復(fù)雜地質(zhì)條件下鋼板樁插打施工技術(shù)

王元文，張良君，王池

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000）

目前國內(nèi)外鋼板樁型圍堰發(fā)展迅速，特別是在碼頭、船塢、人工島等工程中應(yīng)用較多，經(jīng)驗相對比較成熟。但河道區(qū)急流中鋼板樁施工在國內(nèi)尚無使用先例。國內(nèi)的鋼板樁圍堰使用主要應(yīng)用于橋墩和房建等深基坑的使用，橋墩施工用圍堰主要是鋼板樁圍堰外側(cè)擋水，房建等深基坑鋼板樁是利用錨索受力擋土，其受力條件與河道急流中鋼板樁擋水圍堰有較大的區(qū)別。對于馬來西亞美里二期供水項目，河床位于水下10 m左右，鋼板樁深度將超過10 m，最深設(shè)計可能達(dá)到24 m，鋼板樁設(shè)計前還需對當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件進(jìn)行勘探，需要結(jié)合地質(zhì)條件、施工條件和施工工期尋找最優(yōu)圍堰設(shè)計方案。

1 工程概況

馬來西亞美里二期供水項目是由沙撈越政府水務(wù)局（簡稱JBALB）投建的一條約16 km的供水管道項目，該項目的主要背景是將Baram河的河水運輸至Bakong儲水站然后連接至美里水廠（簡稱LAKU）凈化后輸送至美里市區(qū)，以滿足美里市區(qū)及周邊地區(qū)到2030年的供水需求。馬來西亞美里二期供水項目過河段沉管主要是穿越Karap河道和Bakong河道2條沉管安裝，其中Karap河道段沉管樁號為DK7+755.13 - DK8+045.37全長290.248 m；Bakong河道段沉管樁號為DK15+133.88 -DK15+309.69全長175.81 m。河底管道鋪設(shè)均采用直徑1 200 mm MSPUL雙管鋪設(shè)，兩管中心間距為2.75 m，預(yù)埋河底2 m以下。由于河底沉管直徑較大，距離較長，每根沉管為10 m，重量為12 t，沉管外側(cè)有混凝土包裹，包裹混凝土厚度要根據(jù)調(diào)試設(shè)計水壓力計算數(shù)據(jù)取得，河底地質(zhì)、河水位、河水流速及施工環(huán)境，溝槽的開挖及回填，設(shè)備的起吊安裝，吊裝運輸，沉管開挖面積較大，開挖完成后整體河寬約260 m，移動平臺的搭設(shè)及管道在推拉過程中容易變形，且管頭容易制動等均屬于該工程的施工難點。詳情見圖1。

圖1 Bakong進(jìn)水口布置圖

由于Karap河航道區(qū)域水流速度較大，最大流速可達(dá)3 m/s，水下沉管下水時最大接觸面積1 140 m2，對水下沉管在下水期間推力較大，如何保證其就位后與設(shè)計中心線偏差不大于3°是需要解決的難題。并且急流深河道管槽開挖深度約3.5 m，開挖坡度為1∶3，開挖工程量巨大，開挖過程中急流對開挖作業(yè)面有嚴(yán)重影響作用，該河流寬度約50 m，重型設(shè)備船舶無法運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，這些都是面臨河底管道開挖回填安裝的施工難題。鑒于此，課題組依托正在承擔(dān)的馬來西亞美里二期供水項目，研發(fā)及應(yīng)用一種便于急流深河道水下沉管快速安裝施工技術(shù)，并緊緊圍繞河底沉管的開挖回填技術(shù)、安裝過程防變形控制技術(shù)等。深入開展相關(guān)技術(shù)理論研究和施工裝備應(yīng)用研發(fā)，從根本上解決當(dāng)前水下沉管施工中的一系列難題，建立一種便于檢修、維護(hù)的急流深河道沉管的快速安裝集成創(chuàng)新施工技術(shù)。

2 鋼板樁插打施工工藝

2.1 插打施工設(shè)備的選用

針對不同鋼板樁施工設(shè)備的應(yīng)用情況，統(tǒng)籌考慮施工規(guī)模、地質(zhì)環(huán)境、施工能力、工作環(huán)境等各種因素，根據(jù)本項目特性，開展侵入式引孔施工實驗。該工程采用了DZJ120A型震動錘為基礎(chǔ)打樁設(shè)備，能夠適應(yīng)工程建設(shè)需要。插入和控制長鋼板樁的，與震動錘相應(yīng)的升降設(shè)備的最大起重能力應(yīng)當(dāng)達(dá)到15 m的最大起重，且起重質(zhì)量不得低于震動錘本身重量和鋼板樁本身重量之和。

2.2 插打施工的操作方法

使用在該橋周圍平臺上的50 t履帶起重機作為插入和打入鋼板樁的起重裝置，并配合DZJ120A振動錘的施工方式，依次引入和打入鋼板樁。在鋼板樁進(jìn)入前，將支架安裝于支撐平臺左右兩個鉆孔樁外側(cè)的鋼殼上，在鋼板樁進(jìn)入時設(shè)置導(dǎo)向支架。支架之間使用I20槽鋼連接，而導(dǎo)向支架則使用I40工字鋼。嵌體鋼樁上的焊接工字梁作為大小里程側(cè)的導(dǎo)向支架，用以調(diào)整鋼板樁的平面尺寸和垂直角度。

2.3 插打施工的工序

為保證每個鋼板樁正確進(jìn)入和打進(jìn)，第一個鋼板樁才是關(guān)鍵。在進(jìn)入和引孔施工之前，在導(dǎo)向架上安裝了一個限位裝置，該裝置比鋼板樁的每側(cè)大1 cm。插入與打入時，鋼板樁背面較靠近導(dǎo)向支架，進(jìn)入時吊鉤慢慢落下。同時為了保證標(biāo)準(zhǔn)鋼板樁的垂直度穩(wěn)定，在彼此垂直的兩個方向上都用全站儀進(jìn)行監(jiān)測，以保證標(biāo)準(zhǔn)鋼板樁的插入準(zhǔn)確與筆直性。在整個施工過程中，每根樁的垂直度都必須一直用全站儀觀測并限制在0.5%之內(nèi)，如有誤差則進(jìn)行微調(diào)；剩下最后的鋼板先插入，然后再打入。如果閉合錯誤，則用反向鏈條拉動以閉合。關(guān)閉后，將其逐個推入設(shè)計深度。鋼板樁移動到設(shè)計高度后，必須立即焊接到導(dǎo)向架上，以承受水流的沖擊。

2.4 圍堰止水

鋼板樁鎖口接頭能否牢固是鋼板樁施工中的一個難題，同時也是主壩能否順利抽水并進(jìn)入下一個步驟的關(guān)鍵因素。所以，很有必要在鋼板樁開挖前期、打樁期間和泵送后對各個過程進(jìn)行控制。鋼板樁收銀機壩的止水效果是衡量收銀機壩成敗的關(guān)鍵。打入鋼板樁前，鎖口必須涂上黃油、罐粉等混合料（重量混合比為瀝青、黃油、滑石粉、鋸末4∶6∶10∶1），以防止鋼板樁漏水。如果從干壩排水時發(fā)現(xiàn)漏水，且閘口不嚴(yán)密，可使用板條、棉毛、麻毛等泵入板堆，或?qū)⒚夯?、鋸末扔進(jìn)漏水處外的水中。如果樁尖滲漏是由于河床的卷邊造成的，則應(yīng)采用水下混凝土底板密封的方法進(jìn)行止水。對于長臂挖掘機的開挖施工，可在輔助噴水和吸泥灌溉達(dá)到-8.1 m高度后進(jìn)行封土混凝土施工。封土混凝土采用C30封土混凝土，厚度0.5 m。如果在水下澆筑下部密封混凝土，則混凝土表面高度減少0.1 m。主壩排水后，在儲水平臺內(nèi)澆筑0.1 m的墊層，鋼板樁內(nèi)必須做一個池坑，防止鋼板樁間輕微漏水影響受拉梁結(jié)構(gòu)。詳情見圖2。

圖2 道路及排水溝規(guī)劃圖

2.5 混凝土澆筑前準(zhǔn)備

由于鉆孔樁和鋼主壩的澆筑時間較長，且鋼護(hù)筒山嵴上和鋼主壩內(nèi)部還存在著其他雜質(zhì)。因此為了保持混凝土和鋼（主壩內(nèi)壁）間的良好黏結(jié)性，在斗前采用了高壓消火栓沖洗，鋼絲刷沖洗等。在基坑底面還敷設(shè)了一個30 cm深的砂礫墊層，以避免在混凝土施工過程中淤泥的滑動和堆積，從而產(chǎn)生了淤泥包裹物或混凝土封層混凝土局部區(qū)域的誤差。提出了鋼箱梁基礎(chǔ)開挖的水下砂吸方法。主壩內(nèi)的明挖土方主要采用挖掘機開挖。挖掘機的臂長22 m。挖掘機不能直接挖掘時，采用人工高壓注水，污水泵將水和土石方吸走。開挖時，每層開挖深度必須按設(shè)計要求開挖，嚴(yán)禁超挖。安裝第一個支架后，挖掘機必須有專人指揮，以防與支架發(fā)生碰撞。第三根柱子安裝后，水再次排出。高性能空氣壓縮機用于水下挖掘，開挖過程中，必須經(jīng)常測量測點，且測點分布均勻。每個測量點必須開挖至設(shè)計標(biāo)高，以防止不完全開挖或過度開挖。采用水下排泥機對主干壩進(jìn)行基礎(chǔ)清理。啟動吸砂機時，注意主壩內(nèi)外水頭的平衡。鋼板樁和灌注樁附近的砂土和泥漿難以抽出。部分水可用高壓水槍抽洗，將砂土吸至張拉梁底部2.5～3.0 m高度。設(shè)計封底1～1.5 m，必須在干壩吸砂整平后進(jìn)行測量。樓層高度必須滿足施工要求，局部高度允許誤差±30 cm，主壩墻和灌注樁墻不得有泥漿。為避免水污染，提取的泥沙通過渣漿泵運至指定地點進(jìn)行處理。最后，在用挖掘機澆筑封土混凝土之前，必須對地板墊層進(jìn)行全面整平處理。

2.6 砼的澆注

由于基層相對較軟，以防止鋼板樁在泵送后向內(nèi)滑動，并防止泵送后底板提升，因此必須進(jìn)行水下混凝土底板密封，并進(jìn)行底板密實混凝土。砼采用空氣泵直接由端澆筑到相對端。而下部的建筑防水砼分層澆筑。每層澆筑厚度限制在30 cm之內(nèi)，而上層砼則采用振搗器澆筑更加密實。上層鋼筋必須在下層鋼筋第一次凝固以前完成。砼澆筑平臺建立在圈柱的底層內(nèi)基礎(chǔ)上，用以確定砼施工過程中的表面平面。高度要按設(shè)計標(biāo)高，及時聯(lián)系實驗室控制混凝土侵入。當(dāng)混凝土澆筑基本完成時，必須在鋼管和鋼管樁和鋼板樁墻中間進(jìn)行高度測量，以保證混凝土表面的高度滿足設(shè)計要求。由于澆筑水下底板時，混凝土表面不能滿足相對平坦表面的要求，混凝土澆筑時，混凝土表面高度必須控制在設(shè)計高度以下約10 cm。當(dāng)砼到達(dá)強度并由自動泵進(jìn)入主壩時，重新澆注10 cm砼墊板。水下砼超過設(shè)計強度后，將水從干壩中引出，并澆注砼墊板。在鋼槽壩抽水過程中，請專業(yè)鋼板樁建筑施工者觀測鋼槽大壩的變形狀況，以保證施工的安全。干壩抽水后，鑿除樁頭，綁扎鋼筋，安裝張拉梁模板，澆筑1.5 m高張梁混凝土。澆筑后注意養(yǎng)護(hù)，及時養(yǎng)護(hù)。

2.7 鋼板樁圍堰變形監(jiān)測

鋼板樁主壩兩側(cè)中心各設(shè)一個監(jiān)測點，內(nèi)支撐的中間各設(shè)一個監(jiān)控點。電子全站儀用來檢測鋼主壩的監(jiān)測點，包括了鋼板樁主壩的垂直度和水平位移，內(nèi)支撐的垂直變形度和水平位移。圍堰檢測次數(shù)：每日一次；每天檢測完畢后，要進(jìn)行匯總和分析測量資料，并繪制相應(yīng)的剖面圖，以反映監(jiān)測結(jié)果。根據(jù)鋼板樁計算的理論容許變形與實測值進(jìn)行比較，可以有效地起到結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的作用。如果兩個設(shè)定值之間的差值大于4 mm，則應(yīng)增加觀測頻率。當(dāng)鋼板樁的累積水平位移達(dá)到50 mm、累積沉降達(dá)到40 mm或沉降率達(dá)到3 mm/d時，應(yīng)及時通知項目部和監(jiān)測單位，及時采取加固措施，以滿足結(jié)構(gòu)安全要求，方可繼續(xù)施工。

2.8 鋼板樁圍堰的拆除

當(dāng)使用路面水泥和墩體水泥（墩身排水溝）后，向主壩內(nèi)澆水，以保持主壩內(nèi)外水頭基本恒定，必須拆除第一層內(nèi)支撐（斜支撐）和圈柱。在支撐下面再做內(nèi)水面，然后切斷各層的內(nèi)支撐，如此循環(huán)拆掉所有內(nèi)支撐。拆掉所有內(nèi)支架和圈柱后，再按照與原堆放次序相反的先后順序分別將其拔除（即用主塊和支撐塊將靠近船首側(cè)的鋼板樁拔出，然后借助河岸將遠(yuǎn)離船首側(cè)的鋼板樁拔出）。而鋼板樁的拆卸方式：先用打樁設(shè)備和拔樁機夾住鋼板的樁頭，振搗至1～2 min，使鋼板樁附近的土層疏松，形成土壤“液化”，從而減少土對樁的摩擦阻力，然后再緩慢拔出。拔樁時要考慮樁機的重量，如很困難或根本不能拔出，就停止拔樁，先向下打一點，再重新拔出，如此操作，樁才能反復(fù)拔出。

3 結(jié)束語

總之，鋼板樁樁基壩內(nèi)鋼桿施工系統(tǒng)具有施工工藝簡便、安全系數(shù)高、可控性強、容易組裝、安裝方便等的優(yōu)點；能明顯減少建設(shè)時間，合理管理和節(jié)省建造成本費用，在工程造價方面也有著突出優(yōu)勢。但經(jīng)過理論分析和實際不難確定，材料控制、行程順序、圈梁式和底支撐結(jié)構(gòu)的合理布置、圍堰止水與變形監(jiān)測，是影響鋼管樁圍堰工程建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在施工過程中，只要正確選材，按照實際狀況合理制定插入和打入的順序，準(zhǔn)確安放外圈柱和內(nèi)支座，做好卡式壩止水措施，并做好變形檢測工作，就可以控制好鋼板樁卡式壩的施工質(zhì)量。最后采用旋挖鉆機引導(dǎo)鉆孔，進(jìn)一步改善地質(zhì)條件，以保證工程的順利施工。