劉學(xué)鋒，李志平，胡 云

（湖南省水利水電施工有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 工程概況

屈原管理區(qū)飲用水源取水頭部上移工程位于湘江湘陰區(qū)段，主要工程項(xiàng)目括取水泵站及機(jī)電工程、泵房、取水頭部及取水管道安裝，其中取水泵房工程位于湘江右岸河灘，迎水面距離湘江河床約60 m，泵房所在地原地面高程約▽26.5 m。

取水泵房主體結(jié)構(gòu)為外徑14.4 m，壁厚1.2 m，高22 m（不含底板及底部封底混凝土高度）的鋼筋混凝土圓筒。泵站底板厚度1.0 m，底面高程▽13.0 m，頂面高程▽14.0 m，底板以下設(shè)2 m 厚的水下混凝土封底，因此泵房基礎(chǔ)需要開(kāi)挖至▽11.0 m 高程，低于工程所在地湘江枯水期常水位約9 m，低于泵房所在地原地面高程15.5 m。

由于本項(xiàng)目為中央環(huán)保督查項(xiàng)目，項(xiàng)目必須在2018 年9 月份前施工完畢，但是由于特殊原因，本項(xiàng)目2018 年4 月才啟動(dòng)邀請(qǐng)招標(biāo)程序，為確保2018 年9 月施工完畢，該泵站工程必須在汛期進(jìn)行施工。

2 施工方案選擇

本工程開(kāi)工初期，設(shè)計(jì)單位、發(fā)包人、施工方分別提出了沉井、大開(kāi)挖、鋼板樁圍堰三種不同的施工方案：

根據(jù)地勘資料，取水泵房基礎(chǔ)地層具有不均勻性，泵房結(jié)構(gòu)外徑達(dá)到14.4 m，且建基面位于外河枯水位以下9 m，若采用人工開(kāi)挖，沉井結(jié)構(gòu)在下沉過(guò)程中，開(kāi)挖面在水頭差影響下，很容易發(fā)生流沙、管涌，極易造成安全事故；若采用水下吸砂開(kāi)挖，則開(kāi)挖范圍和深度難以控制，不能保證沉井各處的吸砂高度一致，加之地層的不均勻性，極易產(chǎn)生沉降不均而發(fā)生偏斜，一旦發(fā)生偏斜，糾偏難度很大，甚至有可能導(dǎo)致沉井報(bào)廢，沉井外圍面積過(guò)大，下沉摩擦阻力大，很難沉入設(shè)計(jì)標(biāo)高，施工工期無(wú)法保證，因此本工程不適宜采用沉井方案。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，本泵站基礎(chǔ)開(kāi)挖深度達(dá)到15.5 m左右，且基礎(chǔ)位于湘江枯水期常水位以下約9 m，因此，若采用“大開(kāi)挖”方案，預(yù)計(jì)開(kāi)挖區(qū)域開(kāi)挖開(kāi)口線(xiàn)范圍達(dá)到83.9 m×83.9 m，相應(yīng)的開(kāi)挖工程量約56 900 m3，預(yù)計(jì)需要約2.4 萬(wàn)m2的場(chǎng)地進(jìn)行堆放，施工現(xiàn)場(chǎng)很難找到這么大的空地；同時(shí)，湘江右岸河灘出露地層主要為粉質(zhì)粘土層、砂層，基礎(chǔ)承載力較差，施工便道路基處理工作量較大；而且即將進(jìn)入湘江流域的汛期，一旦外河水位漫過(guò)圍堰，河水直接傾入基坑，不僅造成前功盡棄，也存在重大安全隱患，因此“大開(kāi)挖”也不適用本工程。

拉森鋼板樁方案土石方開(kāi)挖量相對(duì)較少，后續(xù)土石方回填工程量也不大，無(wú)需較大的土方堆放場(chǎng)地；而且，只需在拉森鋼板樁外側(cè)修筑一條環(huán)向施工便道，且便道路基可位于湘江常水位以上，路基處理工程量較小，因此，施工公司最終選擇了拉森鋼板樁方案。

3 施工過(guò)程

3.1 鋼板樁圍護(hù)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）

確定拉森鋼板樁圍護(hù)方案后，施工公司立即進(jìn)行了拉森鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。由于項(xiàng)目開(kāi)工時(shí)，泵房所在地原始地面高程約為▽26.5 m，湘江外河水位約為▽21.0 m，考慮到接近汛期，外河水位還會(huì)上漲，為盡可能保證作業(yè)平臺(tái)位于外河水位以上，將施工作業(yè)平臺(tái)高程定為▽23.5 m，由于泵房基礎(chǔ)需要開(kāi)挖至▽11.0m 高程，因此鋼板樁圍護(hù)支撐土體高度為12.5 m，根據(jù)拉森鋼板樁使用要求，基坑開(kāi)挖到位后，拉森鋼板樁埋入土層深度應(yīng)為外露長(zhǎng)度的50%左右，因此，選定18 m 長(zhǎng)的拉森鋼板樁。

同時(shí)，由于泵房為外徑14.4 m 的圓筒形結(jié)構(gòu)，為便于作業(yè)，四周各預(yù)留1.6 m 的作業(yè)寬度，因此將拉森鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為17.6 m×17.6 m 的矩形。

3.2 圍檁及斜撐設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2）

為確保拉森鋼板樁圍護(hù)使用安全，分別在▽23.0 m、▽19.5 m、▽17.0 m、▽15.0 m 分別設(shè)置橫向圍檁，圍檁內(nèi)部設(shè)置斜向支撐，圍檁及斜向支撐的形式、布置位置、布置數(shù)量均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的內(nèi)力計(jì)算后確定。見(jiàn)表1。

圖2 拉森鋼板樁、圍檀、斜撐設(shè)計(jì)平面圖

圖1 拉森鋼板樁、圍檀設(shè)計(jì)平面圖

表1 拉森鋼板樁及其圍檁、斜撐材料設(shè)計(jì)表

3.3 安全穩(wěn)定性分析

根據(jù)本泵房工程拉森鋼板樁及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以下5 種工況，對(duì)鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)、圍檁及斜撐受力條件最不利：

工況一：采用挖機(jī)開(kāi)挖圍堰內(nèi)土層至第二層內(nèi)撐中心標(biāo)高▽19.5 m 以下50 cm，且第二層內(nèi)撐未安裝時(shí)。

工況二：采用長(zhǎng)臂挖機(jī)開(kāi)挖圍堰內(nèi)土層至第三層內(nèi)撐中心標(biāo)高▽17.0m 以下50cm，且第三層內(nèi)撐未安裝時(shí)。

工況三：第三層內(nèi)撐已安裝，采用水下吹砂或抽砂方法將圍堰內(nèi)細(xì)砂層清除至▽11.0 m 標(biāo)高，而封底混凝土未澆筑時(shí)。

工況四：封底混凝土澆筑待強(qiáng)后，抽水至第四層內(nèi)撐底面50 cm，且第四層內(nèi)撐未安裝時(shí)。

工況五：第四層內(nèi)撐已安裝，圍堰內(nèi)抽干水時(shí)。

為確保鋼板樁使用安全，施工公司邀請(qǐng)湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司和長(zhǎng)沙理工大學(xué)的專(zhuān)家進(jìn)行論證。湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司的專(zhuān)家采用ansys有限元分析軟件、長(zhǎng)沙理工大學(xué)的專(zhuān)家采用midas 有限元軟件分別對(duì)以上五種不同工況下，拉森鋼板樁、圍檁、斜撐等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變，以及封底混凝土的抗浮穩(wěn)定性均滿(mǎn)足鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全使用要求。

經(jīng)專(zhuān)家論證確定圍檁及斜撐設(shè)計(jì)承載能力能滿(mǎn)足土層壓力要求后，并將相應(yīng)專(zhuān)項(xiàng)方案報(bào)給現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工程師審批后，才進(jìn)行拉森鋼板樁施工。

3.4 施工過(guò)程

屈原管理區(qū)飲用水源取水口上移項(xiàng)目泵房工程拉森鋼板樁于2018 年5 月5 日正式開(kāi)始施工，2018 年5月21 日，最后一根鋼板樁插打到位。隨后，施工公司組織焊工進(jìn)行內(nèi)側(cè)圍檁的安裝與加固，然后分層組織對(duì)鋼板樁內(nèi)側(cè)土石方進(jìn)行開(kāi)挖，每開(kāi)挖至某層設(shè)計(jì)內(nèi)側(cè)圍檁位置以下50 cm 左右時(shí)，暫停開(kāi)挖，依次進(jìn)行牛腿、圍檁、斜撐安裝，并進(jìn)行加固，圍檁和斜撐安裝并加固到位，并具備受力條件后，再進(jìn)行本高程以下的基坑土石方開(kāi)挖。直至將基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)建基面高程▽11.0 m。

對(duì)于▽19.5 m 以上土石方，主要采用普通反鏟進(jìn)行開(kāi)挖；對(duì)于▽16.5 m～▽19.5 m 土石方，采用長(zhǎng)臂挖機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖。

▽16.5 m 以下土方原方案采用氣舉抽砂法一次性開(kāi)挖至▽11.0 m，然后澆筑2 m 厚的水下混凝土封底，水下混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再分層抽水，第四道圍檁和斜撐后，再將基坑積水排干，進(jìn)行后續(xù)項(xiàng)目施工。

但是，2018 年6 月，▽16.5 m 以上的土方開(kāi)挖結(jié)束后，外河水位急劇上漲，隨時(shí)有漫過(guò)圍堰、淹沒(méi)基坑、危及大堤的危險(xiǎn)；2018 年6 月8 日，岳陽(yáng)市水利專(zhuān)家聽(tīng)取各單位情況匯報(bào)后建議暫停本項(xiàng)目施工，待湘江主汛期結(jié)束后再考慮本項(xiàng)目的繼續(xù)實(shí)施。

2018 年10 月底，外河水位下降至▽19.0 m 以下，▽23.5 m 平臺(tái)完全無(wú)水，具備設(shè)備通行和作業(yè)條件；同時(shí)，基坑內(nèi)水頭差較小，基坑底部水砂壓力均較小，施工公司將開(kāi)挖方案調(diào)整為吊小型挖機(jī)進(jìn)入開(kāi)挖面直接進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖出來(lái)的渣料采用料斗裝運(yùn)，汽車(chē)吊轉(zhuǎn)運(yùn)出基坑。

2018 年12 月，原河灘面以下泵房主體結(jié)構(gòu)施工完畢，拉森鋼板樁完成歷史使命，施工公司立即組織對(duì)拉森鋼板樁及其圍檁和斜撐的拆除。

圖3 成型后的基坑

3.5 變形觀(guān)測(cè)

鋼板樁插打到位，基坑內(nèi)土石方開(kāi)挖之前，項(xiàng)目部制定了《泵站工程施工安全監(jiān)測(cè)專(zhuān)項(xiàng)方案》，在鋼板樁每一層圍檁、每一側(cè)設(shè)置變形觀(guān)測(cè)點(diǎn)，基坑內(nèi)土石方開(kāi)挖期間，項(xiàng)目部每天上午9 點(diǎn)、下午5 點(diǎn)各組織一次對(duì)拉森鋼板樁進(jìn)行變形觀(guān)測(cè)；在混凝土澆筑以及其他項(xiàng)目施工期間，每天上午9 點(diǎn)組織一次對(duì)拉森鋼板樁進(jìn)行變形觀(guān)測(cè)。

進(jìn)行變形觀(guān)測(cè)時(shí)，若發(fā)現(xiàn)變形速率明顯加快，或者累計(jì)變形量超過(guò)規(guī)范允許值，則立即通知基坑內(nèi)的施工作業(yè)人員和設(shè)備撤離，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，及時(shí)對(duì)鋼板樁圍檁及其斜撐進(jìn)行加固（若變形急速發(fā)展，垮塌已不可避免時(shí)，不得安排搶險(xiǎn)和加固）。見(jiàn)表2，表3。

4 方案實(shí)施效果

經(jīng)連續(xù)觀(guān)測(cè)，本泵站施工期間，鋼板樁變形在規(guī)范允許范圍內(nèi)，施工期間未發(fā)生基坑變形和垮塌事故，拉森鋼板樁減少了本泵站工程的土石方開(kāi)挖以及土石方回填工程量，降低了施工便道修筑工程量和土石方轉(zhuǎn)運(yùn)工程量，既確保了泵站工程施工期間的安全，確保了施工工期，又控制了工程造價(jià)，達(dá)到了預(yù)期的效果。同時(shí)，由于鋼板樁之間通過(guò)鎖扣連接，鎖扣之間的間隙很小，當(dāng)鋼板樁圍堰內(nèi)側(cè)水位低于外側(cè)地下水位時(shí)，土體中的細(xì)小顆粒在滲透水壓力作用下向鎖扣縫隙移動(dòng)，將鎖扣之間的縫隙堵住，從而達(dá)到止水防滲的作用，有效地減少了基坑排水工程量。

表2 拉森鋼板樁第一層圍檁變形記錄表（節(jié)選前5 次）

表3 拉森鋼板樁第一層圍檁變形量統(tǒng)計(jì)表（節(jié)選前4 次）

5 結(jié) 語(yǔ)

拉森鋼板樁在屈原管理區(qū)飲用水源取水口上移項(xiàng)目泵房工程中應(yīng)用，再次印證了拉森鋼板樁作為開(kāi)挖深度較深，但是開(kāi)挖尺寸不大的基坑擋土建筑物，既能對(duì)基坑邊坡形成有效的支護(hù)，又能較大程度地減少土石方開(kāi)挖工程量及后期土石方回填工作量，降低土石方運(yùn)輸工程量，還可以減少臨時(shí)施工便道的修筑工程量，降低基坑排水工作量，在節(jié)約施工投資，加快施工進(jìn)度，確?；影踩确矫婢哂兄匾饬x。