長(zhǎng)懸臂不等高雙排鋼板樁在海域圍堰中的應(yīng)用

彭焱森

(廣東省公路建設(shè)有限公司深中通道管理中心，廣東 中山 528400)

0 引言

具備防水性能好、高強(qiáng)輕質(zhì)、可重復(fù)使用和環(huán)保等多重優(yōu)點(diǎn)的鋼板樁[1]，工程施工中除了起到支護(hù)作用外，可大幅度降低土方開(kāi)挖和減少施工用地，有效縮短工期，并可為水上施工提供臨時(shí)平臺(tái),因此，鋼板樁在基坑圍堰和防洪護(hù)堤[2-8]等工程中得到廣泛應(yīng)用。但并不是在所有地質(zhì)條件下鋼板樁都具有優(yōu)勢(shì)，從既有鋼板樁應(yīng)用的工程案例[9-13]不難看出，鋼板樁的使用主要集中于粘土、砂性土和淺深度淤泥質(zhì)土層等地質(zhì)情況，可取得良好的支護(hù)效果。

近年來(lái)隨著臨海工程的逐漸增多，大深度軟土地基及環(huán)境復(fù)雜海域的基坑支護(hù)面臨不小的挑戰(zhàn)。在海洋環(huán)境中，采用何種有效的永久或臨時(shí)支護(hù)措施，現(xiàn)階段并無(wú)可靠的施工經(jīng)驗(yàn)和成熟的技術(shù)成果供借鑒，也無(wú)針對(duì)性的技術(shù)規(guī)范直接指導(dǎo)。

本文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)軟土地層海上圍堰中長(zhǎng)懸臂不等高雙排鋼板樁的應(yīng)用進(jìn)行探索與分析。

1 工程概況

深中通道寶安機(jī)場(chǎng)南側(cè)隧道工程，與沉管對(duì)接段主線需要堰筑施工(圖1)，圍堰沿隧道軸線長(zhǎng)度560.5m，寬度為126～216m，軸線全長(zhǎng) 1 393.4m，堰體寬10m。地層自上而下依次為淤泥土(平均厚10.3m，最大厚度15m)、粘性土(平均厚3m)和花崗巖層。該工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)淤泥層厚度大，具有含水量高、孔隙比大、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性、易觸變和流變等特點(diǎn)，其地基承載力僅為35～60kPa，穩(wěn)定性極差，在荷載作用下易側(cè)向滑移、擠出及不均勻沉降，對(duì)基槽開(kāi)挖、圍堰填筑存在較大的不良影響。

圖1 圍堰布置

由于本工程位于伶仃洋海域內(nèi)，周邊海域潮汐類(lèi)型屬于不規(guī)則的半日潮，平均潮差0.85～1.70m，最大潮差在2.3～3.2m之間。另外，受珠江沿岸強(qiáng)勁的入海徑流和狹長(zhǎng)的潮汐通道影響，施工海域漲、落潮流速較大，且施工區(qū)海域全年受風(fēng)浪影響。鑒于上述地質(zhì)情況和環(huán)境條件，經(jīng)綜合比較后，采用雙排鋼板樁實(shí)施圍堰(圖1)，樁長(zhǎng)27～35m。清淤施工完成后，鋼板樁樁頂至土層距離高達(dá)15～18m，且面臨如下技術(shù)問(wèn)題：

(1)鋼板樁插入堅(jiān)硬土持力層深度較小，導(dǎo)致懸臂段較長(zhǎng)，在外荷載作用下，鋼板樁容易產(chǎn)生較大的彎曲變形和橫向撓度，樁頂位移大。若強(qiáng)度不夠，鋼板樁在荷載作用下很快達(dá)到承載力極限狀態(tài)，從而發(fā)生材料破壞；若剛度不夠，鋼板樁在大位移下易發(fā)生整體或局部失穩(wěn)破壞，失去結(jié)構(gòu)的正常使用功能。

(2)插打后鋼板樁自由長(zhǎng)度高達(dá)15～18m。施工過(guò)程中受風(fēng)浪、潮汐的影響大，施工定位控制難度較大，垂直度控制困難；打設(shè)成排后鋼板樁在內(nèi)外壓力差的作用下，易隨地層一同傾斜，垂直度難以保證。

2 海域長(zhǎng)懸臂鋼板樁施工控制

2.1 鋼板樁施打

在淤泥質(zhì)海域施打鋼板樁，潮汐和大風(fēng)等不利環(huán)境因素加大了施工難度，影響施工誤差控制，加上本工程鋼板樁底部約束長(zhǎng)度短，外露自由長(zhǎng)度大，工程施工面臨較大挑戰(zhàn)。為此，圍堰鋼板樁采用起重船配振動(dòng)錘沉樁，利用鋼管樁安裝雙排槽鋼作導(dǎo)樁、導(dǎo)梁和導(dǎo)架等定位導(dǎo)向裝置，以樁尖設(shè)計(jì)高程作為主要控制標(biāo)準(zhǔn)，頂部設(shè)置一道圍檁及鋼拉桿固定。鋼板樁施工流程如圖2所示。

圖2 鋼板樁施工流程

(1)為確保在復(fù)雜海域鋼板樁插打的位置準(zhǔn)確，應(yīng)設(shè)置定位樁。本工程定位樁采用φ50cm鋼管樁，樁長(zhǎng)24m，間距11m，打入深度18m。在水中沿線性插打兩排，兩排鋼管樁中心間距為0.36m。

(2)將制作好的雙排雙層導(dǎo)梁焊接在鋼管樁上面，用以導(dǎo)向。導(dǎo)梁采用32號(hào)工字鋼制作，具有一定的豎向和側(cè)向剛度，保證施打時(shí)不變形。在打鋼板樁時(shí)，注意要采用兩個(gè)夾具前后夾住鋼板樁(圖3)。

圖3 導(dǎo)向架

(3)起重船配振動(dòng)錘逐塊插打鋼板樁，需嚴(yán)格控制好樁的垂直度，尤其是第一根樁打入時(shí)應(yīng)加強(qiáng)定位和雙向垂直度的檢查控制，確保位置準(zhǔn)確，豎直下沉。

(4)內(nèi)排樁有27m、30m、32m等三種長(zhǎng)度，外排樁較內(nèi)排樁長(zhǎng)3m。由于航空限高的要求，鋼板樁需分兩段施打，第一段鋼板樁打入完成后焊接第二段鋼板樁，采用拼組插入、間隔沉樁的方法進(jìn)行施工，直至全部打入完成后，對(duì)鎖口位置進(jìn)行點(diǎn)焊，確保鋼板樁整體成型。

(5)內(nèi)外排鋼板樁頂部之間設(shè)置φ60mm@ 1 500mm的鋼拉桿，鋼拉桿安裝處設(shè)置一道圍檁，其構(gòu)造如圖4所示。

圖4 雙排鋼板樁平面

2.2 糾偏及合龍控制

施工時(shí)采用逐根打入的方法，第一根鋼板樁的垂直度控制非常重要，后續(xù)施工的鋼板樁需以第一根鋼板樁為控制向?qū)А榇?，探索適合于環(huán)境復(fù)雜海域鋼板樁垂直度的控制措施：

(1)嚴(yán)格控制第一根鋼板樁的垂直度。施工時(shí)，鋼板樁腹板緊貼導(dǎo)向梁，利用導(dǎo)向梁確保鋼板樁軸線準(zhǔn)確；在第一根樁的端頭設(shè)置限位卡(圖5)，確保第一根鋼板樁的位置準(zhǔn)確，同時(shí)在打設(shè)過(guò)程中，采用不少于兩臺(tái)全站儀在不同位置進(jìn)行交匯測(cè)量，及時(shí)調(diào)整鋼板樁的垂直度，確保第一根鋼板樁的垂直度。

圖5 鋼板樁施打限位卡

(2)連續(xù)逐根打設(shè)時(shí)，以第一根為垂直導(dǎo)向。由于鋼板樁一側(cè)為鎖扣摩擦，一側(cè)無(wú)摩擦，兩側(cè)受力不均，易導(dǎo)致鋼板樁往不受力的一側(cè)傾斜。為此，需及時(shí)利用手拉葫蘆調(diào)整前一根鋼板樁，并將前一根鋼板樁與導(dǎo)向梁固定且鋼板樁之間采用鋼筋連接。同時(shí)往一個(gè)方向施工一段時(shí)間后，采取反方向施工一段時(shí)間，以調(diào)整整體垂直度(圖6)。

圖6 鋼板樁整體垂直度調(diào)整

(3)鋼板樁施工過(guò)程中，如軸線方向產(chǎn)生過(guò)大的扇形傾斜時(shí)，采用異形樁進(jìn)行糾正(圖7～圖8)。異形樁加工方式及尺寸需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傾斜情況確定。異形樁加工方案：采用直徑630mm、壁厚10mm的鋼管樁，一側(cè)開(kāi)口一側(cè)焊接半邊鋼板樁的形式，將傾斜的鋼板樁包入鋼管樁，重新調(diào)整垂直度。

圖7 矯正樁施工

圖8 矯正樁施工現(xiàn)場(chǎng)

由于外側(cè)鋼板樁高于內(nèi)側(cè)鋼板樁，需在堰體內(nèi)側(cè)采取反壓土坡確保堰體穩(wěn)定。為此，合龍需在當(dāng)天最低潮位時(shí)進(jìn)行，避免合龍后堰內(nèi)水位高于堰外，不利于堰體的穩(wěn)定。

合龍口寬約11m，將10～20根鋼板樁成排插入導(dǎo)架內(nèi)，呈屏風(fēng)狀，然后再分批施打。施打時(shí)先將兩端的鋼板樁打至設(shè)計(jì)標(biāo)高或一定深度，成為定位鋼板樁，然后在中間按順序分1/3、1/2鋼板樁高度呈階梯狀打入。為防止出現(xiàn)鋼板樁兩端側(cè)口不相吻合的狀況，先預(yù)測(cè)鋼板樁最后合龍的狀況，采用丈量合龍口長(zhǎng)短的方式，來(lái)決定鋼板樁的寬度，之后制備與其相吻合的鋼板樁。在鋼板樁合龍過(guò)程中，若出現(xiàn)鋼板樁與接口不平行，此時(shí)就要借助外力，來(lái)促使它平行地與合龍口相切。此外，在鋼板樁工程圍堰合龍?zhí)幦菀壮霈F(xiàn)不平整的狀況，如出現(xiàn)上窄下寬，這種情形容易導(dǎo)致最后一組鋼板樁難以插打，應(yīng)采取將距最后一組鋼板樁最接近的鋼板墻向外部推開(kāi)的措施處理。

3 長(zhǎng)懸臂雙排鋼板樁穩(wěn)定性控制

在海域軟土地基上施工鋼板樁圍堰，由于其錨固長(zhǎng)度短、懸臂長(zhǎng)，受風(fēng)浪和潮汐影響大，基坑挖淤過(guò)程還容易引發(fā)軟土地層的滑動(dòng)、推移等風(fēng)險(xiǎn)。即便圍堰完成后，由于在各種因素下圍堰內(nèi)外存在較為顯著的壓差，也可能導(dǎo)致鋼板樁圍堰失穩(wěn)。鑒于海域的上述特殊環(huán)境和影響，研究提出長(zhǎng)懸臂不等高雙排鋼板樁實(shí)施圍堰，以提高圍堰的整體穩(wěn)定性。

鑒于目前尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的海域厚淤泥質(zhì)環(huán)境下鋼板樁設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收規(guī)范可供指導(dǎo)，在類(lèi)似海域的鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)和施工中，如下穩(wěn)定性指標(biāo)需嚴(yán)格控制：堰體抗滑移穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性、鋼板樁入土深度、鋼板樁抗?jié)B流穩(wěn)定性和堰體抗管涌穩(wěn)定性，并且在關(guān)注上述控制指標(biāo)時(shí)，各載荷工況的取舍非常重要。

3.1 堰體抗滑移穩(wěn)定性

圍堰整體抗滑移分析時(shí)，滑移面的選擇需要考慮可能位于鋼板樁底面或原海床面位置，并且可能發(fā)生向內(nèi)或向外滑移。向內(nèi)滑移時(shí)，應(yīng)按圍堰外側(cè)水位采用高水位+波推力和圍堰內(nèi)按降水考慮，圍堰內(nèi)側(cè)及堰體內(nèi)水位按基坑場(chǎng)坪標(biāo)高計(jì)。堰內(nèi)反壓土坡只計(jì)自重，不計(jì)反壓土坡的被動(dòng)土壓力，且不計(jì)滑移面上土體粘聚力；向外滑移時(shí)(圖9)，應(yīng)按圍堰外側(cè)水位采用低水位+波吸力，堰內(nèi)側(cè)及堰體內(nèi)水位按高水位考慮，計(jì)入反壓土坡主動(dòng)土壓力，不計(jì)滑移面上土體粘聚力。

圖9 堰體抗滑移穩(wěn)定性分析

3.2 抗傾覆穩(wěn)定性

在圍堰整體抗傾覆分析時(shí)，不動(dòng)點(diǎn)即傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)中心應(yīng)考慮：當(dāng)發(fā)生向堰內(nèi)傾覆時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)中心為內(nèi)排鋼板樁樁底；向外傾覆時(shí)，不動(dòng)點(diǎn)沿外排鋼板樁樁底，同時(shí)不可遺漏沿海床面抗傾覆的工況。內(nèi)傾時(shí)外側(cè)水位采用高水位+波推力，圍堰內(nèi)按降水考慮，圍堰內(nèi)側(cè)及堰體內(nèi)水位按基坑場(chǎng)坪標(biāo)高計(jì)，反壓土坡只計(jì)自重，不計(jì)反壓土坡的被動(dòng)土壓力；外傾時(shí)，外側(cè)水位采用低水位+波吸力，圍堰內(nèi)側(cè)及堰體內(nèi)水位按高水位考慮，并計(jì)入反壓土坡主動(dòng)土壓力。

3.3 入土深度

對(duì)于存在風(fēng)浪等因素作用的復(fù)雜海域鋼板樁圍堰，內(nèi)外雙排鋼板樁的入土深度是否足夠，需要基于不同的荷載工況考慮：外排鋼板樁入土深度應(yīng)根據(jù)外側(cè)水位采用低水位+波吸力，圍堰及堰體內(nèi)水位高水位考慮；內(nèi)排鋼板樁入土深度應(yīng)基于圍堰內(nèi)低水位，圍堰內(nèi)側(cè)及堰體內(nèi)水位按基坑場(chǎng)坪標(biāo)高計(jì)，反壓土坡只計(jì)自重，不計(jì)反壓土坡的被動(dòng)土壓力。

3.4 抗?jié)B流穩(wěn)定性

抗?jié)B流穩(wěn)定性可只考慮外排鋼板樁，并根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)[14]的要求進(jìn)行分析。

3.5 抗管涌穩(wěn)定性

抗管涌穩(wěn)定性分析中，對(duì)于雙排鋼板樁的圍堰情況，外排樁入土深度應(yīng)按原海床面至鋼板樁底距離扣除回填層厚度計(jì)，內(nèi)排樁入土深度為圍堰內(nèi)側(cè)回填砂層底至樁底距離。為安全起見(jiàn)，擋水高度H按高水位線至基坑側(cè)地坪線以下1.0m左右計(jì)。

3.6 整體穩(wěn)定性

依照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)[15]和《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTS 167-3-2009)[16]，鋼板樁圍堰整體穩(wěn)定驗(yàn)算按圍堰內(nèi)降水后，外側(cè)高水位+波推力和外側(cè)低水位+波吸力、圍堰內(nèi)側(cè)及堰體內(nèi)水位按高水位工況考慮，可采用圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算(圖10)。

圖10 圍堰整體穩(wěn)定性分析

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)復(fù)雜海域鋼板樁圍堰的施工流程及其控制措施的提出，以及鋼板樁穩(wěn)定控制指標(biāo)的分析，基于工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可得出：

(1)對(duì)于厚淤泥、淺錨固的復(fù)雜海域圍堰工程，采用不等高雙排鋼板樁是可行的。同時(shí)，為提高雙排鋼板樁的橫向剛度，提高施工穩(wěn)定性，避免鋼板樁長(zhǎng)懸臂造成過(guò)大的側(cè)向變形，應(yīng)在內(nèi)外排鋼板樁頂部設(shè)置拉桿。

(2)嚴(yán)格控制第一根鋼板樁的施打垂直度，布置定位樁和導(dǎo)向梁，并在導(dǎo)向梁上設(shè)置限位卡，采取多向監(jiān)測(cè)措施，提高鋼板樁的垂直度。

(3)施工每隔一段時(shí)間，采取反向捶打鋼板樁，實(shí)時(shí)調(diào)整前一根鋼板樁，以及采用異形樁進(jìn)行糾正鋼板樁垂度，確保復(fù)雜海域厚軟土層鋼板樁施工的順利進(jìn)行。

(4)為確保復(fù)雜海域厚軟土層鋼板樁的安全施工，需嚴(yán)格控制堰體的抗滑移穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性、鋼板樁入土深度、鋼板樁抗?jié)B流穩(wěn)定性和堰體抗管涌穩(wěn)定性等。