雙排咬合拉森樁圍堰施工變形分析及應急措施

韓洋洋 楊山崗

鋼板樁圍堰由于它的強度高,能抵抗較大的彎矩,防水性能也很好,故特別適應于修筑深水基礎,不能采用一般的土圍堰、木板樁圍堰作防水技術施工的深水基礎都采用鋼板樁或鋼管樁圍堰進行。

新延安東排水系統(tǒng)工程泵站是采用合并原延安東、新開河排水系統(tǒng)。施工臨時圍堰采用雙排拉森樁圍堰,拉森樁選用V形,樁長24 m,堰頂標高5.5 m。堰壩平行黃浦江一側寬8 m,設三道拉桿φ 50@210 cm;垂直黃浦江兩端寬4 m～6 m設兩道拉桿。堰壩采用黃砂或黏土回填,四周土工布包裹,堰頂設置袋裝黏土層和泥結碎石面層。圍堰折算單排拉森樁158延米,圍堰外布置防撞鋼管樁10根。

拉森鋼板樁的地基由于不能澆筑水下混凝土形成穩(wěn)定的基礎,因此采用了24 m長的鋼板樁進行深入埋置,但是由于黃浦江本身淤泥層厚度很大,底層的鋼板樁對以后鋼板樁成型的穩(wěn)定起到了一定的不利因素。

在進行圍堰填土的過程中,由于失誤原因,將曬干的淤泥當作干土進行充數(shù)導致了平行于黃浦江一面的圍堰內(nèi)堆積了約50 cm厚的稀泥。圍堰做成之后便開始對圍堰內(nèi)的淤泥進行及時抽水,開挖清理。

淤泥土體強度較差,易發(fā)生剪切破壞,從而出現(xiàn)軟化的現(xiàn)象,導致圍堰上的主動土壓力過大,從而產(chǎn)生較大的變形。

具體表現(xiàn)為:9月27日回填土中第二道拉桿附近板樁外鼓,端部內(nèi)傾,第一道拉桿基本不受拉,而第二道拉桿拉力較大。間或聽到鋼結構響聲。施工單位立刻暫停施工,對圍堰變形測量顯示內(nèi)排板樁外傾6 cm～12 cm,停止回填并抽排內(nèi)側江水后基本穩(wěn)定(變形量為±2 cm之間)。

9月28日繼續(xù)回填標高5.3 m左右,圍堰變形趨勢并無明顯變化。9月29日～9月30日進行圍堰內(nèi)側基坑開挖。開挖過程中圍堰變形加劇,并出現(xiàn)第二道圍檁及拉桿損壞現(xiàn)象,中間鼓,上端收縮現(xiàn)象嚴重,圍堰堰壩土體下沉明顯(1.5 cm左右),且隨著頻繁潮汐現(xiàn)象整體搖擺幅度加大,圍堰向岸線方向累積位移量驟然加大至40 cm～60 cm。開挖過程發(fā)現(xiàn)河床底淤泥厚度較大,直至挖到設計標高(-2.6 m)仍不見底。

以此現(xiàn)象做出分析原因如下:

1)淤泥存在于鋼板樁的基礎部分和圍堰內(nèi)底層,淤泥堆在鋼板樁的后面形成主動土壓力,易出現(xiàn)剪切破壞的滑移面,造成施加在鋼板樁上的土壓力增大,在滑移面上出現(xiàn)有塑性區(qū),導致了土體的軟化,圍堰內(nèi)的土體整個抗剪性大幅降低,為了受力平衡就需要起圍護作用的鋼板樁提供更大的壓力,即主動土壓力相對于后來回填的干土增大。

2)由于河面線為陡坡形,回填土體時淤泥受擠壓作用涌向內(nèi)側,造成兩排鋼板樁的受力不均,導致外側拉森樁位移,同時拉動內(nèi)側樁的變形。圍堰拉桿外側第二排至河面線有3 m距離,加上淤泥的厚度,實際外側拉森樁計算長度達到了5 m(以上)。因此填土后外側鋼板樁下部在水平土壓力作用下受彎變形,而開始回填階段上排拉桿保持松弛,壩體的土壓力完全依靠下排拉桿,導致應力集中而產(chǎn)生墊板、導梁變形。整體穩(wěn)定不能滿足受力要求。

3)由于圍堰僅靠拉桿連接,圍堰上口沒有被鎖定,在回填時樁體下部擠壓后向兩側位移。上口向內(nèi)部位移,是造成整體不穩(wěn)定的重要因素。

4)適逢雨天氣候,雨水與后填上的干土和黃砂混合導致土體下沉并加大自重,對鋼板樁受力十分不利。由于之前鋼板樁已經(jīng)發(fā)生了傾斜,結構的重心偏離原結構中心,對鋼板樁產(chǎn)生偏心受壓。加劇了鋼板樁的傾斜,發(fā)生了拉桿受力緊張現(xiàn)象。當日觀測的數(shù)據(jù)南端的兩側相對位移比之前大了1.3 m,外側的距離為34.34 m,比之前大了1 m。而北端和中部的距離都在原有數(shù)據(jù)的基礎上幾乎沒有變化。得出整體拉森鋼板樁圍堰受力不均,拉桿相對于其他地方受力過大。

5)橫圍檁的剛度在回填(由下而上)施工工況下不夠,材料特性及制作較理論數(shù)據(jù)有折扣。鋼圍檁按照設計要求施工,但是由于焊工技藝的不同導致了不同層次的鋼圍檁在某些受力集中的地方表現(xiàn)的剛度不夠,從而對鋼板樁的約束不能達到設計的要求,造成鋼圍檁的破壞。

6)回土為帶水回填,無法保證均勻,造成鋼板樁的受力不均。圍堰的土體是造成圍堰失穩(wěn)的一個重要因素。由于土體的不穩(wěn)定性,對圍堰鋼板樁本身已經(jīng)造成了嚴重的安全隱患,又加之混合有水,致使鋼板樁內(nèi)所存在的回土土質(zhì)很不明確,無法明確判斷圍堰各個部分的受力情況。

對于以上分析結果,采用了如下的方法進行回救(見圖1):

1)在圍堰內(nèi)距離觀光平臺1 m(即平行于黃浦江),打設一排拉森鋼板樁,樁型為V形,樁長15 m,樁頂標高3.5 m,設置一排圍檁(400×400雙拼H型鋼)及拉桿(φ 50圓鋼@2 000),然后在圍堰內(nèi)排板樁與新打設拉森樁之間回填碎石至+1.50 m(底標高為混凝土護坡開挖后高程:-2.60 m)。2)同時在圍堰外圍拋填袋裝碎石至標高0.50 m,拋筑體頂寬2.0 m,外邊坡 1∶3,下沉系數(shù)1.3,考慮自然河床邊坡后平均底標高-5.0 m(其中擠淤厚度約2 m)。3)排放口施工范圍內(nèi)基坑開挖至1.50 m和0.00 m時分別布置鋼管支撐和型鋼支撐體系各一道。4)在南北兩側圍堰與原防汛墻板樁連接處采用聚氨酯發(fā)泡堵水,發(fā)泡堵水后進行雙液注漿再次加固。5)為避免基坑水壓力對排放口出水口封堵墻造成破壞,采用模板加型鋼的方式對臨時封堵墻進行加固,對滲漏點進行封堵。6)拆除結構底板并截樁進行排放口鋼筋混凝土結構施工,施工完畢并養(yǎng)護至設計強度后拆除圍堰及拉森樁墻,對河道進行疏浚,恢復原狀河床泥面線,清除周邊淤積的淤泥。7)在護坡范圍疏浚開挖到頂標高以下50 cm,進行膜袋混凝土護坡施工,膜袋混凝土厚度50 cm。

通過以上的措施及時的搶救了危險至極的鋼板樁圍堰,也為以后在圍堰內(nèi)的施工確保了安全措施。在以后的施工過程中,依舊對拉森鋼板樁進行了不間斷的觀測,測量的結果表明圍堰已經(jīng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。雖然鋼板樁比原計劃多添加了一道,付出了一定的經(jīng)濟代價,但對于整體的圍堰搶救工作起到了至關重要的作用,挽救了整體圍堰的安全性。由于本圍堰是三面圍堰并不是四面封閉狀態(tài),對以后這方面圍堰施工提供了一些寶貴經(jīng)驗,尤其是應急措施和穩(wěn)定性方面有著一定的參考價值。

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