簡(jiǎn)易鋼板在防治流沙地質(zhì)中的快速施工技術(shù)及應(yīng)用

史靜靜 王華震 李志強(qiáng)

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展，水利工程建設(shè)的意義非常重大，水利工程建設(shè)作為基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也是保證國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的基礎(chǔ)，因此，在施工中一定要對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行保證。在施工過(guò)程中難免會(huì)遇到流砂地質(zhì)的情況，采取措施對(duì)流砂進(jìn)行防治非常重要，這樣才能保證水利工程在一個(gè)穩(wěn)定的施工環(huán)境下進(jìn)行，為工程的順利完成奠定基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外目前施工中常用的防治流沙措施有井點(diǎn)排水法、鋼板樁圍堰法、水中挖土法、基坑凍結(jié)法幾種[1]。以上施工方法無(wú)法滿足合同約定工期要求。

2 工程概況

本項(xiàng)目依托賈魯河（前程路- 萬(wàn)三路）綜合治理配套工程，賈魯河是淮河支流沙潁河的主要支流，是河南省中部地區(qū)的一條骨干排水河道，也是建設(shè)美麗河南、美麗鄭州，提升鄭州市文化旅游產(chǎn)業(yè)及投資環(huán)境，實(shí)現(xiàn)鄭州航空經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)、中原經(jīng)濟(jì)區(qū)中心城市等戰(zhàn)略目標(biāo)的基礎(chǔ)。

由于賈魯河河道治理中沿線施工護(hù)坡所處部位地層多為純砂土或粉砂土，開(kāi)挖部位土質(zhì)液限低，地下水發(fā)育較好，極易形成流沙，且受揚(yáng)塵管控等因素影響，造成有限施工天數(shù)少、工期短、跨冬季施工等不利條件，對(duì)目前施工過(guò)程中出現(xiàn)的流沙現(xiàn)象迫切需要一種快速施工、節(jié)約成本、適應(yīng)性強(qiáng)的流沙防治技術(shù)應(yīng)用于本工程中。

3 技術(shù)原理

本項(xiàng)目依托賈魯河綜合治理配套工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行研究，采用現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖使用普通鋼板簡(jiǎn)易材料，消化吸收鋼板樁的工作原理進(jìn)行使用。

3.1 利用北京理正軟件進(jìn)行滲流模擬分析，確定鋼板截滲位置，見(jiàn)圖1-2，表1。

表1 分析參數(shù)表

圖1 導(dǎo)流明渠、液壓壩址位置平面圖、斷面圖（單位：mm）

圖2 建立理正軟件滲流模型

根據(jù)理正滲流計(jì)算公式法計(jì)算出浸潤(rùn)線溢出點(diǎn)位置，表2。

表2 浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果表 單位：m

根據(jù)上面的方程，解出h0=1.2m 和q/k= 0.564(m3/d.m)。

代入通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量所得相關(guān)數(shù)據(jù)得出鋼板所處位置（浸潤(rùn)線終點(diǎn)x 坐標(biāo)=21.898(m)），逸出點(diǎn)高度1.2m 如圖3 所示。

圖3 計(jì)算結(jié)果圖（單位：mm）

3.2 仿用鋼板樁連接方式，延長(zhǎng)滲流通道、減少滲透壓力（圖4）

圖4 鋼板連接圖

3.3 簡(jiǎn)易鋼板受土壓力計(jì)算，復(fù)核簡(jiǎn)易鋼板是否滿足荷載要求。

根據(jù)土層分布關(guān)系輕粉質(zhì)壤土、粉砂層，天然容重加權(quán)平均值為：X=18KN/m3；內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值：φ =21.2° ；粘聚力加權(quán)平均值c=11，土壓力呈梯形分布。Q235 鋼板承受荷載為[f]=235Mpa。

由朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算公式可知，無(wú)黏性土中主動(dòng)土壓力強(qiáng)度Ea 與深度h 成正比，沿鋼板高的土壓力呈三角形分布（如圖5 所示）。作用在單位長(zhǎng)度擋墻上的土壓力為三角形分布面積。

圖5 無(wú)黏性土受力分布

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，鋼板主要用于淺層降水方案實(shí)施，鋼板打入深度為2m，主動(dòng)土壓力作用點(diǎn)在鋼板底部h/3=2/3=0.67m。

故，現(xiàn)場(chǎng)采用開(kāi)挖1 米，打入1m，循環(huán)施工。

經(jīng)計(jì)算鋼板打入1m，鋼板外露1m 所受土壓力為18.81KN/m，6-9m 寬鋼板所受土壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235 鋼板承受荷載。

3.4 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.4.1 制定方案

根據(jù)對(duì)開(kāi)挖部位形成的流沙進(jìn)行研究，分析流沙形成的原因、現(xiàn)狀等情況，選用施工機(jī)械選用液壓反鏟挖掘機(jī)CAT336D-Ⅱ改裝的液壓振動(dòng)錘，材料選用現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的長(zhǎng)度6-9m、寬度2m、厚度20mm 的Q235 鋼板。

3.4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（圖6）

圖6 施工工藝圖

3.4.2.1 施工準(zhǔn)備，首先要對(duì)鋼板樁進(jìn)行詳細(xì)檢查，要求無(wú)變形，無(wú)缺陷，搭接處要能夠達(dá)到一定密閉要求，否則使用前由專人維修至合格。合格的鋼板進(jìn)行分類、編號(hào)。鋼板材質(zhì)為Q235 鋼，并與槽鋼焊接牢固，槽鋼型號(hào)為20（200*75*9）。

3.4.2.2 測(cè)量放線

利用全站儀等測(cè)量設(shè)備，按設(shè)計(jì)要求測(cè)放出邊線的具體位置，并用白石灰線標(biāo)識(shí)，然后確定鋼板打設(shè)的位置線，并做好標(biāo)識(shí)。

3.4.2.3 布設(shè)鋼管

為保證鋼板位置的正確和豎直，需設(shè)置一定剛度的、堅(jiān)固的導(dǎo)架，在灰線位置每間距3m，垂直打進(jìn)6m長(zhǎng)鋼管（腳手架子管），以固定鋼板位置，使鋼板能夠垂直進(jìn)入流沙地層中，鋼板間緊密貼合，減少鋼板間因縫滲水的問(wèn)題。

通過(guò)試驗(yàn)最終采用長(zhǎng)度6m、寬度2m、厚度20mm 的鋼板進(jìn)行防滲施工。

3.4.2.4 壓入鋼板

鋼板施工必須保證垂直度偏差值不超過(guò)1%，為保證垂直度，鋼板打入過(guò)程中用兩臺(tái)經(jīng)緯儀在兩個(gè)方向進(jìn)行控制。隨時(shí)檢查垂直度，確定滿足要求后，可繼續(xù)施壓至設(shè)計(jì)高程。應(yīng)確保開(kāi)始?jí)涸O(shè)的第一、第二塊鋼板的位置和方向精確，以便起到導(dǎo)向樣板的作用，因此最多每打入1m 左右應(yīng)測(cè)量一次，如發(fā)現(xiàn)有任何偏差，及時(shí)調(diào)整，確定位置、方向、垂直度準(zhǔn)確無(wú)誤后方可繼續(xù)壓設(shè)。然后以前兩塊鋼板為樣板導(dǎo)向作用，鋼板施工順序從一側(cè)向另一側(cè)連續(xù)施打。施工過(guò)程中，為節(jié)約時(shí)間，盡量減少移動(dòng)打樁機(jī)。

3.4.2.5 基坑土方開(kāi)挖

鋼板壓入以后，采用開(kāi)挖降水的方法。首先開(kāi)挖1m 深度，開(kāi)挖完成后，分臺(tái)階再進(jìn)行鋼板壓入，循環(huán)施工，確保完成基坑開(kāi)挖工作。

3.4.3 效果評(píng)估

考慮不同規(guī)格鋼板的截滲能力不同以及流沙的嚴(yán)重程度，依托岸坡防護(hù)和液壓壩施工為基礎(chǔ)，對(duì)比研究現(xiàn)有流沙防治的措施，綜合進(jìn)度、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)成本，對(duì)鋼板截滲的效果進(jìn)行綜合評(píng)估。

4 材料與設(shè)備

4.1 材料

主要使用材料為：鋼板、槽鋼等，做好每批進(jìn)場(chǎng)材料的檢驗(yàn)工作，確保施工使用的材料皆為合格產(chǎn)品。

4.2 人員及設(shè)備

4.2.1 本技術(shù)主要施工人員配置見(jiàn)表3。

表3 主要施工人員設(shè)備配置表 單位：人

4.2.2 本技術(shù)主要施工設(shè)備配置見(jiàn)表4。

表4 主要施工設(shè)備配置表 單位：人

5 結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工所用的機(jī)械和材料對(duì)比鋼板樁施工來(lái)說(shuō)，減少費(fèi)用支出，降低工程成本，同時(shí)提高施工效率，兼顧了技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性。

5.1 采用簡(jiǎn)易鋼板施工費(fèi)用成本

CAT336D-Ⅱ：170 萬(wàn)，液壓振動(dòng)錘（含改裝）費(fèi)用25 萬(wàn)，鋼板（含槽鋼）費(fèi)用35 萬(wàn)。

采用鋼板樁施工費(fèi)用成本：

CAT336D-Ⅱ：170 萬(wàn)，液壓振動(dòng)錘（含改裝）費(fèi)用25 萬(wàn)，鋼板樁（6m）555 根，費(fèi)用成本88 萬(wàn)。材料費(fèi)用節(jié)省53 萬(wàn)元。

5.2 與鋼板樁相比較，施工速度快，施工成本低，同時(shí)證明防治流沙地層效果良好。

從技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)合理的方面來(lái)看，鋼板防治流沙地層較為成功，消除了施工安全隱患，解決了工期和成本的矛盾沖突，同時(shí)滿足了液壓壩設(shè)計(jì)要求和規(guī)范要求，保證了工程質(zhì)量，對(duì)水利施工中流沙防治具有指導(dǎo)和借鑒意義。

6 結(jié)論

目前全國(guó)的水系治理工作正如火如涂的展開(kāi)，而河道流砂層地質(zhì)情況普遍存在，流砂產(chǎn)生的原因是水在土中滲流所產(chǎn)生的動(dòng)水壓力對(duì)土體作用的結(jié)果。簡(jiǎn)易鋼板的施工技術(shù)進(jìn)行防治流沙地層具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，對(duì)比鋼板樁施工而言，成本低、施工快，材料易采購(gòu)。該技術(shù)成功在賈魯河綜合治理工程中的應(yīng)用，對(duì)流沙嚴(yán)重、工期短的水系治理工程具有較好的借鑒意義，同時(shí)該技術(shù)是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際總結(jié)出來(lái)的施工成果，為同類別的地層施工提供了依據(jù)和參考。另外，該工程施工工期短，鋼板在流砂治理使用中不夠規(guī)范，在以后水系治理工程中形成一套具有規(guī)范性使用的標(biāo)準(zhǔn)。