钢板桩围堰在小清河倒虹吸施工中的应用

2024-04-23秦敬耀

四川水泥 2024年4期

秦敬耀

（中铁十四局集团第四工程有限公司，山东济南 250002）

0 引言

小清河复航工程总长169.2km，按Ⅲ级航道标准建设，全线共有穿越河道的水利倒虹吸设施11座，均需要拆除重建。倒虹吸设施重建采用土围堰导流施工方案，该方案存在开挖土方工程量较大，土地资源占用量大，征地较为困难，施工周期长，汛期前完成施工难等问题。而钢板桩结构具有质量轻、强度高、锁口紧密、水密性好、施工方便、工期短、工程经济性好、可回收反复使用、绿色环保等优点。公司决定选用钢板桩围堰解决该问题。具体方案采用筑岛土围堰（作为施工平台）+钢板桩和钢管支撑组合围堰施工工艺，通过验算确定钢板桩的长度，同时采取井点降水进行导流[1]。实践证明，该方案解决了大面积导流、征地拆迁难以及施工工期长的问题[2]。本文结合该工程中胡楼干渠倒虹吸的施工对钢板桩围堰的应用进行经验总结。

1 工程概况

小清河复航工程中胡楼干渠倒虹吸位于山东省邹平市，全长433m,2孔2.5×2.5的结构形式，场区地貌类型属黄河冲积平原区，地面高程7.2～17.8m。地下水勘探期间埋深3.1～4.4m，高程13.2～13.4m。通过勘探查明胡楼干渠倒虹吸地质分别为：1-2层杂填土、1-4层淤泥、2层粉质黏土、2-2层粉土、3层粉质黏土、3-3层粉砂、4层粉质黏土、4-2层粉土、5层粉质黏土；勘探期间发现构筑物基础低于地下水位，采用井点降水法进行基坑降水。

2 施工方案及验算

2.1 施工方案

该工程位于河道之中，需开挖7.7m深度的深基坑，为避免单独使用钢板桩围堰而导致发生较大位移变形，围堰漏水增加了排水难度这一问题，将钢板桩和钢管支撑组合使用，同时根据现场的实际情况对钢板桩围堰施工方案进行了设计优化，同时土围堰迎水面采用防渗膜+袋装土防护，施工前先建造筑土围堰施工平台，坡比1∶2.0，并保证场地满足施工机械的进出。

具体的施工流程为：钢板桩的制作→施工围堰填筑→钢板桩的倒运→制作钢板桩的导向架→双排钢管板桩插打→围堰内填土→管井降水→基坑开挖、抽水、封底→涵身结构施工→钢板桩的拔除→另半幅围堰、涵身施工。

2.2 相关工况

该项目采用的钢板桩型号规格为拉森Ⅳ型，其双层间采用M20对拉杆进行稳定，并将钢板桩围堰组合分为五个工况进行分析。工况一为钢板桩基坑深度7.7m，钢板桩15m，高出地面0.5m；工况二为钢板桩基坑深度5.5m，钢板桩12m，高出地面1m；工况三为钢板桩基坑深度2.2m，钢板桩6m，高出地面0.5m；工况四为钢板桩基坑深度6.7m，钢板桩15m，高出地面0.5m；工况五为钢板桩基坑深度6.7m，钢板桩15m，高出地面0.5m。基于安全角度考虑，双层钢板按照一侧填土一侧开挖，外侧钢板一侧有水一侧开挖进行验算。

2.3 支护方案的验算

根据工程实际情况，胡楼干渠倒虹吸施工采用拉森Ⅳ型钢板桩+围檩+钢管内支撑作为围护体系。围檩、斜撑均采用双拼HW400×400×13∕21 型钢，对撑采用Ф529mm×10mm钢管。参考相关文献，对围堰荷载进行分析，并进行稳定性计算。

2.3.1 荷载分析

使用Midas对双层钢板桩的结构强度和稳定性进行计算，双排钢板桩围堰最不利工况为：围堰内抽水至地面线且双排钢板桩之间填土至最高水面线[3]。此时双排钢板桩围堰主要承受围堰外侧的水压力和钢板桩中间填土的主动土压力。

2.3.2 土压力计算

式中：

Pa——主动土压力（kPa），Pa＜0时，取Pa= 0；

γi——计算深度范围内各土层的重度（kN∕m³），地下水位以上取天然重度，以下取浮重度，分别取18kN∕m³、17kN∕m³、19kN∕m³；

hi——各土层的厚度（m），分别取6.7m、0.9m、6.9m；

ka——计算点处土的主动土压力系数，ka=；

c——土层粘聚力，分别取12kPa、15kPa、22kPa；

Pw——计算点处静止水压力强度（kPa）；

γw——水的重度（kN∕m³），取10kN∕m³；

被动土压力计算公式为：

式中：

Pp——计算点处被动土压力强度（kPa），Pp＜0 时，取Pp= 0；

γi——计算点处各土层重度（kN∕m³），地下水位以上取天然重度，地下水位以下取水下重度，分别取18kN∕m³、17kN∕m³、19kN∕m³；

hi——各土层的厚度（m），分别取6.7m、0.9m、6.9m；

ka——计算点处土的主动土压力系数，ka=；

c——土层粘聚力，分别取12kPa、15kPa、22kPa；

Pw——计算点处静止水压力强度（kPa）；

γw——水的重度（kN∕m³），取10kN∕m³；

（1）钢板桩承受围堰内侧填土的主动土压力计算如表1所示。

表1 钢板桩承受围堰内侧填土的主动土压力计算

（2）钢板桩承受围堰内侧土的被动土压力计算如表2所示。

表2 钢板桩承受围堰内侧土的被动土压力计算

2.3.3 钢板桩稳定性计算

根据文献规定，双排桩的嵌固深度应符合下式嵌固稳定性的要求。

式中：

Eak——基坑外侧主动土压力，其标准值为297.7kN；

Epk——基坑内侧被动土压力，其标准值为645.4kN；

aa——基坑外侧主动土压力合力作用点至双排桩底端的距离5.54m；

ap——基坑内侧被动土压力合力作用点至双排桩底端的距离3.55m；

G——钢架梁、钢板桩和桩间土的自重之和（kN），取为350kN；

aG——钢架梁、钢板桩和桩间土的重心至前排桩边缘的水平距离（m），取为1.5m。

经计算得出：

综上所述，钢板桩稳定性满足要求。

2.3.4 基坑围檩及内撑计算

（1）围檩及内斜撑强度计算。

经程序计算，工况一，上游围檩最大支反力为79.9kN；工况二，下游围檩为27.93kN。最大支撑间距取为1m，转化为线荷载为79.9kN∕m、27.93kN∕m，荷载组合分项系数取1.2。采用Midas∕Civil 建立空间整体计算模型，取最不利荷载对其进行验算。构件均采用材料为Q235钢材的梁单元进行模拟。

计算结果表明，围檩最大应力为72.8MPa，小于容许应力215MPa；最大剪应力25.1MPa，小于容许剪应力125MPa；强度满足规范要求。最大相对位移为10.3mm，小于容许位移= 11.25mm。刚度满足规范要求。

（2）围檩稳定性计算。

第二层屈曲模态计算结果：

结构稳定系数为28 大于4，则钢围檩稳定性满足要求。

经过最终的验算，设计的钢板桩围堰基坑整体稳定性、基坑抗倾覆、嵌固深度，钢板桩强度、刚度以及稳定性满足要求。

3 围堰内土方开挖和降水及沉降观测

3.1 降水井布置

基坑采取管井降水+明排抽相结合的方式，降水井沿基坑边坡中部平台布置，管井间距10m，降水井深度15m。

3.2 围堰基坑开挖

降水前，可开挖至地下水位位置，然后进行降水，降水后，开挖至设计标高，钢板桩围堰内土方采用长臂挖机挖除，预留30cm由人工开挖至设计标高；两侧做好排水沟，以备下雨天气及时将明水汇集抽取外排。开挖支护过程中地质信息如有变化或与实际不符，应及时告知检算方重新检算[4]；开挖到位后及时进行基槽检验、垫层施工。