劉興安,劉議安,夏林
(1.中國港灣工程有限責(zé)任公司,北京 100027;2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院,北京 100082)
圍堰防滲墻是指在土木工程建設(shè)中,為建造永久性設(shè)施,通過推填土(或其他材料)形成臨時性圍護(hù)結(jié)構(gòu),在圍堰中通過泥漿護(hù)壁,使用專用機(jī)具自圍堰頂面向下鑿槽(孔),在槽(孔)內(nèi)澆灌混凝土、回填黏土、安裝預(yù)制混凝土構(gòu)件或其他防滲材料等形成連續(xù)的地下墻體。其作用是防止水土進(jìn)入圍堰內(nèi),以便安全地在圍堰內(nèi)排水,開挖基坑,修筑建筑(構(gòu)筑)物,圍堰防滲墻除作為正式建筑(構(gòu)筑)物的一部分外,一般在主體工程結(jié)束后拆除。這種方法廣泛應(yīng)于建筑工程、市政工程、橋梁工程、水利水電工程中,在港口工程中也有應(yīng)用。
圍堰防滲墻的設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)氐墓こ痰刭|(zhì)條件及水文條件,結(jié)合施工結(jié)構(gòu)的要求,進(jìn)行滲流及結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算,確定墻底嵌入基巖或相對不透水層的深度及墻體材料物理力學(xué)指標(biāo),選用防滲墻材料,定位防滲墻軸線位置,設(shè)計(jì)墻厚和防滲墻的連接方式。特殊工程還要在防滲墻內(nèi)埋設(shè)監(jiān)測儀器,及時掌握墻體的受力情況與防滲效果。
主要施工程序?yàn)椋撼刹?、清孔換漿、成孔、驗(yàn)槽、澆筑混凝土、防滲墻質(zhì)量檢查與驗(yàn)收、處理防滲墻段之間的連接。
防滲墻的優(yōu)點(diǎn)主要有:
1) 機(jī)械化程度高,施工速度快、振動及噪音小;2)具有防滲、止水、承重、擋土、防爆等功能,穩(wěn)定性好,有一定抗彎性能;3) 對開挖的地層適應(yīng)性強(qiáng),除巖溶地質(zhì)外,可在各種地質(zhì)條件下應(yīng)用;4) 混凝土施工無需支模及養(yǎng)護(hù);5)通過觸變泥漿護(hù)壁和止水,不會引起水位降低而造成周圍地基沉降。
防滲墻的缺點(diǎn)主要有:
1) 防滲墻之間的墻段接頭質(zhì)量較難控制,往往容易形成結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn);2) 施工技術(shù)要求高,無論是成槽機(jī)械選擇、槽體開挖、澆筑混凝土、接頭、泥漿處理等環(huán)節(jié),均應(yīng)處理好;3) 制漿系統(tǒng)占地較大,管理不善易污染環(huán)境。
斯里蘭卡漢班托塔海港發(fā)展一期工程是政府框架項(xiàng)目,由中國港灣公司總承包,是工期為39個月的EPC項(xiàng)目。施工內(nèi)容包括2個10萬噸級通用碼頭、1個10萬噸級油碼頭、1個工作船碼頭、長311 m東防波堤及988 m西防波堤、1個開挖量為1 260萬m3的港池,港池設(shè)計(jì)水深-16 m以及港機(jī)設(shè)備與其他附屬設(shè)施等。
該港口位于斯里蘭卡南部,瀕臨印度洋,屬熱帶海洋性氣候。無四季之分,只有雨季和旱季的差別,雨季為每年5—7月與9—12月,受季風(fēng)影響,全年降雨量超過1 500 mm。該項(xiàng)目是通過開挖靠近印度洋海邊的一個內(nèi)陸瀉湖連通印度洋形成一個內(nèi)陸大海港。對該區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘察,該區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)由上至下為:湖底淤泥層、黏土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層、中風(fēng)化巖層及微風(fēng)化巖層。在降雨量充沛的、靠近印度洋海邊的瀉湖內(nèi)開挖面積為110萬㎡的大基坑,然后在基坑內(nèi)建造碼頭,開挖港池等。圍堰防滲墻形成的基坑布置如圖1。
在臨海邊的瀉湖中建大海港首先應(yīng)考慮安全,開挖-16 m的深基坑,首要確保基坑不塌方,不因航道炸礁引起的震動潰堤,不因季風(fēng)期大風(fēng)大浪影響施工,要滿足這些條件,根本問題就是要解決基坑的防滲。為保證基坑具有良好的防滲效果,中國港灣公司通過咨詢相關(guān)專家,經(jīng)過多次論證,根據(jù)項(xiàng)目所處的地理位置,氣候環(huán)境及地質(zhì)條件,以及圍堰防滲墻的技術(shù)特點(diǎn),認(rèn)為該項(xiàng)目采用圍堰防滲墻方案施工是科學(xué)的、可行的,主要依據(jù)及積極作用為:
1) 圍堰防滲墻施工技術(shù)在國內(nèi)是比較成熟的施工工藝,在水利水電工程中應(yīng)用廣泛,技術(shù)上是可行的,該項(xiàng)目基坑開挖滲水問題是制約整個項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵,而圍堰防滲墻的防滲系數(shù)可達(dá)到1×10-7cm/s,防水效果明顯;
2) 柔性防滲墻擋土功能好,能適合開挖各種基坑,特別在深大基坑中應(yīng)用較為普遍,穩(wěn)定性好,有一定抗彎性能,在某些基坑開挖中可以不需要放坡施工;
3) 該項(xiàng)目航道炸礁量大,工期長,頻繁大方量炸礁引起的人造地震對港池開挖、碼頭施工有破壞作用,柔性防滲墻具有防爆功能,對該項(xiàng)目的深基坑開挖、碼頭施工具有保護(hù)作用;
4) 根據(jù)該項(xiàng)目的地質(zhì)勘察,該地區(qū)沒有熔巖,大部分都是強(qiáng)風(fēng)化巖。良好的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為低成本、高效率開挖防滲墻槽提供了良好的地質(zhì)條件;
5) 圍堰柔性防滲墻具有的良好防滲效果,為碼頭、港池在大基坑中進(jìn)行干作業(yè)提供了保障,在干作業(yè)條件下施工碼頭、開挖港池可以大大縮短工期、節(jié)約成本、安全、環(huán)境影響相對小、效率高及質(zhì)量更加有保證。
特別需要注意的是,圍堰的穩(wěn)定、安全及防滲效果,是關(guān)系到整個海港工程安全順利施工的關(guān)鍵,因此在項(xiàng)目施工中,非常明確的確定圍堰防滲墻工程是整個項(xiàng)目的生命堰,圍堰的監(jiān)測也就成了該工程的重中之重。
該基坑是在瀉湖中通過推填一個長4 184 m土圍堰,在圍堰中修筑厚40~60 cm防滲墻形成的基坑。圍堰原地面標(biāo)高為-0.5 m,水深1.5 m。設(shè)計(jì)基坑高程為-16 m,邊坡 1∶0.75~1∶6,保留 2級平臺 (-5 m、-10 m),結(jié)構(gòu)坑深-16.5 m,圍堰頂標(biāo)高為+3.5 m,防滲墻的深度隨地質(zhì)而不同,防滲墻需深入強(qiáng)風(fēng)化層1 m,中風(fēng)化0.5 m。圍堰防滲墻施工程序?yàn)椋和铺顕摺拗?dǎo)墻→成槽→泥漿置換→放鋼筋網(wǎng)插管接頭→澆混凝土→拔管接頭。
1) 取土推填瀉湖形成長4 184 m、高+3.5 m、寬10~30 m的封閉圍堰。其作用是防止湖水及湖底淤泥在疏浚時流入基坑施工區(qū)域,為防滲墻施工提供穩(wěn)定的條件,為港池開挖、建造碼頭提供安全的作業(yè)條件。
2) 在圍堰中修筑導(dǎo)墻。導(dǎo)墻的主要作用是作為成槽機(jī)械的施工導(dǎo)向,控制標(biāo)高和鋼筋網(wǎng)定位標(biāo)志,防止槽壁坍塌,支承施工機(jī)械、容蓄泥漿護(hù)壁,起擋土、維持穩(wěn)定液面的作用,在土方開挖時防止連續(xù)墻頂以上的土方坍塌等。在圍堰止水軸線兩側(cè)開挖至設(shè)計(jì)防滲墻上頂標(biāo)高,平整后開挖導(dǎo)墻基礎(chǔ),修筑混凝土導(dǎo)墻,鋪設(shè)枕木與鋼軌,作為施工機(jī)械平臺。
3) 成槽。成槽方法有射漿沖擊成槽、抓斗成槽、沖錘成槽等。成槽工期占防滲墻總工期的60%以上,因此造孔機(jī)械的選型是縮短防滲墻總工期的關(guān)鍵之一。為縮短工期,依據(jù)地質(zhì)勘查資料,本項(xiàng)目適用抓斗成槽方法。
4) 泥漿護(hù)壁及清底。主要作用是護(hù)壁、攜渣、冷卻與潤滑,主要用來護(hù)壁。成槽完成后,需要對槽底進(jìn)行清孔,以提高防滲墻的承載力、抗?jié)B能力及防滲墻質(zhì)量。在清渣時,用泵送優(yōu)質(zhì)泥漿,保證泥漿液面穩(wěn)定,以防塌孔,清底完成后,沉渣厚度須小于10 cm。清底后,槽內(nèi)泥漿指標(biāo)要確保槽底以上0.2~1 m處的泥漿相對密度必須小于1.15,含砂量小于5%。清底后泥漿指標(biāo)達(dá)標(biāo)好壞是水下混凝土成功澆筑的關(guān)鍵因素之一。
5)防滲墻的澆筑。防滲墻混凝土用導(dǎo)管法進(jìn)行澆筑。
防滲墻段之間的接頭采用接頭管法。即前一墻段挖好后,在墻段的末端垂直插入接頭管,然后放入鋼筋籠,澆筑混凝土,待混凝土初凝后,先將接頭管旋轉(zhuǎn)然后拔出,拔管過早會導(dǎo)致混凝土坍塌,過遲會因混凝土固結(jié)而難以拔出。接頭管拔出后,在前一墻段形成半圓形,作為下一墻段的企口,在下一墻段施工時,形成承插接口,起到防滲作用。
防滲墻所用的混凝土一般具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、較高的抗?jié)B標(biāo)號、較低的彈性模量,要求較高的塌落度,良好的和易性,不易離析。塑性混凝土配置強(qiáng)度≥1 MPa,在施工時具體配比通過試驗(yàn)來確定。
在基坑開挖過程中,為了確保基坑安全施工,需對基坑圍堰及防滲墻進(jìn)行監(jiān)測,通過對各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,掌握在不同施工時段及不同施工條件下基坑邊坡、圍堰及防滲墻的穩(wěn)定性和抗?jié)B性,以根據(jù)不斷變化的施工情況調(diào)整施工工藝、工作程序,采取相應(yīng)措施,實(shí)現(xiàn)安全、進(jìn)度、成本、環(huán)保的全面協(xié)調(diào),按期完成該項(xiàng)工作。防滲墻斷面及監(jiān)測管布置見圖2。
4.1.1 表層位移
測量儀器為:水準(zhǔn)儀(型號DSZ2)、高精密全站儀(GDM620M)、標(biāo)尺、棱鏡。
觀察標(biāo)志埋設(shè):表層位移監(jiān)測點(diǎn)采用埋標(biāo)法,監(jiān)測標(biāo)志為不銹鋼高70 mm,埋設(shè)在各級平臺外側(cè),埋設(shè)后測定初值。
測量與保護(hù):垂直位移采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量,觀測精度為1 mm,測點(diǎn)前后高程的變化值即為該點(diǎn)的垂直位移;地表水平位移觀測采用全站儀進(jìn)行觀測,觀測時由基點(diǎn)坐標(biāo)確定測點(diǎn)坐標(biāo),對比每次觀測前后測點(diǎn)的坐標(biāo)變化,計(jì)算出該點(diǎn)的水平位移。同時應(yīng)定期對測點(diǎn)基點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn),以保證準(zhǔn)確性。為防止觀測標(biāo)志被破壞,在標(biāo)志周圍設(shè)置警示標(biāo)志與保護(hù)裝置,保證其安全與數(shù)據(jù)的連續(xù)性。
4.1.2 土體深層水平位移及防滲墻深層水平位移
測量儀器為:測斜儀(型號IC35000)、測斜管(φ70 mm)。
測斜管的安裝及保護(hù):用Dn70 mm帶“+”字導(dǎo)槽的PVC管作為測斜管。在預(yù)定的測斜管埋設(shè)位置,采用地質(zhì)鉆機(jī)在該點(diǎn)鉆孔,進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化1 m,然后將測斜管底部裝上底蓋,逐節(jié)安裝,放入孔內(nèi)。安裝時應(yīng)注意使一對“+”字導(dǎo)槽對準(zhǔn)測試方向,并使上下導(dǎo)槽平順對接。管內(nèi)注入清水,待沉管到孔底時,即向測斜管與孔壁之間的空隙由下而上逐段用砂填實(shí),固定測斜管。用清水將測斜管內(nèi)沖洗干凈,將測頭模型放入測斜管內(nèi),沿導(dǎo)槽上下滑行一遍,以檢查導(dǎo)槽是否通暢,滾輪是否有滑出導(dǎo)槽。注意未確認(rèn)暢通前不得放入真實(shí)測頭。測斜管應(yīng)高出地面0.5 m左右,頂部用管蓋保護(hù)管口,防止雜物落入管內(nèi),四周設(shè)警戒帶,防止人為破壞。
觀測方法:測斜管穩(wěn)定后(約3 d),采用伺服加速度計(jì)式高精密測斜儀進(jìn)行初始觀測,并測量管口坐標(biāo)及高程,初始值可取連續(xù)3次測量無明顯差異的平均值或1次的測量值。
4.1.3 地下水位
測量儀器:水位計(jì)(型號30 m)、水位管。
水位管的安裝與保護(hù):水位管采用Dn53 mmPVC管,下端50 cm水位管為透水段,用Dn6 mm鉆頭鉆6排孔,鉆孔間距為5 cm,呈梅花形布置。埋設(shè)時水位管管底封閉,透水段用無紡進(jìn)行包裝,防止顆粒進(jìn)入,影響觀測效果。首先鉆孔至設(shè)計(jì)水深(孔徑>86 mm),下管前應(yīng)在孔底填10 cm厚的反濾層,然后放入孔底,并將空隙填實(shí)。水位管應(yīng)高出地面0.8 m,保護(hù)同測斜管。
觀測方法:將鋼尺水位計(jì)測頭放入管內(nèi),當(dāng)測頭觸點(diǎn)碰到水面時,接收系統(tǒng)的音響器就會響,讀出鋼尺電纜在管口的深度,即為地下水位離管口的距離。取讀數(shù)穩(wěn)定后至少3 d的水位平均值作為初始值,并測量管口坐標(biāo)及高程。
4.1.4 孔隙水壓力
測量儀器:振弦式孔隙水壓力傳感器、振弦式數(shù)據(jù)采集儀(型號HY-DSY-406A)。
儀器埋設(shè)及保護(hù):孔隙水壓力傳感器在基坑降水前一周埋設(shè),在埋設(shè)之前,將孔隙水壓力傳感器浸泡在水中48 h,以排除傳感器內(nèi)及管路中的空氣,鉆孔后用輸送管將孔隙水壓力傳感器推入土層中預(yù)埋位置,周圍用透水填料回填,層高為0.6~1.0 m,上下兩個孔隙水壓力傳感器之間應(yīng)有高度<1 m的隔水填料分隔,宜先用Dn2 cm的風(fēng)干膨潤球作填料,孔口用隔水填料填實(shí)密封,防止地表水滲入,立即進(jìn)行測讀,檢查傳感器埋設(shè)是否正常。為防止破壞,在孔隙水壓力傳感器埋設(shè)好后,把測試電纜放入專用箱子內(nèi),并保護(hù)好,保護(hù)同水位管。
觀測方法:用振弦式讀數(shù)儀進(jìn)行測量,取讀數(shù)穩(wěn)定后至少3 d的孔壓平均值作為初始值,施工期間應(yīng)每天定時測量。
檢查內(nèi)容包括:圍堰及基坑坡頂及邊坡有無裂縫、滑動、沖刷、滲水、流土、管涌等異?,F(xiàn)象;瀉湖側(cè)與海側(cè)水面有無冒泡、變混或漩渦等異常現(xiàn)象;排水系統(tǒng)是否暢通、護(hù)坡是否完好,滲水量的水量、顏色、渾濁度等有無異常。
圍堰與基坑邊坡的巡視檢查:圍堰在施工期為每周2次,圍堰合龍后抽水、降水初期為每天1次,基坑開挖完畢后,每周1次,汛期增加次數(shù);基坑開挖過程中每周2次,基坑開挖完畢每周1次,汛期高水位時增加次數(shù)。
地下水位及其他監(jiān)測項(xiàng)目(表1)的監(jiān)測頻率:當(dāng)降水及開挖施工和碼頭施工時為1次/d,當(dāng)港池灌水時為2~3次/周。監(jiān)測報警值見表1。
表1 監(jiān)測報警值
在整個監(jiān)測過程中,通過總包、分包與設(shè)計(jì)的相互配合,設(shè)計(jì)科學(xué)、施工合理,監(jiān)測認(rèn)真,確保了基坑開挖的安全。在施工中出現(xiàn)了一些不穩(wěn)定因素,采取了應(yīng)對措施,保證了圍堰施工安全。主要在以下幾個方面:
1)基坑開挖對圍堰的影響。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),基坑開挖對圍堰影響最為明顯,開挖到圍堰附近時,該圍堰的位移變形就大。
2) 斷面深層土體的不穩(wěn)定性。當(dāng)累計(jì)沉降值及深層水平位移觀測值超過設(shè)計(jì)預(yù)警值,該圍堰斷面地面以下8 m與13 m處有比較明顯的突變點(diǎn),發(fā)現(xiàn)該深度存在軟弱夾層,該斷面淺層位移、水位變化較大。
3)斷面存在較厚的軟土層。圍堰某些斷面-11 m處有比較明顯的滑移面,同時該斷面累計(jì)沉降值超過設(shè)計(jì)預(yù)警值,淺層位移量也大,結(jié)合地質(zhì)資料,該斷面附近存在厚的淤泥層。采取拋石換填后,水平位移明顯減緩,加固取得好的效果。
4)裂縫對圍堰的影響。防滲墻兩側(cè)的裂縫在旱季與雨季反復(fù)出現(xiàn),主要原因是防滲墻與土體剛度不同,隨著地下水位的下降土體產(chǎn)生固結(jié),而防滲墻沉降小,在防滲墻上方土體與防滲墻土體產(chǎn)生不均勻沉降,因此出現(xiàn)裂縫。
圍堰內(nèi)外邊坡裂縫主要是由于外部荷載引起土體拉裂,另外雨水加劇裂縫的發(fā)展,對圍堰存在較大安全隱患,項(xiàng)目部采取措施,對外側(cè)邊坡與平臺重新進(jìn)行了修整,確保了圍堰的安全。
從圍堰施工開始至港池注水完畢,整個基坑沒有出現(xiàn)邊坡塌方、滑移現(xiàn)象,在碼頭施工、港池開挖時,圍堰防滲墻的滲水系數(shù)遠(yuǎn)低于1.0×10-7cm/s,防滲墻良好的防滲、擋土效果,確保了整個項(xiàng)目提前3個多月完工,節(jié)約了工程成本。同時在水下炸礁的條件下進(jìn)行港口施工的造價比采用防滲墻技術(shù)形成干作業(yè)環(huán)境下建設(shè)港口的造價要高3~7倍,采用圍堰防滲墻技術(shù)進(jìn)行港口干作業(yè)經(jīng)濟(jì)效益明顯。圍堰防滲墻施工全過程未出現(xiàn)人員傷亡事故,安全成本低。泥漿全部循環(huán)利用,沒有造成水體污染,噪聲控制在容許范圍之內(nèi),環(huán)境保護(hù)取得好的成績。
斯里蘭卡港口工程施工中從未應(yīng)用過圍堰防滲墻技術(shù),也沒有自己的港口工程規(guī)范,一般都采用英國標(biāo)準(zhǔn)。業(yè)主因?qū)叻罎B墻技術(shù)應(yīng)用在該國海港工程的可行性沒有把握,為了規(guī)避風(fēng)險,業(yè)主對圍堰防滲墻單位工程采取總價包干的方式。我國在水利水電等工程中采用防滲墻施工工藝開挖基坑的技術(shù)成熟,國內(nèi)港口工程施工中也有應(yīng)用,國內(nèi)有一套完整的規(guī)范。為了便于項(xiàng)目施工,發(fā)揮自己的技術(shù)優(yōu)勢,同時也為在海外工程推廣中國標(biāo)準(zhǔn),建議業(yè)主在防滲墻單位工程采用中國標(biāo)準(zhǔn),中國標(biāo)準(zhǔn)在某些方面比英國規(guī)范更嚴(yán),業(yè)主對防滲墻工程取得的結(jié)果非常滿意,由開始的不了解中國標(biāo)準(zhǔn)到相信中國標(biāo)準(zhǔn)并在后續(xù)二期開發(fā)中毫不猶豫地繼續(xù)推廣應(yīng)用中國標(biāo)準(zhǔn)。
港池按-16 m設(shè)計(jì)開挖,在基坑開挖過程中圍堰的穩(wěn)定性及防滲效果好,施工進(jìn)度也大為加快。為提高、擴(kuò)大港口的使用功能,業(yè)主要求將-16 m深港池變更到-17 m,將原來水深-16 m油碼頭更改設(shè)計(jì)為-17 m的碼頭,并增加1個-17 m的10萬噸級墩式油碼頭。在不增加防滲墻成本的條件下,大大擴(kuò)展了港口的功能,為業(yè)主節(jié)約了成本,帶來好的收益。這一變更導(dǎo)致工程量大量增加,也給總承包商帶來更多的利潤,體現(xiàn)了合作共贏的經(jīng)營理念。
圍堰防滲墻的施工效果是影響整個工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵。圍堰防滲墻在該港口中防滲效果好,防滲系數(shù)遠(yuǎn)低于1×10-7cm/s,止水效果是非常明顯的;節(jié)約了大量的船機(jī)設(shè)備、材料、人力;港池開挖完工提前了4個月,港口開港提前了3個月,工程取得了成功,得到了多國同仁對采用止水圍堰進(jìn)行內(nèi)挖式干施工方案的認(rèn)可,提高了中國港灣公司在海外的知名度;止水圍堰圍成110萬m2基坑形成的陸上施工的環(huán)境,整個海港工程在干作業(yè)條件下進(jìn)行施工還是港口工程施工中的第一次成功應(yīng)用,也是目前世界上第一個干施工的海港工程;這種干施工港口方案的成功實(shí)施,為陸地干施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn),具有指導(dǎo)意義。
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