雙排樁在水利工程深基坑支護中的應用

尚曉田 王澤龍

浙江惠川水利工程技術有限公司 浙江 杭州 310000

引言

在項目建設中，深基坑支護施工占據重要地位，對支護體系剛度和施工質量的要求都非常嚴格，如果支護體系剛度不足或是出現質量缺陷，可能引發(fā)基坑支護結構變形或是垮塌等事故，從而對深基坑施工進度和施工安全造成巨大負面影響，雙排樁支護體系具備剛性和抗彎性優(yōu)越等應用優(yōu)勢，將其合理應用于深基坑支護施工，能夠防止深基坑支護結構變形問題的出現，由于當前的水利工程規(guī)模越來越大，在水利工程深基坑支護施工中應用雙排樁支護施工技術是很有必要的。

1 雙排樁支護體系的內容

雙排樁支護技術首次出現于20世紀80年代，其核心內容是將兩排平行的鉆孔灌注樁設置在地基中，這種前后排樁可以依照多種不同的形式開展施工，比如較為常見的梅花樁以及長方形樁。完成灌注樁施工之后，利用剛性連梁將兩排灌注樁進行有效的連接，使得灌注樁呈現出了門字形的結構特征。在具體的施工過程中因為基坑中所包含的不同因素的影響，以及施工現場條件的影響，使得在具體的施工過程中無法將內支撐以及土釘錨桿等相關結構進行有效的實施，在采用單排樁的過程中又無法應對基坑所產生的變形等其他影響，所以選擇了雙排樁進行支護能夠實現較好的支護效果。

如果施工現場的地基地質情況較差，那么可能在基坑深度到達某一臨界點時基坑所受到的變形壓力就會逐漸升高。傳統(tǒng)的施工技術所采用的單排樁無法承受這種基坑變形所帶來的影響，但采用雙排樁之后都有效改善了基坑的支護水平。同時因為雙排支護結構本身具備的永久性特征，使得在進行混凝土灌注時所呈現出的灌注樁數量較多，使得工程的成本造價高于單排樁，通過總結雙排中的主要特點包含以下幾點：

首先，前后排樁能在支付過程中承擔不同的壓力，前排樁承擔的來自土壓力，而后排樁在承擔土壓力的同時還承擔了擊掌以及拉錨作用。其次，雙排支護結構所組成的空間形式，使其能夠應對在動態(tài)變化的載荷施加過程中所呈現出的自我調節(jié)能力，使得支護體系的剛度得到了有效的增強。最后，雙排樁支護結構建立在土拱效應的原理之上，使其在具備較好的支護能力同時對土側壓力的分布產生了一定的改變作用[1]。

2 雙排樁支護的優(yōu)勢

在基坑支護施工過程中較為常用的支護結構包含拉錨式，支撐式，懸臂樁等不同的類型，通過對比，雙排式支護結構具備以下優(yōu)勢：

在使用單排懸臂樁支護結構是為了能夠有效地保證企業(yè)發(fā)揮作用，在施工過程中需要將其嵌入的深度較深，懸臂樁在受到土壓力的作用后，懸臂樁結構會受到樁身變形以及頂坑位移的影響。相比較單排樁雙排樁在承受基坑深度變化的影響中其承受能力更高，不需要對其進行支撐和錨桿便能夠發(fā)揮較好的抵抗位移和變形的能力。

單排懸臂樁結構在面對較為復雜的情況如不能夠對載荷進行有效的估計時，其結構內力不能夠得到有效的調整。雙排樁改善了這種結構使其具備應對不同載荷條件下自我調整結構內力的能力。

單排中對基坑穩(wěn)定性所產生的影響主要來自單排樁可能會出現滑裂面，而雙排樁在結構上解決了產生這種問題的可能性，后排樁所產生的阻擋作用使得基坑的穩(wěn)定性得到了進一步加強。

相比較支撐式支護結構雙排樁因為不需要支撐，所以免去了拆除支撐以及設計支撐的煩瑣工序，在基坑內進行開發(fā)或其他施工流程是不會受到支撐的影響使得工期大大縮短。特別是面對基坑深度較淺，基坑面積較小的基坑時，采用雙排支護結構所產生的造價遠遠低于支撐式支護結構。

從實用性角度來講如果基坑的深度符合標準，但是在基坑施工所對應的工期造價以及施工條件存在不足的情況下，懸臂式雙排樁結構其適用性更好。

首先，相比較錨拉式支撐結構，采用雙排樁支護結構能夠解決錨拉式結構所存在的缺點，其主要體現在錨桿對于已經存在的地下結構或障礙物無法進行有效穿越。其次，在針對特殊地形采用錨桿施工企業(yè)施工風險會顯著提高，如果錨桿施工所對應的土層不能夠滿足企業(yè)施工條件就無法實現有效的錨固力性能。最后，是某些區(qū)域地方性法規(guī)對于支護結構有著清晰的要求，最重要的要求是支護結構不得超出用地紅線，這是選擇雙排樁支護結構的重要原因之一[2]。

3 雙排樁支護體系存在的問題

雙排樁支護結構其具備大量的應用優(yōu)勢但仍然存在一些缺點和應用難點，需要通過技術改進來克服這些問題：

當前國內在開展基坑施工時所采用的雙排樁及深度通常較低，但是在國外較為先進的雙排樁應用過程中已經出現了深度較深的雙排樁技術。在試驗和引進這些技術的過程中發(fā)現該技術的操作性難度較高，對于終身設計時所采用的計算方法不能夠滿足工程正常使用，無法在較大的范圍內使用這種寬深較大的雙排樁技術。我國當前所使用的雙排樁技術間距通常以8倍樁進為主，在計算分析的過程中可以選擇錨拉結構計算方法。但是在具體的應用過程中，國外學者認為這種雙排結構不應當依照單一結構進行分析，需要采用復合分析的方法對兩排樁以及中間填土進行分析計算，當樁體承受外部載荷時板樁墻和填土應當被看作是獨立的兩種外力載荷來源，要對這兩種外力載荷進行單獨的考量以及互相產生的影響。分析計算結果應當顯示出兩者共同作用的狀態(tài)下，雙排樁所產生的抵御側向負載能力的水平[3]。

在進行土壓力計算時依照傳統(tǒng)的朗肯土壓力或庫侖土壓力計算方式所獲得的結果往往超過預期，但對鋼筋進行實測的過程中其應力占比卻呈現出較小的結果。這使得具體施工中出現了較為嚴重的鋼筋浪費現象，更換計算方法后獲得了較為統(tǒng)一的結果，但是當前總體的計算原理以及分析能力仍然有待提高。

在進行樁體位置排序的確定過程中，可以依據雙排樁結構自身的布局特點，確定排距和樁距的數值的過程中，因為無法通過有效的計算公式來進行計算，使得這種施工過程缺乏相應的理論依據。

針對存在豎向錨索的雙排樁支護結構仍然存在較大的應用理論支持，相比較當前使用較為廣泛的懸臂式雙排樁這種豎向的錨索雙排樁支護結構能夠更好地控制變形水平。但是針對雙排樁的研究過程中，對于復合型雙排樁制度結構的研究內容和理論依據仍然較少，特別是針對復合式雙排樁土壓力如何有效分配仍然需要更多的研究[4]。

4 雙排樁施工技術案例分析

4.1 工程簡述

某圍墾工程位于某城市入?？跂|岸，圍墾面積總量約為8973210km2，該建筑的主要內容包含通航建筑物以及擴海堤和水閘。這些建筑物的建筑等級均為一級。該工程包含的北閘擁有10孔×8m以及6孔×8m+16m的水閘各一座[5]。

4.1.1 施工環(huán)境。該工程圍堰與陸地相鄰4km，施工現場的施工環(huán)境較為特殊主要包含以下特點：首先在開展了試驗施工時，其施工環(huán)境位于海上受到海上氣候環(huán)境因素的影響使得月度開工時間只有20d，圍堰所屬的地基為軟地基，地基的主要形態(tài)為超過50m的淤泥土質，這種組織對于地基工程施工有著非常重要的影響。整個圍堰施工周期可能會經歷不低于三個臺風期，為了保證圍堰的安全需要對圍堰進行科學有效的結構設計以保證圍堰能夠度過汛期。圍堰處在施工區(qū)內孤島與陸地距離較遠所以整體施工環(huán)境較為惡劣。

4.1.2 地質條件。該圍墾工程所包含的北閘施工區(qū)域處于江口地帶，該地帶的地質基礎結構屬于沉積形態(tài)，主要以砂性土以及粉粒土為主。因為泥流層的存在使得地基的含水量較高，具備較為豐富的孔隙，同時因為下層包含了深度較大的軟土地基，使得整個地基呈現出較為明顯的流塑性和壓縮性[6]。

4.2 圍堰布置

該工程的北閘圍堰設計為環(huán)形設置，其基坑面積約為150km2，軸線長度為1634m。

主體結構的主要組成形式為浮置式雙排鋼板樁結構，通過兩個土石圍堰來對圍堰兩端和后期海堤進行連接。在進行鋼板樁設置時其間隔設置為38m，通過一條橫隔鋼板樁使得圍堰形成了多個不同的隔艙。該結構的鋼板樁墻所采用的材料為U型冷彎鋼板柱。鋼板樁墻間距為12m內排頂高程為6.600m外排頂高程為7.400m。鋼板樁墻外側包含了拋石鎮(zhèn)壓平臺，平臺頂高程為-0.500m。在進行鋼板樁設置的過程中采用了拉桿對腰梁和鋼板樁連接方式，整體施工流程包含了地基施工，鋼板樁施工鎮(zhèn)壓層以及艙內填土等4個施工流程，需要對施工流程進行質量控制同時，保證其質量符合施工設計要求。在完成圍堰施工之后對圍堰進行了抽水試驗，結果顯示圍堰的滲漏水平處于合理范圍內，其腰梁和樁體所受到的外力作用符合施工設計要求，通過竣工驗收可以投入使用。

圍堰工程的整體施工周期為15個月，與利用傳統(tǒng)施工技術所建設的圍堰施工周期相比較大大縮短了施工總周期，這使得工程的整體效益得到了良好的提升。該工程在投入使用后雖然經過了多個不同的臺風汛期，但整體建筑結構的功能得到了有效的發(fā)揮沒有出現滲漏現象，使得水閘的整體防汛能力得到了良好的體現[7]。

4.3 關鍵技術

該圍墾工程中所包含的圍堰施工是施工內容的重點項目，該施工內容因為其地基水平以及施工環(huán)境較差具備較高的難度。具體的施工過程中工程所涉及的淤泥地基具備較差的承載能力在進行鋼板打樁時存在較大的困難，特別是工程位于孤島之中在進行圍堰時具備較高的安全風險，應當針對這些難點和重點問題進行必要的研究以保證圍堰建設過程中的整體安全。本工程中采用的雙排樁技術具有較高的技術性，因此必須對各環(huán)節(jié)進行嚴格技術要點控制，以下為各環(huán)節(jié)施工技術要點[8]。

4.3.1 吹砂換填加固技術。在進行鋼板樁圍堰施工時所面對的深淤泥地基本身具備較差的承載能力以及較高的含水量，因此在對這種地基進行改良的過程中是通過回填的方法來降低液體的結構受力水平，使得液體自身的垂直度得到了有效的保障。通過對淤泥地基的挖掘來置換具備較好強度的中粗砂，使得地基的承載能力得到了有效的改善，提供了承載能力的同時降低了變形的概率。通過對該工程的分析和研究表明該工廠的地基鐵環(huán)厚度超過了5m，回填區(qū)域距離雙排樁底部的距離為3m距離頂部樁體為6m。該工程的地基換填技術主要集中在海水下方開展施工，施工過程中所涉及的淤泥挖掘以及回淤問題是主要技術難點，為了攻克該技術難點主要采用了以下方法：首先是基礎開發(fā)過程所選用的挖掘方式為分層挖掘，每層挖掘深度不超過兩米發(fā)掘層數設定為三層。在進行置換時為了避免機槽出現淤泥回淤現象，在基礎完成斷面開挖過程之后對其進行了回填工作，回填材料包含粗填和細填兩個步驟[9]。

4.3.2 倉內平臺法。該工程的雙排鋼板樁圍堰施工在施工的過程中面臨著孤島施工，同時距離陸地較遠，施工環(huán)境惡劣的問題。特別是涉及多項海上施工過程容易受到環(huán)境因素影響，大多數海上鋼板樁施工所選擇的設備為船吊震動錘，這種設置在船上的機械設備企業(yè)高度無法與地面高度相比，但是所能夠涉及的作業(yè)范圍比陸地范圍更大。然而受到距離陸地較遠一些孤島施工等物理因素的影響使得施工過程中的材料運輸產生了較大的阻礙，同時施工過程中風浪對施工作業(yè)的精度產生了明顯的影響。如何有效的控制作業(yè)導向是施工過程中的重要難點。為了解決這些問題本案里所選用的鋼板樁施工技術為倉內平臺打設方案。通過在雙排鋼板樁墻之間設置臨時的平臺使得機械設備以及作業(yè)人員能夠在該平臺上開展施工。該平臺所選用的固定長度周轉模式使得完成施工作業(yè)之后，能夠對其進行拆除以及重復利用。在具體的設計過程中還要考慮到施工材料的堆積以及人員設備帶來的載荷所產生的影響，與此同時，還要考慮到在出現海上惡劣天氣時所帶來的震動和豎向沉降影響。在進行平臺立柱樁和聯系梁施工的過程中，立柱樁所選用的材料為無縫鋼管，地柱樁設定的一次性打車平臺長度大約為120m。并采用防滑鋼板來作為各平臺面板。完成后的鋼板樁作業(yè)平臺能夠有效地抵御風浪對企業(yè)帶來的影響，同時使得鋼板樁施工過程的精度水平得到了有效的控制。利用該平臺進行施工能夠有效地保證施工人員的人身安全，也提升了施工作業(yè)效率[10]。

4.3.3 梳齒槽導截流合龍技術。在進行海上鋼板樁圍堰施工的過程中龍口合龍是重要的施工內容，必須要在一個固定的時間內完成施工內容。然而本工程所涉及的基坑規(guī)模較為龐大，在進行龍口合攏時基坑內的對位于海面的潮汐變化無法形成有效的統(tǒng)一，這使得龍口內外側的流速呈現出了較大的增長趨勢。加之高水投帶來的影響使得鋼板樁的打設工作受到了一定程度的抑制。同時環(huán)境的變化會使得龍口地基受到淘刷的影響，使得鋼板樁的入土深度受到抑制。所以最終采用了鋼板樁圍堰導截流方法來降低對工程施工進度的影響。該施工內容主要是在圍堰龍口兩側設置相應的導流措施，使得龍口合龍之前能夠有效地對導流段進行切割，保證其水平與內外側鋼板樁的平均潮位保持統(tǒng)一。該結構有上下兩個部分組成，通過可開鋼板樁上部，實現導流段鋼板樁墻形成梳齒槽過流通道，具體的施工能夠包含以下步驟：首先，要對圍堰的龍口寬度以及位置進行確定，并在該位置上設置合龍倉，同時保證合龍倉兩邊存在導流倉。其次，在打車過程中要保證在導流艙內進行必要的回填作業(yè)流程，并進行腰梁和拉桿的安樁過程。依照導流倉鋼板樁墻以不低于一根的順序進行鋼板樁的設置，保證在具體的高程位置進行導流倉的切割設置工作，在進行鋼板樁上部結構和導流倉切割后，隔開鋼板樁下部構件。通過該施工流程使得導流倉鋼板樁墻具備梳齒槽過流通道[11]。

4.3.4 鋼板樁墻合龍連接技術。鋼板樁圍堰施工本身的設計方式為環(huán)式結構，通過鋼板樁合龍完成最后的操作。但是考慮到圍堰的軸線長度以及施工過程中不可避免的誤差，使得最后合攏過程中的寬度與單根鋼板中的寬度產生不符的問題。為了解決這個問題，當前采用的主要辦法是通過使用異型鋼板樁依據合同寬度來制定異型鋼板樁的寬度，通過該尺寸進行定制并運送到施工現場進行焊接來完成解決方案。但是從工廠運輸到施工現場會受到周期影響以及施工環(huán)境可能對異型鋼板樁產生的誤差，導致施工質量以及成本上升的問題。考慮到本圍堰工程屬于濱海大面積圈圍，這種類型會受到潮汐變換的影響使得龍口處的水位差形成對龍口進行不斷地沖刷，導致龍口圍堰出現安全問題，對龍口合龍質量產生影響。為了解決該問題，施工方選擇了新型的鋼板樁墻合龍技術，該技術的主要施工流程包含以下幾點：首先，在進行鋼板樁打設過程中選擇了依次打設的方式，其目標是保證剩余龍口寬度低于兩倍鋼板樁寬度，同時在打車的過程中對鋼板樁墻的角度進行了一定程度的調整，使得龍口兩側鋼板樁墻間距與兩倍鋼板樁寬度保持統(tǒng)一。其次，在龍口兩側設置合龍樁和尾樁，并保持兩樁依照小角度進行旋轉，同時保持兩樁處于背靠背方向。最后，提起合龍樁和尾樁依照50cm的間距打設螺栓孔，通過螺栓進行連接，將合龍樁和尾樁進行組合形成異型鋼板樁。通過打設使得該異型鋼板樁至設計高程。然后在合龍樁和尾樁下游設置鋼管樁，同時將鋼板樁和鋼管樁周邊進行填充。必要時可以采用沙袋進行輔助[12]。

4.5 工程效益分析

本次案例所涉及的圍墾工程的北閘圍堰選擇了雙排鋼板樁施工技術，這是當前在同類工程項目中較少使用的技術。在具體的文件施工時解決了圍堰地基承載能力不足以及鋼板樁打設難度較高的問題，同時在面對孤島施工過程中所出現的合龍風險，解決了鋼板樁圍堰合龍樁鎖扣合難度較大的難題；通過采用吹沙換田技術，解決了淤泥地基承載力不足的問題，有效地提高了地基的穩(wěn)定性；通過在倉內平臺法施工解決了惡劣環(huán)境下鋼板樁打設難度較高的問題，工程施工中所設置的梳齒槽有效降低了孤島式鋼板圍堰合龍技術的風險；通過改善合龍連接技術解決了合龍樁鎖扣扣合難題?？傊?，綜合運用上述技術，使得該工程在投入使用后獲得了較好的施工效果，將該工程的功能得到有效的發(fā)揮[13]。

5 結束語

以上文章的核心重點是探討雙排樁在水利工程深基坑支護施工中的具體應用，文章以對雙排樁體系的分析為入手點展開論述，繼而比較全面細致地探討了雙排樁體系的優(yōu)缺點及其存在的問題，并以某實際水利項目為參考，深入研究雙排樁施工技術在水利工程中的具體實施，同時梳理了雙排樁施工技術的應用效果，希望能成為同類施工的參考依據。