潮汐環(huán)境下“8 字型”復(fù)合鋼圍堰止水技術(shù)研究

段木子 侯照保 向海岳 盧德輝 邢岳岳

1.廣州市市政集團(tuán)有限公司 510060

2.廣州建筑股份有限公司 510030

引言

鋼圍堰為水中承臺(tái)深基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)中常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，鋼圍堰主要包含：鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰、雙壁鋼套箱圍堰、單壁鋼套箱圍堰、鋼吊箱等。其中，鋼管樁與鋼板樁圍堰是應(yīng)用最為廣泛的圍堰形式［1］。水中承臺(tái)圍堰最大的作用就是給承臺(tái)施工提供一個(gè)干作業(yè)面，便于施工的開展，因此，對(duì)于鋼圍堰而言，圍堰的止水是關(guān)鍵。行業(yè)內(nèi)對(duì)鋼圍堰的止水施工技術(shù)的研究也比較多，孫國光驗(yàn)證了無內(nèi)置雙壁鎖口鋼套箱圍堰止水的止水效果［2］，代建兵開展了深水基礎(chǔ)施工鎖口鋼管樁圍堰的止水試驗(yàn)研究［3］，寧曉冬等提出壁體下安裝止水膠墊［4］，與底板接縫內(nèi)灌注M30 混凝土砂漿進(jìn)行封堵的方法，實(shí)現(xiàn)鋼壁體與混凝土底板間的止水密封。但是，對(duì)復(fù)合鋼圍堰的止水措施研究目前尚不多見。本文結(jié)合潮汐變化顯著、深水基礎(chǔ)施工的工程實(shí)際現(xiàn)狀，對(duì)鋼管樁、鋼板樁組成的“8 字形”復(fù)合鋼圍堰的止水施工技術(shù)進(jìn)行分析與研究，為同類型項(xiàng)目施工提供參考和指導(dǎo)。

1 工程概況

東曉南路-廣州南站連接線南段工程第一標(biāo)段，全長3347.51m，橋梁結(jié)構(gòu)采用分幅設(shè)計(jì)，大石水道主橋采用（73 +125 +67）m 連續(xù)梁上跨Ⅳ級(jí)航道大石水道河。其中，9#軸、10#軸共計(jì)24根樁基、4 座承臺(tái)處于大石水道河道內(nèi)，本項(xiàng)目圍堰屬于集近鄰過河水管、軟弱地質(zhì)條件、潮汐影響明顯、深水基礎(chǔ)等復(fù)雜條件下的圍堰，圍堰設(shè)計(jì)深度14.438m，橋梁設(shè)計(jì)位置下部有東鄉(xiāng)水廠過河原水管交叉穿過，距水中承臺(tái)最近距離為3.25m。承臺(tái)基坑深度、面積較大，同時(shí)河道水文地質(zhì)情況復(fù)雜，淤泥層厚度較大且均為流塑狀態(tài)，河流受潮汐影響顯著，漲潮落潮平均水位高差約2m。所以，在此條件下進(jìn)行圍堰施工，對(duì)鋼圍堰的止水措施提出了較高的要求。

考慮到對(duì)近鄰過河水管的保護(hù)和經(jīng)濟(jì)合理性，靠近水管側(cè)圍堰以剛度和整體穩(wěn)定性作為首要考慮因素，最大程度減小對(duì)近鄰過河水管的影響；遠(yuǎn)離水管側(cè)圍堰在安全的前提下，以經(jīng)濟(jì)性作為首要考慮因素；由于鋼管樁剛度大和鋼板樁成本低的特點(diǎn)，這里考慮采用鋼管樁圍堰與鋼板樁圍堰結(jié)合的“復(fù)合鋼圍堰”。近水管側(cè)對(duì)圍堰的變形控制要求高，剛度要求就相對(duì)較高，近水管側(cè)采用鋼管樁圍堰，鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)寬度9.439m×16.76m；遠(yuǎn)水管側(cè)變形控制要求相對(duì)較低，剛度要求就相對(duì)較低，采用鋼板樁圍堰，鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)寬度10.9m×17.75m。

本工程采用由鋼管樁、鋼板樁組合而成的“8字形”復(fù)合鋼圍堰（圖1），鋼管樁采用φ630 ×10mm鋼管，長度21m；鋼板樁采用拉森四型鋼板樁，長度21m；鎖扣鋼管樁的鎖扣材料中“C”采用φ219 ×10mm的開口鋼管，“T”采用I20b的工字鋼。內(nèi)支撐均采用φ630 ×10mm鋼管；第一道撐和第二道撐的圍檁采用2 × I45b 雙拼工字鋼，第三道撐和第四道撐的圍檁采用2 ×I56a 雙拼工字鋼；封底混凝土采用C30 混凝土，厚度2.2m。

圖1 鋼圍堰平面圖（單位：mm）Fig.1 Plan of steel cofferdam（unit：mm）

2 止水材料試驗(yàn)與選定

2.1 止水材料對(duì)照試驗(yàn)

止水材料是保證鋼圍堰止水效果的關(guān)鍵因素，針對(duì)CT型鋼管鎖扣［5］，選擇2 種傳統(tǒng)止水材料與本項(xiàng)目擬采用的創(chuàng)新止水材料進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：鋼管樁插打完成且質(zhì)量一致；3種止水方式所需材料；30 條干燥的尺寸1m ×0.2m×0.1m的吸水海綿條；防水膠帶若干。

實(shí)驗(yàn)方法：（1）在地質(zhì)情況相同且緊鄰的A、B、C 3 個(gè)鎖扣內(nèi)分別用3 種止水材料進(jìn)行止水。（2）止水工作完成，圍堰內(nèi)側(cè)鎖扣無明顯漏水，且圍堰內(nèi)側(cè)抽水挖泥至第三道支撐位置，開始實(shí)驗(yàn)。（3）在漲潮前先在圍堰內(nèi)側(cè)標(biāo)高+1.266m位置的3 個(gè)鎖扣縫隙粘貼干燥的尺寸1m ×0.2m ×0.1m的吸水海綿條；粘貼前先對(duì)海綿條稱重，15min后取下3 條海綿再次稱重，記錄兩次重量數(shù)據(jù)并計(jì)算重量差值，記錄重量差值為a1，b1，c1；以此方式進(jìn)行3 組實(shí)驗(yàn)，共得到3 組數(shù)據(jù)。（4）在首次漲潮時(shí)用上述相同方法再進(jìn)行3 組實(shí)驗(yàn)，得到3 組數(shù)據(jù)。（5）在落潮后用上述相同方法再進(jìn)行3 組實(shí)驗(yàn)，得到3 組數(shù)據(jù)。（6）對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行橫、縱向?qū)Ρ确治觥?/p>

3 種止水材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 止水材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Water stop material test data

漲落潮過程中“海綿質(zhì)量差值”的平均值整理之后，如圖2所示，可觀察到“填塞黏土法”或“填塞砂+鋸末”的止水效果不佳且受潮汐影響較為顯著；填塞黏土止水方法初期效果顯著，但在潮汐影響后材料大量流失、脫空，止水性能顯著下降；填塞砂+鋸末的方式止水效果同樣受潮汐影響，經(jīng)潮汐變化后，材料比較容易結(jié)塊，開口C 型鋼管樁內(nèi)出現(xiàn)許多鏤空現(xiàn)象，導(dǎo)致止水效果不佳。

圖2 止水方式選型試驗(yàn)平均數(shù)據(jù)Fig.2 Average data of water stop mode selection test

由此試驗(yàn)結(jié)果可知，本文提出的鎖口內(nèi)用塑料膜包裹級(jí)配材料止水方法止水效果好，且受潮汐影響小，止水效果長久穩(wěn)定。級(jí)配材料中的木屑遇水后體積膨脹，可擠壓鎖扣間隙，水泥與膩?zhàn)臃墼诮蠊探Y(jié)，形成穩(wěn)定止水結(jié)構(gòu)。因此選用此創(chuàng)新型止水方法。

2.2 級(jí)配材料配比試驗(yàn)

對(duì)止水材料具體配比進(jìn)行試驗(yàn)確定，止水混合料中膩?zhàn)臃叟c水泥起到固結(jié)、增大質(zhì)量作用；木屑起到遇水膨脹作用，可增大體積封堵縫隙；石粉為主料，密度較大，有助于材料下沉、穩(wěn)定。試驗(yàn)步驟為在塑料袋中灌入不同配比止水材料，稱量單位體積材料質(zhì)量、遇水后的體積膨脹率、密實(shí)度、固結(jié)效果等，并進(jìn)行對(duì)比總結(jié)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 級(jí)配材料試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Aggregate material test results

通過試驗(yàn)結(jié)果確定最佳配合比為50%石粉+25%膩?zhàn)臃?20%鋸末+5%水泥，依次配比進(jìn)行止水填料拌和。

堵漏材料采用體積比例“50%石粉+25%膩?zhàn)臃?20%鋸末+5%水泥”的級(jí)配材料進(jìn)行拌和填充，填充級(jí)配材料前先由人工的方式將一層塑料薄膜塞進(jìn)鎖扣內(nèi)填塞鎖扣間隙，注意在填塞時(shí)用塑料膠棒將薄膜塞至鋼管內(nèi)土層底部及鋼管側(cè)壁，保證薄膜與鋼管壁完全貼合。薄膜填塞完成后在鎖扣內(nèi)倒入已經(jīng)充分拌和的集配材料，然后用振動(dòng)錐壓實(shí)鎖扣。

3 鋼管樁圍堰的精準(zhǔn)定位

3.1 概述

對(duì)于鋼圍堰止水效果而言，止水材料雖然是關(guān)鍵，但是鋼管樁的精準(zhǔn)施工也是保證鋼管樁圍堰止水效果的必要基礎(chǔ)條件。開口C型鋼管內(nèi)部需要盡量保持圓形的完整度，留足空間，并保持C與T之間的充分貼合，便于止水材料的填塞，否則，如果C與T之間未緊密貼合，而預(yù)留出過大的空間（縫隙），將帶來止水材料封堵縫隙難的問題，增大止水的難度；因此，只有鋼管樁的精確定位，才能有條件確保止水材料的有效填塞和嵌縫，保證止水效果，同時(shí)也能起到節(jié)省鋼管樁材料的作用［6］。

為確保鎖口鋼管樁的插打便捷性和精度，在鎖扣鋼管樁圍堰首個(gè)樁位設(shè)置CC 型鋼管樁，便于最后合攏位置T型工字鋼的插入，方便圍堰的合攏［7］；在中間標(biāo)準(zhǔn)樁位設(shè)置CT型鎖扣鋼管樁，CT型鎖扣鋼管樁T 型工字鋼下方50cm 位置開始，沿鋼管長度方向每10m 焊接1 個(gè)限位板連接，確保每個(gè)鋼管樁的間距，盡量保持開口C型鋼管內(nèi)部圓形的完整度，留足空間，便于止水材料的填塞；在CT型鎖扣鋼管樁圍堰合攏設(shè)置TT型鋼管樁。CC型、CT型、TT型等三類鎖扣鋼管樁示意見圖3。為保證鎖扣鋼管樁插打的精準(zhǔn)度，提前排布鋼管樁的布置位置，通過BIM技術(shù)對(duì)施工流程進(jìn)行模擬預(yù)演，施工流程示意見圖4。

圖3 各類型鎖扣鋼管樁示意Fig.3 Schematic diagram of various types of locking steel pipe piles

圖4 鋼管樁插打順序示意Fig.4 Schematic diagram of steel pipe pile insertion sequence

3.2 首根CC型鋼管樁施工

施打前先使用首層圍檁依托樁基鋼護(hù)筒焊接圍堰導(dǎo)向架［8］，使用旋挖機(jī)在地勘報(bào)告揭示的個(gè)別巖面較高點(diǎn)位進(jìn)行引孔。之后緊貼導(dǎo)向架進(jìn)行首根CC型鋼管樁施打。第一條鋼管樁是插打的關(guān)鍵，必須插正、打正，以免影響后面的鎖扣鋼管樁。

3.3 中間CT型鋼管樁精確定位施工

以后的鋼管樁起吊后人工扶持［9］，在T型扣上沿鋼管長度方向每10m焊接1 個(gè)可調(diào)節(jié)限位鋼裝置。用T型扣插入前一片鋼管樁C型鎖口，然后用振動(dòng)錘振動(dòng)下沉。插打一片或幾片后，將已插好的鋼管樁點(diǎn)焊固定于導(dǎo)梁上。整個(gè)施工過程中，要用錘球始終控制每片樁的垂直度。

在鋼管樁限位裝置的約束下，鎖口和鎖口之間縫隙基本一致，普通直線段鋼管樁中心間距均為100 ±2cm，當(dāng)鋼管樁的傾斜度超過1‰ L 時(shí)（2.1cm），就采用手拉葫蘆進(jìn)行糾偏，同時(shí)一次性糾偏不能太多，以免引起鎖口間卡住，影響下一片鎖口鋼管樁的插打。

插打至距離轉(zhuǎn)角剩余2～3 根鋼管樁時(shí)，提前測量管樁距轉(zhuǎn)角距離，依據(jù)測量結(jié)果調(diào)整限位裝置尺寸，保證直角轉(zhuǎn)角樁的適用性，無需特制調(diào)整夾角的轉(zhuǎn)角樁。

3.4 合攏位置TT型鋼管樁施工

在即將合攏時(shí)，開始測量并計(jì)算出鋼板樁底部的直線距離，再根據(jù)管樁的寬度，計(jì)算出所需鋼管樁的個(gè)數(shù)，按此確定下一步鋼管樁的插打思路。

合攏樁為雙T型鎖扣，T型扣上可不設(shè)限位裝置，保證T型扣正好插入兩側(cè)C型扣即可。方形鋼圍堰有4 個(gè)面，打完的每一片鋼管樁都要沿導(dǎo)向架的法線和切線方向垂直［10］（圖5），合攏樁應(yīng)選擇在角樁附近（一般離角樁1～2 根），如果距離有差距，可調(diào)整合攏邊相鄰一邊離導(dǎo)向架的距離。為了防止合攏處兩片樁不在一個(gè)平面內(nèi)，一定要調(diào)整好角樁方向，讓其一面鎖口與對(duì)面的鋼板樁鎖口盡量保持平行。

圖5 鋼板樁與鋼管樁的連接位置Fig.5 Connection position of steel Sheet pile and steel pipe pile

4 鋼管樁與鋼板樁連接處的止水

鋼管樁與鋼板樁結(jié)合處是漏水的關(guān)鍵點(diǎn)之一，屬于復(fù)合鋼圍堰的薄弱點(diǎn)，處理不當(dāng)很容易導(dǎo)致漏水。由于鋼板樁的鎖扣止水效果比較好，因此，在鋼板樁與鋼管樁連接位置處（“8 字型”中間接合部），將拉森鋼板樁配套的拉森鎖扣焊接于主體鋼管相應(yīng)位置處［5］，并將拉森鋼板樁與之連接，在鋼管樁與鋼板樁之間（圖6）形成貼合的連接方式，構(gòu)成止水效果很好的連接形式，保證連接處的可靠性及止水效果。

圖6 鋼管樁、鋼板樁連接部位Fig.6 Connecting parts of steel pipe pile and steel sheet pile

5 結(jié)論

1.通過對(duì)填塞黏土法、填塞砂+鋸末、塑料膜包裹級(jí)配材料的試驗(yàn)對(duì)比分析，得出塑料膜包裹級(jí)配材料作為止水材料，止水效果最好；通過對(duì)不同配比的級(jí)配材料的試驗(yàn)對(duì)比分析，配比為：50%石粉+25%膩?zhàn)臃?20%鋸末+5%水泥時(shí)，止水效果最佳；

2.通過鋼管樁定位措施的應(yīng)用，保證開口C型鋼管內(nèi)部圓形的完整度，確保開口C型鋼管與T型型鋼鎖扣充分貼合，減小縫隙，為止水材料的快速嵌縫提供條件，為止水效果的實(shí)現(xiàn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；

3.在鋼板樁與鋼管樁連接位置處（“8字型”中間接合部），將拉森鋼板樁的配套鎖扣焊接于主體鋼管，將拉森鋼板樁與之“咬合”連接，形成止水效果很好的連接形式，保證連接處的止水效果。

4.通過止水材料選擇和圍堰結(jié)構(gòu)布置的巧妙融合，有效保證了復(fù)合鋼圍堰的止水效果，為承臺(tái)施工提供一個(gè)較好的干作業(yè)面，確保承臺(tái)施工的質(zhì)量、進(jìn)度和安全。