可回收裝配式止水鋼圍堰的綜合對(duì)比與設(shè)計(jì)選型

張 弛

(上海建工二建集團(tuán)，上海 200080)

0 引 言

圍堰是指在水利工程建設(shè)中，為建造永久性水利設(shè)施，修建的臨時(shí)性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其作用是防止水和土進(jìn)入建筑物的修建位置，以便在圍堰內(nèi)排水，開(kāi)挖基坑，修筑建筑物[1]。圍堰一般在用完后拆除，圍堰高度高于施工期內(nèi)可能出現(xiàn)的最高水位。

在水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，鋼材被大量應(yīng)用在圍堰等水利設(shè)施建設(shè)中。盡管仍存在銹蝕等問(wèn)題，但仍可用在很多臨時(shí)結(jié)構(gòu)上，比如：鋼圍堰、鋼樁、鋼圍護(hù)，等等。在建筑領(lǐng)域和交通領(lǐng)域，許多臨時(shí)基坑也需要有止水效果的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。因此，鋼圍堰形式也開(kāi)始在建筑和交通行業(yè)出現(xiàn)應(yīng)用。

1 鋼圍堰形式

按照形式分類，鋼圍堰可分為鋼板樁圍堰[2]、鎖口鋼管樁圍堰、鋼套箱圍堰[3]與鋼吊箱圍堰[4]，見(jiàn)表1。

表1 鋼圍堰的形式

圖1 鋼圍堰形式

2 鋼板樁圍堰

鋼板樁圍堰的結(jié)構(gòu)形式主要有兩個(gè)部分：鋼板樁墻和支撐體系。通常用“U”型鋼板樁，橫向通過(guò)其特有的鎖扣連接，形成組合墻，采用振動(dòng)錘將鋼板樁振入一定深度的土層。鋼板樁圍堰也可以選擇不同的拼裝形式，如：方形、橢圓形，圓形等等。工程應(yīng)用也非常廣泛，包括：道路與鐵路兩側(cè)鋼板樁的支護(hù)、堤岸的防護(hù)工程、房建的基坑工程、防砂壩工程與圍堰工程等。根據(jù)有無(wú)內(nèi)支撐以及內(nèi)支撐的數(shù)量，分為：懸臂板樁、單撐板樁和多撐板樁。根據(jù)鋼板樁支護(hù)的形式又可以分為錨拉和橫撐。

2.1 種類

目前，鋼板樁生產(chǎn)廠家主要集中在日本、韓國(guó)及盧森堡等國(guó)。鋼板樁種類主要分為U型鋼板樁、Z型鋼板樁、組合型鋼板樁，以及目前已在日本經(jīng)廣泛應(yīng)用的900 mm帽型鋼板樁。

常見(jiàn)的熱軋U型鋼板樁，基本為Ⅲ和Ⅳ型，如圖4所示。

圖2

圖3 Ⅲ和Ⅳ型型鋼板樁

表2 拉森板樁的形式

2.2 破壞形式

鋼板樁圍堰的破壞形式主要有：內(nèi)支撐的變形，接頭的破壞以及鎖扣冒水三種破壞形式。

2.3 內(nèi)支撐的施工方法

支撐體系的兩種常見(jiàn)的施工方法：

(1)逐層安裝支撐體系，逐層抽水或開(kāi)挖，到高程后澆筑墊層(不封底)；

(2)先水下開(kāi)挖到封底混凝土底面，澆筑封底混凝土，逐層安裝支撐體系，逐層抽水。

2.4 施工案例

內(nèi)湖的鋼板樁圍堰：武漢東湖通道工程。江河的鋼板樁圍堰：哈爾冰松花江大橋、壽縣淮河特大橋、廣州白云機(jī)場(chǎng)快速通道等。

3 鋼管樁圍堰

鋼管樁圍堰分干開(kāi)挖和帶水開(kāi)挖兩種形式。鎖口樁打設(shè)在施工條件允許的情況下，設(shè)置雙層導(dǎo)向，上端導(dǎo)向架上設(shè)置卡槽，精確定位鎖口樁坐標(biāo)，下端主要控制鎖口樁的打入方向。

圖4

4 鋼套箱圍堰

鋼套箱圍堰分為單壁套箱和雙壁套箱圍堰兩種形式，還有單雙壁組合鋼套箱。鋼套箱圍堰主要由壁板、豎肋、水平環(huán)板、水平斜撐、隔倉(cāng)，和刃腳等構(gòu)成，宜采用有限元模型整體仿真計(jì)算[5]。

5 沉樁與拉拔

剛管樁與鋼板樁的沉樁方式，如下：

6 綜合對(duì)比

圍堰種類、適用范圍、水流條件、水深、鋼材用量、適用建筑物，與制造難度。

圖5 打樁方式

表3 四種鋼圍堰的綜合對(duì)比

圍堰的安全等級(jí)劃分：

表4 鋼板樁、鎖扣樁圍堰安全等級(jí)劃分

7 選型堰設(shè)計(jì)

7.1 要求

(1)圍堰必須能夠承受作用在其上的各種荷載；

(2)控制滲入圍堰內(nèi)的水量，用泵抽干；

(3)在每個(gè)施工階段都必須要保證施工面的穩(wěn)定，不發(fā)生不可控制的隆起、流沙和管涌；

(4)圍堰墻體和支撐不變形不能影響圍堰附近的永久結(jié)構(gòu)或其他既有結(jié)構(gòu)；

(5)必須保證斜坡或潛在滑動(dòng)面導(dǎo)致土體失衡時(shí)能夠維持堰體整體穩(wěn)定；

(6)圍堰大小必須核實(shí)，能夠滿足其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工要求；

(7)臨時(shí)圍堰必須要能夠最大限度地回收和重復(fù)利用建筑材料。

7.2 流程

(1)設(shè)計(jì)資料收集：5年內(nèi)的氣象、水紋、地質(zhì)等資料，還有鋼管樁加工制造、運(yùn)輸、吊裝、樁錘等有關(guān)數(shù)據(jù)；

(2)圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算：風(fēng)、水流、土壓、波浪等；

(3)確定圍堰施工工序：對(duì)圍堰支撐的要求，水下開(kāi)挖或干挖等；

(4)繪制圍堰總圖：擬定鋼管樁直徑，鎖口形式，支撐間距及平面布置；

(5)計(jì)算圍堰樁長(zhǎng)：確定圍堰樁長(zhǎng)及圍堰在風(fēng)力、水流、波浪力下圍堰的抗傾覆穩(wěn)定性；

(6)建立圍堰計(jì)算模型：利用計(jì)算軟件按施工階段分析圍堰各工況下受力變形情況；

(7)調(diào)整圍堰技術(shù)方案：施工工序、內(nèi)支撐材料規(guī)格、鋼管樁直徑；

(8)復(fù)核設(shè)計(jì)方案：圍堰樁長(zhǎng)、內(nèi)支撐強(qiáng)度、圍堰整體位移。鋼板樁的長(zhǎng)度需以3的倍數(shù)。

7.3 內(nèi)支撐

內(nèi)支撐的布置需盡量避開(kāi)(鋼護(hù)筒、承臺(tái)預(yù)埋件、墩身、墩身預(yù)留鋼筋其他附屬設(shè)施)。鋼套箱、鋼吊箱內(nèi)壁兼做模板(0.1 m～0.2 m)。當(dāng)圍堰一側(cè)有斜坡或者有車輛行駛產(chǎn)生動(dòng)載時(shí)可設(shè)置擋土排樁。計(jì)算圍堰樁長(zhǎng)前需先計(jì)算封底厚度及強(qiáng)度。黏性土、黏質(zhì)粉土可采用土壓力、水壓力合算的方法，砂質(zhì)粉土、砂土、碎石土可采用土壓力、水壓力分算的方法。在土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一般采用三軸固結(jié)不排水抗剪指標(biāo)即固結(jié)快剪。圍堰在干挖時(shí)墊層厚度一般為20 cm～50 cm即可。

7.4 注意事項(xiàng)

(1)設(shè)計(jì)水位與施工水位的區(qū)別；

(2)圍堰兩側(cè)是否存在斜坡，水土壓力的區(qū)別；

(3)地質(zhì)的分析采用水土分算/合算；

(4)圍堰的施工方式(引孔、整體下放)；

(5)圍堰封底能否滿足一次性施工承臺(tái)的要求；

(6)止水帷幕與圍檁間縫隙的填充；

(7)鎖口樁頂部、底部需設(shè)置加強(qiáng)箍；

(8)有些圍堰需要干挖，再混凝土澆筑封底。

8 結(jié)束語(yǔ)

可回收的裝配式止水鋼管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型與加工工藝已趨于成熟。隨著節(jié)約資源和環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)、高效，又便捷的止水鋼圍堰形式，相比于混凝土制成的圍堰、圍護(hù)，以及支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。必將更為廣泛地應(yīng)用在水利領(lǐng)域的圍堰工程、建筑領(lǐng)域的大型基坑工程，以及市政領(lǐng)域的道路工程等方面。