鋼板樁在漢江下游堤防穿堤涵閘深基坑支護(hù)中的有效應(yīng)用

李延春,胡 勝,王義才

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,武漢 430070)

0 引言

涵閘是一種位于堤壩內(nèi)的建筑物,用于引水或泄水,它包括涵洞和水閘等組成部分。通常情況下,涵閘修建在河道或堤壩上,并與堤防和排水蓄水工程相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)對(duì)水流的控制[1]。在施工過(guò)程中,涵閘的使用性能受到基坑施工效果和地質(zhì)條件的直接影響。鋼板樁是一種具有鎖口的型鋼,具有多種截面形狀,包括直板形、槽形和Z形等,它具有高強(qiáng)度和良好的防水性能等特點(diǎn)[2]。在漢江下游堤防穿堤涵閘的施工范圍內(nèi),主要是以砂壤土為主。在這個(gè)區(qū)域,深基坑的兩側(cè)存在密集的地下水管道,由于漏水情況,土體會(huì)軟化,導(dǎo)致深基坑施工時(shí)邊坡的穩(wěn)定性較差[3]。

為確保深基坑的施工安全和邊坡的穩(wěn)定性,本文采用鋼板樁進(jìn)行支護(hù),并研究其支護(hù)效果。通過(guò)使用鋼板樁作為支撐結(jié)構(gòu),可以增加基坑的穩(wěn)定性,減少土體滑坡和坍塌的風(fēng)險(xiǎn),保證施工安全。通過(guò)研究鋼板樁的支護(hù)效果,可以評(píng)估其在深基坑工程中的應(yīng)用性能,并為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。這對(duì)于提高涵閘的建設(shè)質(zhì)量和安全性具有重要意義。

1 鋼板樁深基坑支護(hù)

1.1 工程概況

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本次郭口閘的孔數(shù)仍為2孔,孔口尺寸為3 m×4 m(寬×高)。底板設(shè)計(jì)高程考慮了老閘底板高程、地形和灌溉要求,最終確定為21.8 m。水閘由外江到內(nèi)依次包括外江側(cè)進(jìn)水渠護(hù)底護(hù)坡、外八字墻消力池、閘室、混凝土箱涵、內(nèi)八字墻消力池和水渠護(hù)底護(hù)坡等組成。

具體布置方案如下:閘底板高程與渠底高程齊平,即為21.8 m。閘身總長(zhǎng)83.5 m,共分為7節(jié)布置,其中閘室段長(zhǎng)15 m。閘底板厚度1.2 m,邊墩和中墩的厚度均為1 m,頂板厚度0.8 m。閘身采用C25鋼筋混凝土,為了防止不均勻沉降,在各節(jié)洞身分縫處的底部設(shè)置了1 m寬的墊梁,底梁厚度0.6 m。閘底還設(shè)有10 cm厚的C15混凝土墊層。

該閘開(kāi)挖基坑兩側(cè)地下水管道密集,且部分管網(wǎng)的建設(shè)年代較久,找不到具體的鋪設(shè)位置,經(jīng)常發(fā)生漏水情況?；舆吰轮饕缮叭劳翗?gòu)成,市政管網(wǎng)漏水會(huì)導(dǎo)致土體軟化和抗剪指標(biāo)降低,多次出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的危險(xiǎn)情況。嚴(yán)重影響工程施工的安全,尤其在工期緊迫、雨季來(lái)臨和汛期即將到來(lái)的情況下,存在一定的安全隱患。

針對(duì)工程實(shí)際情況,在施工過(guò)程中采取了一些臨時(shí)支護(hù)處理措施。這些措施旨在增加基坑邊坡的穩(wěn)定性,確保施工安全。具體的臨時(shí)支護(hù)措施可以根據(jù)實(shí)際情況選擇,如采用鋼板樁、土工格柵、噴射混凝土等技術(shù)來(lái)加固邊坡。這些措施將有助于減少土體滑坡和坍塌的風(fēng)險(xiǎn),保障施工順利進(jìn)行。

總之,通過(guò)對(duì)深基坑進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)處理,可以提高工程施工的安全性和穩(wěn)定性,應(yīng)對(duì)地下水管漏水引起的土體軟化問(wèn)題,確保工程順利進(jìn)行。在實(shí)際施工中,應(yīng)密切監(jiān)測(cè)邊坡的變形和地下水位的變化,及時(shí)采取必要的安全措施,保障施工人員和工程的安全。

1.2 鋼板樁深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

1.2.1 鋼板樁布設(shè)

為了保證漢江下游堤防穿堤涵閘深基坑開(kāi)挖的安全,本文采用了鋼板樁作為臨時(shí)支護(hù)處理措施。具體措施包括上部放坡、下部鋼板樁和鋼管對(duì)撐的深基坑支護(hù)。上部邊坡分為兩級(jí),一級(jí)邊坡高程設(shè)立了1.5 m寬的馬道;二級(jí)邊坡高程上設(shè)立了5 m寬的平臺(tái)。這樣的設(shè)置能夠提供較好的施工平臺(tái)和安全通道,便于施工人員進(jìn)行作業(yè)。下部鋼板樁采用雙排拉爾森III型鋼板樁進(jìn)行支護(hù)。鋼板樁之間的間距8 m,長(zhǎng)度8.5 m。鋼板頂部設(shè)有HW300×300型鋼縱梁,通長(zhǎng)布置,并通過(guò)自帶的鎖口相互插接連接,以增加整體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

為進(jìn)一步加固支護(hù)結(jié)構(gòu),采用直徑250 mm、壁厚10 cm的鋼管進(jìn)行對(duì)撐。鋼管之間間距4.5 m,通過(guò)鋼管對(duì)撐可以有效地增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性。

在臨水側(cè)還設(shè)置了降水井,用于排水,以降低基坑內(nèi)的地下水位,減少土體軟化和失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)采用上述鋼板樁和鋼管對(duì)撐的臨時(shí)支護(hù)處理措施,能夠有效地保證深基坑的開(kāi)挖安全,并避免邊坡失穩(wěn)的危險(xiǎn)情況出現(xiàn)。漢江下游堤防穿堤涵閘深基坑開(kāi)挖和支護(hù)斷面如圖1所示。這樣的支護(hù)措施將為施工人員提供安全穩(wěn)定的工作環(huán)境,確保工程順利進(jìn)行。

圖1 涵閘深基坑開(kāi)挖及支護(hù)斷面示意

1.2.2 鋼板樁支護(hù)施工工藝

鋼板樁支護(hù)方案確定后,開(kāi)始進(jìn)行該支護(hù)體系的施工,采用分層開(kāi)挖的方式完成,施工內(nèi)容為:分層開(kāi)挖至30 m平臺(tái)→鋼板樁施打→降水井→基坑開(kāi)挖至28 m高程→加設(shè)縱梁和對(duì)撐鋼管→基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)高程→基礎(chǔ)換填→涵閘結(jié)構(gòu)施工→土方回填至28 m高程→拆除縱梁和對(duì)撐鋼管→拔出鋼板樁→土方回填恢復(fù)土壩。施工的詳細(xì)步驟如下:

步驟1:以設(shè)計(jì)的邊坡比為依據(jù),采用挖掘機(jī)進(jìn)行分層開(kāi)挖,分層高度3 m上下,開(kāi)挖至30 m后將其作為鋼板樁和涵閘結(jié)構(gòu)的施工平臺(tái)。

步驟2:利用液壓振動(dòng)機(jī)完成鋼板樁的施打,并采用兩排對(duì)稱、由下游室至上游室的順序完成鋼板樁施工,同時(shí),在施工過(guò)程中,通過(guò)人工的方式對(duì)鋼板樁的垂直度進(jìn)行校正,判斷鋼板樁之間的咬合是否緊密[4]。判斷完成后,采用輕錘隨其進(jìn)行敲擊,當(dāng)鋼板樁入土達(dá)到一定深度后,重錘敲擊鋼板樁,直到其高程滿足設(shè)計(jì)高程為止。

步驟3:在臨水側(cè)設(shè)立降水井,井深10 m,井底高程20 m,降水井的布設(shè)間隔12 m。降水井在設(shè)立過(guò)程中,利用沖孔樁機(jī)成孔,在此基礎(chǔ)上放置直徑600 mm的鋼筋籠,并且表面設(shè)立3層過(guò)濾網(wǎng)。與此同時(shí),在鋼筋籠和井壁之間回填細(xì)礫石,將其作為過(guò)濾網(wǎng)。

步驟4:涵閘深基坑開(kāi)挖過(guò)程中,安裝縱梁和對(duì)撐鋼管,并在縱梁下方安裝托板,間距2.8 m,鋼管和縱梁之間通過(guò)焊接的方式連接。

步驟5:在平臺(tái)上進(jìn)行深基坑開(kāi)挖后,當(dāng)開(kāi)挖深度達(dá)到20 m后,利用小型挖掘機(jī)完成基坑底部的開(kāi)挖[5],并且在開(kāi)挖過(guò)程中,須利用抽水泵排除基坑內(nèi)的水,降低地下水位。

步驟6:基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)高程后,砂壤下部為承載力較高的砂卵石層,為保證基坑的施工效果,將其挖除后,采用石渣進(jìn)行填筑,厚度1 m;完成填筑后澆筑混凝土墊層對(duì)其進(jìn)行找平[6],在此基礎(chǔ)上完成涵閘結(jié)構(gòu)施工。

步驟7:涵閘結(jié)構(gòu)澆筑完成后,測(cè)試其施工強(qiáng)度,滿足施工標(biāo)準(zhǔn)后,進(jìn)行土方回填;在回填過(guò)程中,主要采用粘土完成,其粘粒含量在10%～25%之間,塑性指數(shù)為12～17。在回填時(shí),先對(duì)涵閘結(jié)構(gòu)兩側(cè)進(jìn)行回填,回填至設(shè)計(jì)高程后,通過(guò)小型振動(dòng)碾對(duì)回填部分進(jìn)行壓實(shí)處理后[7],將縱梁和對(duì)撐板拆除;并利用液壓振動(dòng)機(jī)依次拔出鋼板樁;最后分層回填至壩頂高程,恢復(fù)漢江下游堤壩,完成深基坑施工。

2 施工有效性計(jì)算與分析

2.1 性能計(jì)算方法

鋼板樁施工后,其承受的荷載主要包含鋼板樁自重、插入土層中時(shí)主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力,以荷載的基本組合概念,采用安全系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算,則鋼板樁承受的總荷載Fz計(jì)算公式為:

Fz=Fg+Ft+Fb

(1)

式中,Fg表示鋼板樁自重荷載;Ft表示主動(dòng)土壓力荷載;Fb表示被動(dòng)土壓力荷載。

2.1.1 深基坑內(nèi)側(cè)抗彎性能和外側(cè)抗彎性能計(jì)算

深基坑內(nèi)側(cè)抗彎性能和外側(cè)抗彎性能采用以下公式:

(2)

(3)

2.1.2 抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

采用被動(dòng)土壓力和支點(diǎn)力對(duì)于鋼板樁底彎矩Mp和主動(dòng)土壓力對(duì)鋼板樁的彎矩Ma的比值,表示抗傾覆安全系數(shù)ψs,其計(jì)算公式為:

(4)

抗傾覆安全系數(shù)能夠衡量基坑施工的安全性,按照《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》要求,ψs的結(jié)果需大于1.2。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 抗彎性能分析

深基坑內(nèi)側(cè)抗彎性能和外側(cè)抗彎性能能夠決定深基坑邊坡的穩(wěn)定性,獲取在不同荷載下,深基坑內(nèi)側(cè)和外側(cè)最大彎矩處的正應(yīng)力結(jié)果,如表1所示。

表1 深基坑內(nèi)側(cè)和外側(cè)最大彎矩處的正應(yīng)力結(jié)果

通過(guò)對(duì)表1中的結(jié)果進(jìn)行分析,可以得出以下結(jié)論:采用鋼板樁對(duì)涵閘深基坑進(jìn)行支護(hù)后,深基坑內(nèi)側(cè)和外側(cè)大彎矩處的正應(yīng)力結(jié)果均在215 MPa以內(nèi),符合規(guī)范要求。這意味著采用鋼板樁支護(hù)可以有效提升深基坑的邊坡穩(wěn)定性。

鋼板樁作為一種強(qiáng)度高、防水性能好的材料,能夠提供堅(jiān)固的支撐和保護(hù),有效地抵抗荷載作用和土體側(cè)壓力。它能夠承受較大的力量,減少土體變形和破壞的風(fēng)險(xiǎn),從而提高邊坡的穩(wěn)定性。通過(guò)采用鋼板樁支護(hù),深基坑內(nèi)側(cè)和外側(cè)的正應(yīng)力得到有效控制,保持在安全范圍內(nèi)。這意味著鋼板樁能夠有效地分擔(dān)荷載,并保持深基坑邊坡的穩(wěn)定性,確保工程的施工安全和長(zhǎng)期運(yùn)行。

采用鋼板樁對(duì)涵閘深基坑進(jìn)行支護(hù)后,能夠提升深基坑的邊坡穩(wěn)定性,確保工程的安全性。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,仍需根據(jù)具體工程要求和地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和施工方案制定,以確保支護(hù)措施的有效性和可靠性。

2.2.2 抗傾覆穩(wěn)定性分析

獲取鋼板樁在不同的組合應(yīng)力下,深基坑的整體穩(wěn)定性結(jié)果,由于篇幅限制,文中隨機(jī)呈現(xiàn)深基坑10處位置的抗傾覆安全系數(shù)結(jié)果,如表2所示。

表2 抗傾覆安全系數(shù)結(jié)果

根據(jù)表2的結(jié)果分析,可以得出以下結(jié)論:在不同大小的組合應(yīng)力下,采用鋼板樁完成涵閘深基坑支護(hù)后,深基坑的整體穩(wěn)定性均在1.2以上,符合規(guī)范要求。這意味著深基坑的穩(wěn)定性良好。

通過(guò)采用鋼板樁支護(hù),深基坑能夠承受不同組合應(yīng)力的作用,并保持穩(wěn)定性。鋼板樁具有高強(qiáng)度和優(yōu)異的抗彎性能,能夠有效分擔(dān)土體的荷載,并抵抗土體側(cè)壓力的影響。因此,鋼板樁的支護(hù)系統(tǒng)能夠保持深基坑的整體穩(wěn)定性,防止土體滑動(dòng)、變形或破壞。

深基坑的穩(wěn)定性是工程安全的重要保證。通過(guò)采用鋼板樁支護(hù)措施,能夠有效地提高深基坑的整體穩(wěn)定性,減少工程風(fēng)險(xiǎn),并確保施工和運(yùn)行的安全。

綜上,采用鋼板樁完成涵閘深基坑支護(hù)后,深基坑的整體穩(wěn)定性良好,并滿足規(guī)范要求。這證明了鋼板樁支護(hù)的有效性,以確保深基坑在各種荷載作用下的穩(wěn)定性和安全性。

3 結(jié)論

漢江下游堤防穿堤涵閘施工時(shí),基坑的開(kāi)挖深度較大,并且該開(kāi)挖區(qū)域處于砂壤地質(zhì)環(huán)境,導(dǎo)致基坑開(kāi)挖過(guò)程中,基坑邊坡穩(wěn)定性較差,施工安全性較低。因此,本文研究鋼板樁在漢江下游堤防穿堤涵閘深基坑支護(hù)中的有效應(yīng)用,對(duì)深基坑的開(kāi)挖進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì),通過(guò)鋼板樁對(duì)深基坑邊坡的上部分、下部分進(jìn)行支護(hù),利用鋼板樁各個(gè)部分之間的緊密結(jié)合,保證深基坑開(kāi)挖的穩(wěn)定性,避免基坑邊坡發(fā)生較大變形。