁144.6m，费用为144.6m×2152.07元/m=31.12万元；混凝土防渗墙144.6m所需混凝土量1252.8m3，费用为1252.8m3×1939.97元/m3=243.03万元；共计费用402.54万元，其经济效益对比分析见图8。