污水廠處理池降水與基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

景廣濤

(中交集團(tuán)中國(guó)城鄉(xiāng)碧水源北京久安建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,北京 100094)

0 引言

由于地下工程本身所具有較大風(fēng)險(xiǎn)的問題,需要在施工的每一步中進(jìn)行嚴(yán)格地設(shè)計(jì)與把控,主要分為土方開挖、基坑支護(hù)、結(jié)構(gòu)修筑與防水處理等,根據(jù)不同的工程需求還包括各類的管線埋設(shè)等,不同的地下結(jié)構(gòu)需根據(jù)自身需要與其所處的地質(zhì)水文環(huán)境對(duì)其關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)進(jìn)行著重研究與處理。對(duì)于污水處理池這種埋深較大且后期維護(hù)成本較高的地下構(gòu)筑物來說,堅(jiān)固的支護(hù)結(jié)構(gòu)顯得較為重要,結(jié)合碭山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)污水處理廠項(xiàng)目中存在的砂質(zhì)黏土與地下水問題,本文對(duì)降水與支護(hù)方法進(jìn)行了專項(xiàng)探究,形成了一套適用于在砂質(zhì)黏土情況下的排水方法與支護(hù)方法的施工流程,最終結(jié)合實(shí)際工程對(duì)其進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

1 基坑降水

當(dāng)構(gòu)筑物的基坑開挖處以及附近存在地下水時(shí),需要進(jìn)行基坑降水,其降水要求在施工的過程中不影響施工進(jìn)度與施工效果,在施工后短時(shí)間內(nèi)不影響施工質(zhì)量,從抽水量計(jì)算、成井與封井方法3個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行介紹研究,其實(shí)用結(jié)果證明該方法降水效果良好,為后續(xù)作業(yè)提供很好的施工環(huán)境[1]。

1.1 基坑內(nèi)抽水量的計(jì)算

在施工期間,在基坑開挖過程中應(yīng)采取相應(yīng)的排水措施,加強(qiáng)支護(hù),防止塌方和流沙的產(chǎn)生,同時(shí)要考慮到降水對(duì)周邊建筑沉降的影響,并按實(shí)際情況進(jìn)行降水。對(duì)于基坑內(nèi)降潛水量的計(jì)算,采用式(1)來計(jì)算地下水容量?jī)?chǔ)存量,采用式(2)計(jì)算坑內(nèi)所需采用的降水井?dāng)?shù)量。

W=μ×V

(1)

其中,W為容積儲(chǔ)存量,m3;V為含水層體積,m3,V=基坑面積×降水深度h(h為潛水靜止水位至基坑底板以下0.5 m);μ為含水層的給水度(粉砂與黏土給水度經(jīng)驗(yàn)值為0.10～0.15)。

n=A/a

(2)

其中,n為井?dāng)?shù),口;A為基坑面積,m2;a為單井的有效抽水面積,m2。

1.2 成井方法

在成井過程中,采用正循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆井液的護(hù)壁成孔技術(shù),并需要采用與之配套工序如濾管、黏性土、封孔等。其工藝具體流程為測(cè)放井位→埋設(shè)護(hù)口管→鉆孔→清孔換漿→下井管注石→井口封堵與洗井→埋設(shè)裝置→最后檢驗(yàn)。

盡管對(duì)地質(zhì)情況做出了前期勘探與預(yù)研工作,但是在成井施工的過程中,由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性,需要在成井的過程中注意施工細(xì)節(jié)。在清孔換漿時(shí),考慮淤泥地形,井管上端要用悶塞密封,然后將鉆桿從中抽出,與此同時(shí)進(jìn)行調(diào)漿工作,保證施工的連續(xù)性;根據(jù)其工程量確定合適類型的泵,且注石時(shí)應(yīng)根據(jù)所采用的井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將砂粒注滿,并根據(jù)所填的深度和測(cè)量其高度,直到將碎石排到指定的位置;在進(jìn)行洗井工作時(shí)采用“從過濾器的底部開始,拉動(dòng)活塞”的方式進(jìn)行鉆孔清洗,當(dāng)活塞抽出的水大致清澈后,可用空氣壓縮機(jī)來清洗管道底部的沉砂以保證所形成的井在后續(xù)施工期間保持暢通;在成井結(jié)束后,進(jìn)行施工前的真空泵抽泵試驗(yàn),要求其管路系統(tǒng)內(nèi)的真空度應(yīng)保持在-0.06 MPa。

1.3 封井方法

在封井前的降水運(yùn)行中,針對(duì)地下儲(chǔ)水的水文條件,抽水泵的抽水間隔時(shí)間應(yīng)逐漸增大以確保土層完成沉降固結(jié),若抽水量增大,則需加大抽水次數(shù)并增大抽水間隔以確保不影響后續(xù)施工。在降水井的封井工作中,探討與計(jì)算得出如圖1,圖2所示的結(jié)構(gòu)樣式與施工流程,以確保其整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并契合當(dāng)?shù)氐牡叵聝?chǔ)水情況,具體施工步驟如下:

將瓜子片填充到井筒中,然后在井筒中下直徑為2.54 cm的注漿管,并將注漿管的底部下入1.0 m的深度。在正式注漿之前,井口要用鋼筋作為支承,在注漿管安裝好后,就可以進(jìn)行注漿。注漿完成,在水泥漿達(dá)到初凝階段后,將剩余水從井筒中排出,并對(duì)井筒內(nèi)的水位和標(biāo)高進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在確定注漿效果后,再將混凝土注入井筒,注入的混凝土比地面稍低50 cm。注漿結(jié)束后,要對(duì)井眼水位進(jìn)行觀測(cè),以判斷其實(shí)際封堵效果。當(dāng)井筒混凝土的初凝能力滿足要求,能夠判定封堵效果滿足要求時(shí),才可以將裸露的井管全部切掉。在切割完井管后,應(yīng)在管的位置用鋼板焊接,焊縫應(yīng)在地面以下50 cm處。管口焊接好后,將普通填土填入孔內(nèi),并將其填平,然后進(jìn)行封井。

2 拉森鋼板樁支護(hù)

拉森鋼板樁又被稱為U型鋼板樁,具有材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、施工簡(jiǎn)單且不受施工條件制約的眾多優(yōu)點(diǎn),因其具有較高的防水性與安全性,十分適用于砂質(zhì)黏土中存在地下水的工況,能夠組合形成強(qiáng)有力的保護(hù)屏障阻止地下水的滲透且能加快施工速度,從性能、施工與造價(jià)三方面研究比選最終確定在對(duì)污水處理池進(jìn)行施工的過程中選擇其作為支護(hù)構(gòu)件,并從鋼板樁的施工準(zhǔn)備與施工打設(shè)兩個(gè)關(guān)鍵工藝方面進(jìn)行介紹與研究,得到適用于該地質(zhì)條件下的打設(shè)工藝[2]。

2.1 鋼板樁施工準(zhǔn)備

在選用鋼板樁時(shí),應(yīng)確保其平面盡可能平坦、平整,避免出現(xiàn)不規(guī)則的拐角,便于使用和支承,并盡可能地使各個(gè)外周尺寸與板樁的模數(shù)一致。

2.1.1 鋼板樁的檢驗(yàn)

鋼板樁在運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后必須進(jìn)行清理。將鎖孔中的雜質(zhì)清理干凈,并進(jìn)行修補(bǔ)。在基坑工程中,鋼板樁檢測(cè)的主要手段是外觀檢測(cè),應(yīng)保證符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),且對(duì)于重復(fù)使用的必須符合相關(guān)規(guī)范;對(duì)經(jīng)檢測(cè)合格的鋼板樁進(jìn)行保證后續(xù)承載作用的潤(rùn)滑及防滲處理,每塊鋼板樁的鎖頭必須用混合油均勻地涂抹。

2.1.2 鋼板樁的矯正

對(duì)有表面缺陷的鋼板樁,應(yīng)首先清除其周圍的腐蝕和油污,然后用焊接修復(fù)法將其平整,再用砂輪打磨;對(duì)端部分離矩形比的鋼板樁,用砂輪將其打磨、修削。在修整的過程中,可以直接使用砂輪進(jìn)行修整;存在樁體彎曲的鋼板樁利用龍門式頂梁托架上的千斤頂對(duì)腹向彎矯進(jìn)行冷彎校正;存在樁身歪斜的樁體可按鋼板樁的變形程度,采用常規(guī)的方法進(jìn)行校正;樁斷面的局部變形可采用千斤頂頂壓、大錘敲打、氧乙炔火焰加熱等措施糾正局部變形;鎖頭變形的情況可采用普通鋼板作為基礎(chǔ),采用低速提升機(jī)的牽伸調(diào)整技術(shù),或采用氧乙炔熱烘烤,大錘鍛打胎具對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

2.1.3 鋼板樁吊運(yùn)及堆放

在卸下鋼板樁時(shí),必須采用雙點(diǎn)吊的方法。在吊裝時(shí),每次吊裝的鋼板樁不能過多,而且要保護(hù)好鎖。起重方式包括成束起重和單起重。成捆型起重機(jī)通常使用鋼索進(jìn)行捆扎,采用專用起重設(shè)備。堆疊鋼板樁時(shí),必須選用平整的、牢固、可承受大壓力的地點(diǎn),且應(yīng)便于運(yùn)輸;必要時(shí),可選擇將其壓實(shí)。

2.2 鋼板樁打設(shè)

2.2.1 導(dǎo)架安裝

為確保樁身定位準(zhǔn)確、保證樁體垂直、提高樁頭的插入精度、防止樁身失穩(wěn)以及提高樁體的穿透性,通常要求采用具有高剛度的導(dǎo)樁。導(dǎo)向梁、邊檁樁等為單層方面形式,間距一般在2 m～3 m左右,邊框間距應(yīng)偏小,可厚于板樁9 mm～16 mm。

在安裝導(dǎo)軌時(shí),應(yīng)注意引導(dǎo)梁的位置要用經(jīng)緯計(jì)和水平計(jì)調(diào)整。正確的導(dǎo)向柱高度有利于板樁的施工,提高工效。由于采用了鋼板樁,所以導(dǎo)梁不會(huì)產(chǎn)生沉降和變形,引導(dǎo)橫梁應(yīng)盡量垂直,避免與板樁相撞。

2.2.2 鋼板樁打設(shè)

由于建設(shè)底面標(biāo)高低于地面的大型構(gòu)筑物,所以鋼板樁需要打入較深的深度,且考慮砂質(zhì)黏土的特性,每個(gè)樁的斜度必須受到嚴(yán)格控制,即每根樁體的傾斜度小于2%,以避免因土體較弱而發(fā)生鋼板樁傾斜現(xiàn)象,因此,采用最適宜該情況的屏風(fēng)式打入法。且在施工前,由于施工場(chǎng)地的濕滑,為防止鎖口中心線平面位移,在打樁進(jìn)行方向的鋼板樁鎖口處設(shè)卡板,阻止板樁位移。同時(shí)在圍檁上預(yù)先算出每塊板樁的位置,以便隨時(shí)檢查校正。

屏風(fēng)式打入法的優(yōu)點(diǎn)在于可減少板狀發(fā)生屈曲、扭轉(zhuǎn)、傾斜等一系列變形問題的產(chǎn)生,打入精度高,很契合地質(zhì)結(jié)構(gòu)為砂質(zhì)黏性土且富含地下水的土體,可以解決該類型土體對(duì)樁體垂直度要求高的問題,但在施工時(shí)仍需嚴(yán)格控制其斜率。

進(jìn)行施工時(shí)首先在兩端插入1根～2根鋼板樁,并對(duì)插入鋼板樁的垂直方向進(jìn)行嚴(yán)格的控制,之后將其與墻壁進(jìn)行焊接,剩余的鋼板樁按次序分別以1/2或1/3的板樁高度依次打設(shè);按照上述的施工順序以此進(jìn)行鋼板樁的打入,直到項(xiàng)目完工。采用上述方法,可以防止鋼板樁發(fā)生過大的傾斜和變形;并減小進(jìn)給累積的傾角誤差(如表1所示),以減少鋼板樁的損耗;相鄰鋼板樁由于分段施打因此不會(huì)影響施工。

表1 板樁打設(shè)的公差標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3 鋼板樁的拔除

需先進(jìn)行拔樁阻力的計(jì)算:拔樁阻力F為鋼板樁與土的吸附力Fe與上一段鋼板樁與土的側(cè)面阻力Fs之和,Fe和Fs的計(jì)算公式分別如式(3)與式(4)所示。

Fe=Ulτ

(3)

其中,U為鋼板樁的周長(zhǎng);l為鋼板樁的長(zhǎng)度;τ為鋼板樁與各土層吸附力按土層厚度的加權(quán)平均值(l范圍內(nèi))。

Fs=1.2EaBhμ

(4)

其中,Ea為作用在鋼板樁上的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度,kN/m2;B為鋼板樁的寬度,m;H為鋼板樁樁頂至坑底的長(zhǎng)度,m;μ為鋼板樁與土的摩阻阻力系數(shù),取0.30～0.40。

在進(jìn)行拔樁作業(yè)時(shí),必須遵循以下幾個(gè)步驟:封閉鋼板樁墻,拔樁起點(diǎn)距樁角至少相隔5根樁以上的距離,如有需要,可以間隔拔出。通常情況下,拔出的順序和打樁的順序是相反的。

3 掛網(wǎng)錨噴支護(hù)工藝

對(duì)于基坑上方的土壤邊坡,可以采取懸掛式錨噴的方式進(jìn)行支護(hù),并在坡面上進(jìn)行噴漿。土釘墻支護(hù)施工的工藝流程如下:施工準(zhǔn)備→開挖→清理邊坡→埋設(shè)噴射混凝土厚度控制標(biāo)志→噴射第一層混凝土→安設(shè)插筋→安放鋼板網(wǎng)→噴射第二層混凝土→噴置排水系統(tǒng)→開挖下一步。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 工程概況

本工程緊鄰某經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)工業(yè)污水處理廠西側(cè),位于順堤河以西,鐵路運(yùn)河以北,道北路以南。目標(biāo)為建設(shè)一座可處理規(guī)模為30 000.0 m3/d的污水處理廠,需建設(shè)新的事故池1座、初沉池2座、生化池1座。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 新建處理池參數(shù)

根據(jù)該建設(shè)工程勘察程度范圍內(nèi)揭露的地層,可將場(chǎng)地地基土劃分為4個(gè)工程地質(zhì)層,其自上而下分別為:雜填土、淤泥、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土。場(chǎng)地的地下水上部為孔隙潛水,其動(dòng)態(tài)變化主要受大氣降水及河流水位影響。下部主要為賦存淤泥土中上層滯水,勘察測(cè)得靜止地下水埋深為1.2 m～4.5 m。

4.2 實(shí)際施工

4.2.1 成井施工

根據(jù)計(jì)算,可確定其降水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求為:井點(diǎn)井徑為705 mm,下入直徑為 400 mm/300 mm的水泥礫石濾管,過濾管外覆蓋一層300 g/m/m～400 g/m/m的無紡布,在井深范圍內(nèi)填充φ3 mm～φ7 mm的濾料。降潛水井點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整按規(guī)劃好的布局圖進(jìn)行放井位,由于其地層與地下水問題,采用黏土與草編將護(hù)口管封閉,以避免在施工過程中出現(xiàn)返漿現(xiàn)象。采用直徑為500 mm的鉆孔進(jìn)行鉆孔,且需保證井筒內(nèi)的天然漿液質(zhì)量濃度在1.10～1.15之間。清孔換漿下井管之后,在填砂之前,將鉆桿下到孔底0.25 m～0.45 m,以確?？蓪@桿抽出時(shí)進(jìn)行正常的排漿工作且需逐步調(diào)節(jié)孔內(nèi)的泥漿質(zhì)量濃度至1.05,之后按照方案要求進(jìn)行正常的井口封堵以及進(jìn)行設(shè)備放置工作[3-4]。

在降水運(yùn)行時(shí)確?；优潘?由于其多為孔隙水與土中滯水,須在基坑開挖前20 d進(jìn)行排水。

4.2.2 鋼板樁支護(hù)施工

在正式施工前,需對(duì)鋼板樁進(jìn)行檢修,由于工期較短,采用一種便捷的檢測(cè)方式,即對(duì)于鎖口段的檢測(cè),選擇長(zhǎng)度為2 m的同一尺寸鋼板樁,對(duì)其進(jìn)行鎖口檢查;在保證兩邊的鋼柱平行的同時(shí),還要保證鋼板樁的寬度處于同一水平。對(duì)其他有缺陷的鋼板樁,需進(jìn)行徹底的檢驗(yàn),并采取相應(yīng)的措施保證其正常工作。

根據(jù)其水文情況以及地質(zhì)構(gòu)造,在使用網(wǎng)格法進(jìn)行打設(shè)時(shí),采用將10個(gè)～20個(gè)板樁成列插入導(dǎo)向架上,形成網(wǎng)眼形狀,然后進(jìn)行擊打。將一套板樁在屏風(fēng)墻的兩端打到一定的高度或一定的深度,并對(duì)垂直度進(jìn)行嚴(yán)格的控制,用焊接法將其緊固到橫梁上,再在中段依次按1/3或1/2的水平插入。采用單層桁架,以10片～20片鋼板樁為一施工區(qū)段,將其埋入一定深度,構(gòu)成一小片屏風(fēng)墻,之后再進(jìn)行后續(xù)操作,以保證施工的快速與準(zhǔn)確性。

在最后拔樁前,為減小土的阻力,應(yīng)先使用振動(dòng)錘將板樁鎖口振活,之后對(duì)樁體采用邊振邊拔的方式。對(duì)于較難拔出的拉森板樁,可用柴油錘將樁振打入100 mm～300 mm,再結(jié)合振動(dòng)錘交替振打、振拔。起重機(jī)上載荷的施加應(yīng)隨振動(dòng)錘的起動(dòng)保持一致,起重機(jī)上的起吊力一般略小于減振器彈簧的壓縮極限。為保證順利施工,供振動(dòng)錘所使用的電源應(yīng)是振動(dòng)錘本身電動(dòng)機(jī)額定功率的1.2倍～2.0倍。對(duì)于引拔阻力較大的鋼板樁,應(yīng)采用間歇振動(dòng)的方法,該方法中,每次振動(dòng)時(shí)間為15 min,且保證振動(dòng)錘的連續(xù)工作時(shí)常不超過1.5 h。

5 結(jié)論

采用新型封井結(jié)構(gòu)和拉森鋼板樁以及配套的打設(shè)工藝對(duì)工業(yè)污水處理廠基坑支護(hù)施工項(xiàng)目進(jìn)行施工,并進(jìn)行事后總結(jié),可得到如下結(jié)論:

1)污水處理廠基坑支護(hù)施工工程中所采用的封井結(jié)構(gòu)安全可靠,適宜于此處的砂質(zhì)黏土地質(zhì)與富含地下水的水文情況,隨著該結(jié)構(gòu)的量化和使用推進(jìn)了整體基坑施工的進(jìn)程,有效節(jié)省了施工時(shí)間,提高了施工效率。

2)屏風(fēng)式打入法的采用,減少了鋼板樁因傾斜不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致被拔除的可能性,也因此相應(yīng)降低了在拔除過程中導(dǎo)致的鋼板樁的損耗數(shù)量,極大提高了鋼板樁的利用率,并且減少了因鋼板樁維修而損耗的人力,提高了經(jīng)濟(jì)效益。

以上二者在項(xiàng)目中的優(yōu)異表現(xiàn),為在砂質(zhì)黏土與地下水問題的綜合影響下的尤其是污水廠的深基坑施工提供了一種新的解決思路。