沿海淤泥土地基中新型雙排PC工法樁圍堰的應(yīng)用分析

仝妍妍，吳 昊，吳永軍，周成洋，袁 聰，沙亞偉

（1.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇省水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002；3.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001）

水利工程建設(shè)中，常需提前修建圍堰工程，以便創(chuàng)造合適的工作環(huán)境［1-2］。圍堰結(jié)構(gòu)形式包括土圍堰、鎖扣管樁圍堰、鋼筋混凝土圍堰和鋼板樁圍堰等［3-4］，這些圍堰結(jié)構(gòu)形式有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用環(huán)境。在沿海軟土地區(qū)，鋼板樁圍堰因其具備強(qiáng)度高、施工速度快、止水性能好、易打入土層且能重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，成為了一種常用圍堰結(jié)構(gòu)形式［5-6］。但是，沿海地區(qū)可能存在深厚淤泥土地基的施工環(huán)境，淤泥土層厚度有時(shí)達(dá)到10.0 m 以上，采用雙排鋼板樁圍堰時(shí)，鋼板樁長(zhǎng)度往往設(shè)計(jì)較大，造成工程造價(jià)高昂，且影響后期拆除。

PC工法組合鋼管樁（簡(jiǎn)稱PC工法樁）是從拉森鋼板樁改進(jìn)得到的一種新型板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，由鋼管樁和拉森鋼板樁共同組成，通過(guò)鋼管樁兩側(cè)焊接的鎖口將鋼管樁和拉森鋼板樁有效連接起來(lái)，由此建立一道連續(xù)的鋼性連續(xù)板樁，用于擋土和止水［7-9］。PC 工法樁以鋼管樁為主要受力樁，與傳統(tǒng)板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，其樁身剛度得到了提高，由此改進(jìn)了拉森鋼板樁剛度偏低和易變形的缺點(diǎn)。鑒于PC 工法樁的工程應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，本文以北深泓閘加固改造工程下游圍堰工程為依托，該圍堰地處深厚淤泥質(zhì)土地基，設(shè)計(jì)和發(fā)展了一種適合該深厚淤泥土地基的新型雙排PC 工法樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)，其安全和穩(wěn)定性值得關(guān)注與分析。本文對(duì)該雙排PC 工法樁圍堰設(shè)計(jì)樣式、穩(wěn)定性驗(yàn)算和施工方法等進(jìn)行了研究和分析，有望為雙排PC 工法樁圍堰在類似淤泥土地基環(huán)境中的推廣提供價(jià)值性參考。

1 工程概況與雙排PC工法樁圍堰設(shè)計(jì)

該工程處于新沂河出?？冢挥诮K省連云港市灌云縣燕尾港鎮(zhèn)。工程場(chǎng)地土質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)特征劃分為7 層，下游圍堰大部位于①灰黃、灰色黏土、粉質(zhì)黏土上，中部位于③層灰色淤泥質(zhì)重黏土、黏土上，樁底位于⑤層灰色重砂壤土、粉砂土上。

北深泓閘下游施工截流措施為在距閘下游約200 m 處打施工圍堰。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252—2017），下游圍堰為4級(jí)水工建筑物。經(jīng)設(shè)計(jì)與施工人員研究，結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，下游圍堰擬采用雙排PC 工法樁圍堰，其結(jié)構(gòu)示意圖可見于圖1 和圖2 所示。如圖1所示，河底高程為-4.0 m，外河水位高程為3.0 m，雙排PC工法樁間距為12.0 m，通過(guò)鋼拉桿相連，基坑側(cè)緊鄰圍堰位置設(shè)置一戧臺(tái)，PC 工法樁中的鋼管樁縱向深度為27.0 m，鋼板樁縱向深度為18.0 m，如圖2 所示。鋼管直徑為630 mm，壁厚為14 mm。2根鋼管樁之間有3根鋼板樁，相鄰鋼板樁通過(guò)鎖扣條咬合固定，鋼管樁與鋼板樁通過(guò)側(cè)扣條與鎖扣條相互咬合固定，這樣就可以形成一排PC工法樁。同樣，兩排PC 工法樁之間添加素填土，且兩排工法樁用鋼拉桿相連接，鋼拉桿為直徑50 mm的HRB400。

圖1 雙排PC工法樁結(jié)構(gòu)立體示意

圖2 雙排PC工法樁結(jié)構(gòu)立體示意

2 雙排PC工法樁圍堰穩(wěn)定性驗(yàn)算

該工程地基含有深厚淤泥質(zhì)土，由于其結(jié)構(gòu)形態(tài)與力學(xué)性能和雙排鋼板樁圍堰相似，為確保圍堰工程安全性，有必要參考《水利水電工程鋼板樁圍堰技術(shù)規(guī)范》，對(duì)雙排PC 工法樁圍堰進(jìn)行抗傾覆、抗水平滑移、抗隆起和深層抗滑穩(wěn)定等驗(yàn)算。

2.1 抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算

雙排PC 工法樁板樁圍堰的抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算采用下式進(jìn)行驗(yàn)算：

式中，Ke為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，安全等級(jí)為三級(jí)的圍堰，Ke不應(yīng)小于1.15；Epk和Eak分別為基坑內(nèi)外側(cè)荷載的合力作用點(diǎn)至擋土構(gòu)件底端的距離；ap和aa分別為基坑內(nèi)、外荷載的合力作用點(diǎn)至擋土構(gòu)件底端的距離；G為鋼板樁、樁間土的自重之和；aG為鋼板樁、樁間土的重心至前排樁邊緣的水平距離。

取一段PC工法樁圍堰為對(duì)象，結(jié)合各土層物理力學(xué)參數(shù)，按式（1）開展計(jì)算，該雙排PC 工法樁圍堰抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.61，滿足規(guī)范安全要求。

2.2 抗水平滑移驗(yàn)算

圍堰的抗水平滑移穩(wěn)定性按下式計(jì)算：

式中，Kc為圍堰抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)，其值不應(yīng)小于1.2；f為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，可由試驗(yàn)或根據(jù)類似地基的工程經(jīng)驗(yàn)確定，本文取0.25；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載；∑E為作用在擋土墻上全部平行于基底面上的荷載。

經(jīng)計(jì)算，Kc為4.10，滿足規(guī)范安全要求。

2.3 抗隆起驗(yàn)算

雙排PC 工法樁圍堰嵌固深度應(yīng)滿足坑底抗隆起穩(wěn)定性要求，抗隆起穩(wěn)定性可按下列公式驗(yàn)算：

式中，Khe為抗隆起安全系數(shù)，對(duì)于該圍堰，Khe不應(yīng)小于1.4；γm1為圍堰外樁底以上土的重度，對(duì)地下水位以下的土取浮容重，對(duì)多層土取各層土按厚度加權(quán)的平均重度；γm2為圍堰內(nèi)樁底以上土的重度；ld為基坑底面至鋼板樁底面的土層厚度；h為基坑底面至鋼板樁外側(cè)河床的土層厚度；q為河床以上均布荷載；Nq和Nc為承載力系數(shù)；c和φ為擋土構(gòu)件底面以下土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

經(jīng)計(jì)算，該圍堰的抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)為2.27，滿足規(guī)范安全要求。

2.4 深層抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

為進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算，采用Autobank軟件進(jìn)行二維建模，通過(guò)建立圍堰有限元模型，并導(dǎo)入地層地質(zhì)及力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行滲流和邊坡穩(wěn)定計(jì)算。本文選用有效應(yīng)力法進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，采用瑞典圓弧法進(jìn)行計(jì)算。鑒于本文選用的PC工法樁有27 m長(zhǎng)的鋼管樁以及18 m 的鋼板樁兩段，因此，將兩段分別計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。圖3和圖4分別為雙排PC 工法樁圍堰的鋼管樁段和鋼板樁段的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，兩種板樁長(zhǎng)度的圍堰斷面安全系數(shù)分別為4.76和2.23，滿足規(guī)范安全要求。

表1 計(jì)算結(jié)果（不同板樁長(zhǎng)度）

圖3 鋼管樁段圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果（鋼管樁長(zhǎng)27 m）

圖4 鋼板樁段圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算圖（鋼管樁長(zhǎng)18 m）

綜合上述計(jì)算結(jié)果，該圍堰的抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)，抗水平滑移驗(yàn)算、抗隆起驗(yàn)算以及深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算均符合規(guī)范要求，圍堰方案安全可靠。

3 雙排PC工法樁圍堰施工方法

3.1 施工工藝流程

雙排PC 工法樁聯(lián)合支護(hù)圍堰施工工藝流程如下：

施工測(cè)量→灘地土圍堰施工→灘地段鋼板樁施工→深泓段PC板樁（PC法）施工（預(yù)留龍口）→圍檁、拉桿安裝→鋼板樁內(nèi)兩側(cè)回填土（預(yù)留龍口）→龍口填土合攏→龍口段插打鋼板、安裝圍檁和拉桿→圍堰后戧臺(tái)施工、袋裝土子堰施工→圍堰驗(yàn)收→閘塘排水→圍堰后戧修整。具體可分為下述過(guò)程。

3.2 施工準(zhǔn)備

（1）選用施工噪聲小、空氣污染少的工程機(jī)械進(jìn)場(chǎng)施工。圍堰施工前，通過(guò)測(cè)量定位出圍堰位置，隨后開展灘地圍堰土方施工和水上PC 板樁打樁施工。

（2）施工前期，于施工現(xiàn)場(chǎng)的明顯位置豎立公示牌，標(biāo)明工程施工現(xiàn)場(chǎng)存在的危險(xiǎn)源與監(jiān)控牌、可能造成環(huán)境影響的因素及各項(xiàng)安全要求等。

（3）施工用材料包括鋼板樁、Φ630 鋼管、拉桿、雙拼槽鋼圍檁、土工布等均通過(guò)陸路運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。鋼板樁采用SP-Ⅳw拉森鋼板樁，單根長(zhǎng)18 m。Φ630×14 mm鋼管長(zhǎng)27 m，共需130根，共800 t。鋼圍檁及拉桿125 t，防滲土工布2 500 m2，土方由業(yè)主指定區(qū)域就近取土。

（4）施工機(jī)械準(zhǔn)備。及時(shí)組織調(diào)遣土方施工機(jī)械、打樁設(shè)備、抽排水設(shè)備、清淤設(shè)備和水上工作船等設(shè)備運(yùn)至工地。施工機(jī)械的選擇性能好、施工效能高和證照齊全的施工機(jī)械進(jìn)場(chǎng)施工。

（5）測(cè)量放樣。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及建設(shè)單位提供的坐標(biāo)點(diǎn)建立施工控制點(diǎn)對(duì)圍堰軸線進(jìn)行放樣定位。圍堰放樣結(jié)束報(bào)請(qǐng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收復(fù)核，符合要求后方可進(jìn)入下道工序施工。

3.3 施工過(guò)程

（1）根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，采用兩臺(tái)套水上打樁設(shè)備組合，每天可以完成PC 板樁施打40～60 根，共計(jì)770根樁，30 d內(nèi)完成鋼板樁施工，計(jì)劃從2022年10月1日開工，于2022年10月31日施工完成。

（2）打樁施工從兩側(cè)岸邊向中間施打推進(jìn)，每完成20 m左右鋼板樁，立即進(jìn)行拉桿和圍堰檁的安裝固定，再進(jìn)行樁間土方回填壓實(shí)至設(shè)計(jì)高程；一段完成后，重復(fù)上述工序，進(jìn)行第二段的施工，以此循環(huán)重復(fù)，紙質(zhì)全部完成。

（3）沉樁時(shí)要嚴(yán)格控制板樁的垂直度，以免樁位偏斜造成脫榫。沉樁的位置和垂直度由定位樁和經(jīng)緯儀進(jìn)行控制，沉樁標(biāo)高通過(guò)水準(zhǔn)儀控制。

（4）根據(jù)定位尺寸，沿鋼板樁施打方向先打臨時(shí)定位樁，每5 m布置導(dǎo)向樁一對(duì)，在導(dǎo)向樁上焊接槽鋼導(dǎo)梁，用經(jīng)緯儀校驗(yàn)合格后方可開始鋼板樁施打。在鋼板樁向前施打的同時(shí)，導(dǎo)向樁和導(dǎo)梁不斷向前設(shè)置。

（5）施工過(guò)程中安排專人用垂球線分別觀察樁的軸線和垂線方向的傾斜情況，若發(fā)生傾斜，則通知操作員及時(shí)調(diào)整振動(dòng)錘進(jìn)行糾偏。在施打過(guò)程中，安排質(zhì)量監(jiān)督員必須堅(jiān)守崗位，隨時(shí)觀察樁的傾斜動(dòng)態(tài)變化，保持樁的垂直度。

（6）雙排鋼板樁形成20 m左右，及時(shí)架設(shè)圍檁，安裝對(duì)拉桿，使雙排樁形成整體，并進(jìn)行樁間填土至設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。圍檁分二道布置，在高程▽-0.5 m 和▽3.0 m 處設(shè)置兩排拉桿，采用φ50@100 鋼拉桿，圍檁采用［32a雙拼槽鋼。▽-0.5 m一道鋼圍檁，需要在最低潮位才能施工，因此必須24 h 內(nèi)趕潮施工。圍檁拉錨時(shí)應(yīng)注意圍檁槽鋼與鋼板樁的連接，如果型鋼安裝后與鋼板樁之間出現(xiàn)較大的間隙，為防止圍堰變形，應(yīng)將槽鋼與鋼板樁之間的間隙全部用槽鋼焊接支撐連接，圍堰的4 個(gè)角更應(yīng)加強(qiáng)。拉桿用螺栓固定在圍檁槽鋼上，為保證內(nèi)外鋼板樁對(duì)拉牢

固，防止螺帽滑牙，應(yīng)采用雙螺帽固定，螺帽與圍檁之間用鐵板并加橡皮墊實(shí)，防止拉桿處滲水。

3.4 圍堰拆除

（1）水下工程通過(guò)驗(yàn)收后，向圍堰內(nèi)注水以保持圍堰內(nèi)外水位基本持平后拆除圍堰。拆除前，編制方案報(bào)經(jīng)監(jiān)理審批后實(shí)施，先用挖機(jī)將圍堰鋼板樁拉桿以上部位的土方挖出，運(yùn)至指定地點(diǎn)。

（2）圍堰水下方拆除前先進(jìn)行圍堰鋼板樁拔除。拔樁采用機(jī)械手作業(yè)，選用DZ90型振動(dòng)錘，計(jì)劃投入2 臺(tái)套水上拔樁設(shè)備。拔樁前先解除連接，拆除拉桿，直到圍堰內(nèi)錨桿全部拆除完，方可進(jìn)行拔樁。拔樁施工采用機(jī)械手的夾具夾住鋼板樁，啟動(dòng)振動(dòng)錘，借助振動(dòng)錘的不斷震動(dòng)，減少樁與土之間的摩擦力，將板樁從圍堰內(nèi)拔出，然后由吊車裝車平板車轉(zhuǎn)運(yùn)出場(chǎng)。

（3）待鋼板樁清除完畢后，采用2 m3抓斗式水下挖泥船清除河道所有泥土及雜物，恢復(fù)河道原貌。水下方作業(yè)期間必須經(jīng)常探測(cè)河床底高程及河道的寬度，直到滿足設(shè)計(jì)要求。水下方拆除完成后，對(duì)河道斷面進(jìn)行復(fù)測(cè)和驗(yàn)收，報(bào)建設(shè)單位和監(jiān)理工程師共同參與驗(yàn)收。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以北深泓閘加固改造工程下游圍堰工程為例，該工程面臨深厚淤泥質(zhì)土地基的問(wèn)題，原設(shè)計(jì)方案采用雙排鋼板樁圍堰方案，鋼板樁縱向深度達(dá)到27 m，存在側(cè)向剛度偏低、工程造價(jià)較高等缺陷。為改善其結(jié)構(gòu)剛度并縮減工程造價(jià)，本文發(fā)展了一種適用于深厚淤泥土地基的雙排PC 工法樁圍堰，其中鋼管樁保持縱向深度27 m，鋼板樁縱向深度則為18 m。結(jié)合規(guī)范要求，對(duì)該雙排PC 工法樁圍堰進(jìn)行了抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗水平滑移驗(yàn)算、抗隆起驗(yàn)算以及深層抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算，穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求，圍堰方案安全可靠。最后對(duì)該雙排PC工法樁圍堰的施工方法和過(guò)程進(jìn)行了研究和分析。本文研究成果有望為雙排PC 工法樁圍堰在類似淤泥土地基環(huán)境中的推廣提供價(jià)值性參考。