鋼板樁在漢江下游堤防穿堤涵閘深基坑支護中的有效應用

李延春,胡 勝,王義才

(湖北省水利水電規劃勘測設計院有限公司,武漢 430070)

0 引言

涵閘是一種位于堤壩內的建筑物,用于引水或泄水,它包括涵洞和水閘等組成部分。通常情況下,涵閘修建在河道或堤壩上,并與堤防和排水蓄水工程相結合,以實現對水流的控制[1]。在施工過程中,涵閘的使用性能受到基坑施工效果和地質條件的直接影響。鋼板樁是一種具有鎖口的型鋼,具有多種截面形狀,包括直板形、槽形和Z形等,它具有高強度和良好的防水性能等特點[2]。在漢江下游堤防穿堤涵閘的施工范圍內,主要是以砂壤土為主。在這個區域,深基坑的兩側存在密集的地下水管道,由于漏水情況,土體會軟化,導致深基坑施工時邊坡的穩定性較差[3]。

為確保深基坑的施工安全和邊坡的穩定性,本文采用鋼板樁進行支護,并研究其支護效果。通過使用鋼板樁作為支撐結構,可以增加基坑的穩定性,減少土體滑坡和坍塌的風險,保證施工安全。通過研究鋼板樁的支護效果,可以評估其在深基坑工程中的應用性能,并為類似工程提供經驗和指導。這對于提高涵閘的建設質量和安全性具有重要意義。

1 鋼板樁深基坑支護

1.1 工程概況

根據設計要求,本次郭口閘的孔數仍為2孔,孔口尺寸為3 m×4 m(寬×高)。底板設計高程考慮了老閘底板高程、地形和灌溉要求,最終確定為21.8 m。水閘由外江到內依次包括外江側進水渠護底護坡、外八字墻消力池、閘室、混凝土箱涵、內八字墻消力池和水渠護底護坡等組成。

具體布置方案如下:閘底板高程與渠底高程齊平,即為21.8 m。閘身總長83.5 m,共分為7節布置,其中閘室段長15 m。閘底板厚度1.2 m,邊墩和中墩的厚度均為1 m,頂板厚度0.8 m。閘身采用C25鋼筋混凝土,為了防止不均勻沉降,在各節洞身分縫處的底部設置了1 m寬的墊梁,底梁厚度0.6 m。閘底還設有10 cm厚的C15混凝土墊層。

該閘開挖基坑兩側地下水管道密集,且部分管網的建設年代較久,找不到具體的鋪設位置,經常發生漏水情況?；舆吰轮饕缮叭劳翗嫵?市政管網漏水會導致土體軟化和抗剪指標降低,多次出現邊坡失穩的危險情況。嚴重影響工程施工的安全,尤其在工期緊迫、雨季來臨和汛期即將到來的情況下,存在一定的安全隱患。

針對工程實際情況,在施工過程中采取了一些臨時支護處理措施。這些措施旨在增加基坑邊坡的穩定性,確保施工安全。具體的臨時支護措施可以根據實際情況選擇,如采用鋼板樁、土工格柵、噴射混凝土等技術來加固邊坡。這些措施將有助于減少土體滑坡和坍塌的風險,保障施工順利進行。

總之,通過對深基坑進行臨時支護處理,可以提高工程施工的安全性和穩定性,應對地下水管漏水引起的土體軟化問題,確保工程順利進行。在實際施工中,應密切監測邊坡的變形和地下水位的變化,及時采取必要的安全措施,保障施工人員和工程的安全。

1.2 鋼板樁深基坑支護設計

1.2.1 鋼板樁布設

為了保證漢江下游堤防穿堤涵閘深基坑開挖的安全,本文采用了鋼板樁作為臨時支護處理措施。具體措施包括上部放坡、下部鋼板樁和鋼管對撐的深基坑支護。上部邊坡分為兩級,一級邊坡高程設立了1.5 m寬的馬道;二級邊坡高程上設立了5 m寬的平臺。這樣的設置能夠提供較好的施工平臺和安全通道,便于施工人員進行作業。下部鋼板樁采用雙排拉爾森III型鋼板樁進行支護。鋼板樁之間的間距8 m,長度8.5 m。鋼板頂部設有HW300×300型鋼縱梁,通長布置,并通過自帶的鎖口相互插接連接,以增加整體的穩定性和強度。

為進一步加固支護結構,采用直徑250 mm、壁厚10 cm的鋼管進行對撐。鋼管之間間距4.5 m,通過鋼管對撐可以有效地增加支護結構的剛度和穩定性。

在臨水側還設置了降水井,用于排水,以降低基坑內的地下水位,減少土體軟化和失穩的風險。

通過采用上述鋼板樁和鋼管對撐的臨時支護處理措施,能夠有效地保證深基坑的開挖安全,并避免邊坡失穩的危險情況出現。漢江下游堤防穿堤涵閘深基坑開挖和支護斷面如圖1所示。這樣的支護措施將為施工人員提供安全穩定的工作環境,確保工程順利進行。

圖1 涵閘深基坑開挖及支護斷面示意

1.2.2 鋼板樁支護施工工藝

鋼板樁支護方案確定后,開始進行該支護體系的施工,采用分層開挖的方式完成,施工內容為:分層開挖至30 m平臺→鋼板樁施打→降水井→基坑開挖至28 m高程→加設縱梁和對撐鋼管→基坑開挖至設計高程→基礎換填→涵閘結構施工→土方回填至28 m高程→拆除縱梁和對撐鋼管→拔出鋼板樁→土方回填恢復土壩。施工的詳細步驟如下:

步驟1:以設計的邊坡比為依據,采用挖掘機進行分層開挖,分層高度3 m上下,開挖至30 m后將其作為鋼板樁和涵閘結構的施工平臺。

步驟2:利用液壓振動機完成鋼板樁的施打,并采用兩排對稱、由下游室至上游室的順序完成鋼板樁施工,同時,在施工過程中,通過人工的方式對鋼板樁的垂直度進行校正,判斷鋼板樁之間的咬合是否緊密[4]。判斷完成后,采用輕錘隨其進行敲擊,當鋼板樁入土達到一定深度后,重錘敲擊鋼板樁,直到其高程滿足設計高程為止。

步驟3:在臨水側設立降水井,井深10 m,井底高程20 m,降水井的布設間隔12 m。降水井在設立過程中,利用沖孔樁機成孔,在此基礎上放置直徑600 mm的鋼筋籠,并且表面設立3層過濾網。與此同時,在鋼筋籠和井壁之間回填細礫石,將其作為過濾網。

步驟4:涵閘深基坑開挖過程中,安裝縱梁和對撐鋼管,并在縱梁下方安裝托板,間距2.8 m,鋼管和縱梁之間通過焊接的方式連接。

步驟5:在平臺上進行深基坑開挖后,當開挖深度達到20 m后,利用小型挖掘機完成基坑底部的開挖[5],并且在開挖過程中,須利用抽水泵排除基坑內的水,降低地下水位。

步驟6:基坑開挖至設計高程后,砂壤下部為承載力較高的砂卵石層,為保證基坑的施工效果,將其挖除后,采用石渣進行填筑,厚度1 m;完成填筑后澆筑混凝土墊層對其進行找平[6],在此基礎上完成涵閘結構施工。

步驟7:涵閘結構澆筑完成后,測試其施工強度,滿足施工標準后,進行土方回填;在回填過程中,主要采用粘土完成,其粘粒含量在10%～25%之間,塑性指數為12～17。在回填時,先對涵閘結構兩側進行回填,回填至設計高程后,通過小型振動碾對回填部分進行壓實處理后[7],將縱梁和對撐板拆除;并利用液壓振動機依次拔出鋼板樁;最后分層回填至壩頂高程,恢復漢江下游堤壩,完成深基坑施工。

2 施工有效性計算與分析

2.1 性能計算方法

鋼板樁施工后,其承受的荷載主要包含鋼板樁自重、插入土層中時主動土壓力和被動土壓力,以荷載的基本組合概念,采用安全系數法進行計算,則鋼板樁承受的總荷載Fz計算公式為:

Fz=Fg+Ft+Fb

(1)

式中,Fg表示鋼板樁自重荷載;Ft表示主動土壓力荷載;Fb表示被動土壓力荷載。

2.1.1 深基坑內側抗彎性能和外側抗彎性能計算

深基坑內側抗彎性能和外側抗彎性能采用以下公式:

(2)

(3)

2.1.2 抗傾覆穩定性計算

采用被動土壓力和支點力對于鋼板樁底彎矩Mp和主動土壓力對鋼板樁的彎矩Ma的比值,表示抗傾覆安全系數ψs,其計算公式為:

(4)

抗傾覆安全系數能夠衡量基坑施工的安全性,按照《建筑基坑工程技術規范》要求,ψs的結果需大于1.2。

2.2 計算結果分析

2.2.1 抗彎性能分析

深基坑內側抗彎性能和外側抗彎性能能夠決定深基坑邊坡的穩定性,獲取在不同荷載下,深基坑內側和外側最大彎矩處的正應力結果,如表1所示。

表1 深基坑內側和外側最大彎矩處的正應力結果

通過對表1中的結果進行分析,可以得出以下結論:采用鋼板樁對涵閘深基坑進行支護后,深基坑內側和外側大彎矩處的正應力結果均在215 MPa以內,符合規范要求。這意味著采用鋼板樁支護可以有效提升深基坑的邊坡穩定性。

鋼板樁作為一種強度高、防水性能好的材料,能夠提供堅固的支撐和保護,有效地抵抗荷載作用和土體側壓力。它能夠承受較大的力量,減少土體變形和破壞的風險,從而提高邊坡的穩定性。通過采用鋼板樁支護,深基坑內側和外側的正應力得到有效控制,保持在安全范圍內。這意味著鋼板樁能夠有效地分擔荷載,并保持深基坑邊坡的穩定性,確保工程的施工安全和長期運行。

采用鋼板樁對涵閘深基坑進行支護后,能夠提升深基坑的邊坡穩定性,確保工程的安全性。然而,在實際應用中,仍需根據具體工程要求和地質條件進行詳細的設計和施工方案制定,以確保支護措施的有效性和可靠性。

2.2.2 抗傾覆穩定性分析

獲取鋼板樁在不同的組合應力下,深基坑的整體穩定性結果,由于篇幅限制,文中隨機呈現深基坑10處位置的抗傾覆安全系數結果,如表2所示。

表2 抗傾覆安全系數結果

根據表2的結果分析,可以得出以下結論:在不同大小的組合應力下,采用鋼板樁完成涵閘深基坑支護后,深基坑的整體穩定性均在1.2以上,符合規范要求。這意味著深基坑的穩定性良好。

通過采用鋼板樁支護,深基坑能夠承受不同組合應力的作用,并保持穩定性。鋼板樁具有高強度和優異的抗彎性能,能夠有效分擔土體的荷載,并抵抗土體側壓力的影響。因此,鋼板樁的支護系統能夠保持深基坑的整體穩定性,防止土體滑動、變形或破壞。

深基坑的穩定性是工程安全的重要保證。通過采用鋼板樁支護措施,能夠有效地提高深基坑的整體穩定性,減少工程風險,并確保施工和運行的安全。

綜上,采用鋼板樁完成涵閘深基坑支護后,深基坑的整體穩定性良好,并滿足規范要求。這證明了鋼板樁支護的有效性,以確保深基坑在各種荷載作用下的穩定性和安全性。

3 結論

漢江下游堤防穿堤涵閘施工時,基坑的開挖深度較大,并且該開挖區域處于砂壤地質環境,導致基坑開挖過程中,基坑邊坡穩定性較差,施工安全性較低。因此,本文研究鋼板樁在漢江下游堤防穿堤涵閘深基坑支護中的有效應用,對深基坑的開挖進行支護方案設計,通過鋼板樁對深基坑邊坡的上部分、下部分進行支護,利用鋼板樁各個部分之間的緊密結合,保證深基坑開挖的穩定性,避免基坑邊坡發生較大變形。