軟土溝槽鋼板樁支護(hù)施工質(zhì)量影響因素及對策

先亮

(1.山東臨沂水利工程總公司，山東 臨沂 276000； 2.臨沂市園林科學(xué)研究院，山東 臨沂 276000； 3.臨沂市沂蒙湖開發(fā)中心，山東 臨沂 276000)

1 工程概況

青龍河為臨沂老城區(qū)護(hù)城河，從北涑河2號景觀水閘右岸上游100m處引出，自西北向東南蜿蜒8.5km貫穿臨沂蘭山城區(qū)，包含開敞河道、半開敞河道、社區(qū)內(nèi)河、涵洞暗河等四種河道類型。上游河道寬度4～20m，兩岸為重力式直立砌石護(hù)岸，有一半的河道岸線被沿河居民房屋侵占，為標(biāo)準(zhǔn)的老城區(qū)內(nèi)河。青龍河在城區(qū)東南部流入小埠東干渠，匯水面積11km2，為臨沂城東區(qū)主要雨、污水排放通道，水生態(tài)狀況一直不容樂觀。

2016年臨沂市中心城區(qū)水環(huán)境綜合整治工程確定了對青龍河綜合治理內(nèi)容，沿河建設(shè)西關(guān)老社區(qū)、新東關(guān)社區(qū)、金壇小區(qū)、金壇社區(qū)、埠東社區(qū)及東方紅游園、紅色廣場等(見圖1)。設(shè)計(jì)主題思路為在河底新鋪設(shè)DN1400截污主管道，兩岸入河污水、合流管網(wǎng)污水匯入污水截流井再流入新建截污主管道，由主管道連通下游小埠東干渠污水管進(jìn)入污水處理廠。

圖1 青龍河節(jié)點(diǎn)分布示意

2 施工情況

由于老城區(qū)設(shè)計(jì)管位地質(zhì)條件復(fù)雜，地下多種管線交錯(cuò)且無準(zhǔn)確的物探資料，青龍河河道整治工程施工建設(shè)指揮部決定先期進(jìn)行青龍河下游五號路橋(樁號7+390)至末端小埠東灌區(qū)(樁號8+026段)636m試驗(yàn)段施工，借以了解地下市政管線和老污水管道的客觀情況，為整條河道科學(xué)整治總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。試驗(yàn)段以上河段由指揮部組織相關(guān)專家，結(jié)合試驗(yàn)段施工經(jīng)驗(yàn)及上游物探成果，對城中村段、涵洞暗河等困難段進(jìn)行設(shè)計(jì)方案論證，優(yōu)化設(shè)計(jì)后組織實(shí)施。試驗(yàn)段河底管道鋪設(shè)采用開槽埋管施工，管槽基礎(chǔ)寬度1.9m，基坑底標(biāo)高59.30～59.02m，開挖深度3.0～3.5m，受地質(zhì)條件和兩岸岸墻限制，管道溝槽施工需要支護(hù)開挖，采用普通鋼板樁支護(hù)(見下頁圖2)，單樁樁長6.0m，嵌固深度大于2m。

2016年4月，經(jīng)指揮部專題研究，為保證管道安裝質(zhì)量及基坑作業(yè)安全，考慮到實(shí)驗(yàn)段原為老河道切灘地，河道底部淤泥積累較厚、河岸已無施工工作面等限制因素，特將鋼板樁工序列為關(guān)鍵檢驗(yàn)批，制定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為：逐項(xiàng)應(yīng)有 90% 以上合格率，且不合格點(diǎn)不應(yīng)集中。

施工項(xiàng)目部通過施工現(xiàn)場實(shí)測，管槽開挖深度為3.0～3.5m范圍內(nèi)，地下水豐富，淤泥質(zhì)土層較厚，且大部分管槽開挖邊線緊鄰河道3.8m高駁岸墻底。基坑支護(hù)鋼板樁體將承受較大的地面荷載、水壓力、土壓力、傾覆力及基礎(chǔ)浮托力，施工難度大，成樁合格率較難保證。項(xiàng)目部采用系統(tǒng)抽樣法抽檢普通鋼板樁工序施工質(zhì)量，鋼板樁塑性變形造成傾覆、扭曲、滲漏及涌砂現(xiàn)象，從調(diào)查情況來看，鋼板樁質(zhì)量評定平均合格率僅為85.3%。

圖2 駁岸內(nèi)管道溝槽圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (單位：mm)

3 要因分析

為了找準(zhǔn)青龍河工程駁岸墻底基坑支護(hù)鋼板樁一次成樁合格率低的癥結(jié)，項(xiàng)目部針對施工完成的75根一次檢驗(yàn)不合格鋼板樁按質(zhì)量缺陷分層統(tǒng)計(jì)，并繪制影響要素排列圖(見圖3)。

圖3 普通鋼板樁質(zhì)量影響要素排列

經(jīng)分析，樁身塑性變形的不合格頻數(shù)最高，共計(jì)55件，占不合格品總數(shù)的73.3%，是造成青龍河綜合整治工程駁岸墻底基坑支護(hù)不合格的主要因素。

為解決支護(hù)鋼板樁一次成樁合格率低的問題，指揮部組織技術(shù)人員分別到青島、蘇州、濟(jì)南的鋼板樁廠家和施工工地進(jìn)行專題調(diào)查。經(jīng)調(diào)研，青島市循環(huán)水廠管網(wǎng)工程、汾河?xùn)|岸地下管廊工程基礎(chǔ)均為河道灘涂沉積層地質(zhì)，現(xiàn)場類似于青龍河施工現(xiàn)場，管槽周邊存在房屋或橋墩等建筑物，荷載在100kPa以上，大于青龍河工程周邊綜合荷載75kPa。兩項(xiàng)工程均采用鋼板樁作為基坑支護(hù)樁(見圖4、圖5)，一次成樁檢驗(yàn)合格率一直控制在90%以上。

圖4 青島市循環(huán)水廠管網(wǎng)工程

圖5 汾河?xùn)|岸地下管廊工程

經(jīng)對比分析，項(xiàng)目部一致認(rèn)為，需要結(jié)合青龍河工程中駁岸墻底軟土基坑鋼板樁施工的客觀情況，對試驗(yàn)段的支護(hù)方式和支護(hù)鋼板樁進(jìn)行優(yōu)化分析和變更，實(shí)現(xiàn)一次成樁合格率由85.1%提高到90%。

指揮部組織相關(guān)技術(shù)人員，對“樁身塑性變形”展開分析討論，共收集9個(gè)末端因素：樁體寬度不規(guī)格、槽鋼抗彎剛度不足、平直型鎖口受干擾漏縫、振動逐根法工序不合理、未提前降水導(dǎo)致水壓過高、操作規(guī)程未交底培訓(xùn)、質(zhì)檢人員管理不到位、基礎(chǔ)回彈變形、瞬時(shí)激振力過高。通過對末端因素逐一分析，最終確定導(dǎo)致“樁身塑性變形”的三個(gè)主要原因?yàn)椋翰垆摽箯潉偠炔蛔恪⒅边呅玩i口受干擾漏縫和鋼板樁基礎(chǔ)回彈變形。

3.1 槽鋼抗彎剛度不足

施工項(xiàng)目部根據(jù)實(shí)際地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)，對板樁最大彎矩和板樁材料的容許應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

經(jīng)計(jì)算樁體承受的最大彎矩為262.99kN·m/m，發(fā)生于樁頂下3.55m。40C槽鋼最大彎矩和板樁材料的容許應(yīng)力，一般取[f]=120N/mm2。

經(jīng)計(jì)算該項(xiàng)目樁體承受最大應(yīng)力為196.26N/mm2，承受應(yīng)力超過了40C槽鋼容許應(yīng)力，因此樁體產(chǎn)生塑性變形。

3.2 直邊型鎖口受干擾漏縫

鋼板樁通常依托不同鎖口連接形成一個(gè)封閉的板樁結(jié)構(gòu)，水流只能通過鎖口縫隙進(jìn)入圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部。在正常施工情況下，施工質(zhì)量有保證，鎖扣閉合，不會開叉漏縫，滲流量不大，不需要進(jìn)行專門止水處理。青龍河施工現(xiàn)場使用的是普通直邊鋼板樁支護(hù)，受地質(zhì)情況和施工工藝的影響，成品鋼板樁的連續(xù)性和防滲性都不理想。項(xiàng)目部對55根因樁身塑性變形造成的不合格樁進(jìn)行現(xiàn)場檢查，為單獨(dú)驗(yàn)證直邊型鎖口影響，排除其他因素干擾，從樁身垂直度合格樁(傾斜度不大于1%)中取樣調(diào)查，統(tǒng)計(jì)滲透系數(shù)超標(biāo)樁數(shù)量，僅因平直型鎖口開裂導(dǎo)致塑性變形達(dá)到10根，偏差2～8cm，超標(biāo)18.2%。

因鋼板樁漏縫導(dǎo)致溝槽內(nèi)滲水嚴(yán)重，降排水費(fèi)用增加，同時(shí)也增加了滲水產(chǎn)生的不安全因素，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。經(jīng)分析，鋼板樁滲透系數(shù)超標(biāo)的主要原因是直邊鎖口的不均勻咬合，需要結(jié)合新的板材改變鎖口形式，實(shí)現(xiàn)止水和提高剛度的目的。

3.3 鋼板樁基礎(chǔ)回彈變形

施工項(xiàng)目部通過基底監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)基坑基底最大隆值達(dá)55cm，日隆起值達(dá)14cm?；又苓叺乇沓两底畲笾?9cm，最大日沉降值4cm，最大特征值集中于靠近岸墻附近。

項(xiàng)目部結(jié)合地質(zhì)勘測資料及基底檢測值，針對施工現(xiàn)場墻底抗隆起系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步確定需要加固的基礎(chǔ)范圍。經(jīng)計(jì)算現(xiàn)場實(shí)際KL=1.42，略大于設(shè)計(jì)規(guī)范要求安全系數(shù)1.4，只需要在溝槽距離駁岸不超過1倍基坑開挖深度范圍內(nèi)，進(jìn)行基坑坑底加固，以提高鋼板樁基礎(chǔ)抗隆起安全系數(shù)。

4 對策制定

4.1 針對槽鋼抗彎剛度不足問題，更換容許應(yīng)力更高的鋼板樁

針對本過程現(xiàn)場實(shí)際樁體承受最大應(yīng)力為196.26 N/mm2，選用SP-Ⅳ型號鋼板樁，其容許應(yīng)力[f]=200N/mm2>196.26N/mm2。

4.2 針對直邊型鎖口易受干擾漏縫問題，制定改變鎖口形式的對策

通過對施工常用的U型、Z型、鋼管型、H型四種鎖口型式的鋼板樁樁機(jī)配型、基坑型式、現(xiàn)場空間、工期要求、適用條件五個(gè)方面綜合分析，選定采用U型鋼板樁套型鎖口(見圖6、圖7)。

圖6 變更前平直型鎖口

圖7 變更后U型鎖口

對普通槽鋼板樁改造后的U型拉森鋼板樁是帶鎖口的高強(qiáng)度鋼材,依靠鎖口互相咬合形成封閉的鋼板樁墻,適合在水中及地下水位以下防滲。其鎖口形狀為U形,抗彎強(qiáng)度高，施工簡便快捷,適用于軟弱地層及地下水豐富的地區(qū)。由于鎖口處接合緊密,解決了用其他方法施工支護(hù)防滲墻時(shí)接合部位易開叉漏縫的問題,可防止較大的地下水滲漏。通過試坑法測定變更后U型鋼板樁鎖口最大滲透系數(shù)為8.5×10-8m/s。

4.3 針對基礎(chǔ)回彈變形問題，制定雙液灌漿加固對策

基礎(chǔ)雙液化學(xué)灌漿通過對飽和性質(zhì)的雜填土、淤泥、粉砂、中粗砂以及卵石的補(bǔ)強(qiáng)加固效應(yīng)，加固漿液在壓力作用下向鉆孔周圍土體中發(fā)生滲透、劈裂擴(kuò)撒。漿液包裹泥土團(tuán)，土體間的孔隙、裂隙被水泥顆粒填充，水泥中的硅酸二鈣發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣。氫氧化鈣與灌漿水玻璃發(fā)生反應(yīng)，生成細(xì)分散狀的水化硅酸鈣凝膠體。凝固后形成強(qiáng)度較高、水穩(wěn)定性較好的水泥結(jié)石體，從而使地基擠密，固結(jié)強(qiáng)度增高，避免地基隆起現(xiàn)象。雙液灌漿處理后基底隆起基本停止，地表日沉降值降低至1～3cm內(nèi)。

5 效益評估

按照制定的對策、措施和市場費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目部對實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)制定的對策進(jìn)行效益評估。通過施工費(fèi)用測算，減少造價(jià)6項(xiàng)：駁岸拆除恢復(fù)、樁圍檁及支撐、鋼筋混凝土板樁、40C槽鋼鋼板樁、混凝土傳力帶和排水臺班費(fèi)，合計(jì)減少造價(jià)1309417.91元；增加造價(jià)2項(xiàng)：6.0m拉森鋼板樁和12.0m拉森鋼板樁，合計(jì)增加造價(jià)1048537.5元。對策措施實(shí)施后可減少施工投資260880.41元。詳見下表。

青龍河溝槽支護(hù)636m試驗(yàn)段經(jīng)濟(jì)效益分析表

6 實(shí)施效果檢測

為驗(yàn)證改進(jìn)措施后鋼板樁施工質(zhì)量整體效果，2016年9月，施工項(xiàng)目部連續(xù)對四個(gè)檢驗(yàn)批鋼板樁一次成樁合格率進(jìn)行現(xiàn)場跟蹤調(diào)查。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，對策全部完成以后鋼板樁一次成樁合格率達(dá)到90%以上，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

7 結(jié) 論

施工項(xiàng)目部通過對鋼板樁支護(hù)質(zhì)量影響因素分析，采用切實(shí)可行的應(yīng)對措施，有效提高了臨沂市青龍河綜合整治工程中駁岸墻底軟土基坑鋼板樁一次成樁合格率，確保工程安全有序施工，縮短了施工工期，同時(shí)節(jié)省工程投資26.09萬元，為青龍河后期上游河段的施工及今后同類型工程管槽開挖支護(hù)提供可借鑒的實(shí)踐性案例。