彭焱森

(廣東省公路建設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、高強輕質(zhì)、可重復使用和環(huán)保等多重優(yōu)點的鋼板樁[1]，工程施工中除了起到支護作用外，可大幅度降低土方開挖和減少施工用地，有效縮短工期，并可為水上施工提供臨時平臺,因此，鋼板樁在基坑圍堰和防洪護堤[2-8]等工程中得到廣泛應用。但并不是在所有地質(zhì)條件下鋼板樁都具有優(yōu)勢，從既有鋼板樁應用的工程案例[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，可取得良好的支護效果。

近年來隨著臨海工程的逐漸增多，大深度軟土地基及環(huán)境復雜海域的基坑支護面臨不小的挑戰(zhàn)。在海洋環(huán)境中，采用何種有效的永久或臨時支護措施，現(xiàn)階段并無可靠的施工經(jīng)驗和成熟的技術成果供借鑒，也無針對性的技術規(guī)范直接指導。

本文結(jié)合工程實際，對軟土地層海上圍堰中長懸臂不等高雙排鋼板樁的應用進行探索與分析。

1 工程概況

深中通道寶安機場南側(cè)隧道工程，與沉管對接段主線需要堰筑施工(圖1)，圍堰沿隧道軸線長度560.5m，寬度為126～216m，軸線全長 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、低強度、低滲透性、易觸變和流變等特點，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，對基槽開挖、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，受珠江沿岸強勁的入海徑流和狹長的潮汐通道影響，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，采用雙排鋼板樁實施圍堰(圖1)，樁長27～35m。清淤施工完成后，鋼板樁樁頂至土層距離高達15～18m，且面臨如下技術問題：

(1)鋼板樁插入堅硬土持力層深度較小，導致懸臂段較長，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。若強度不夠，鋼板樁在荷載作用下很快達到承載力極限狀態(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度高達15～18m。施工過程中受風浪、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度短，外露自由長度大，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錘沉樁，利用鋼管樁安裝雙排槽鋼作導樁、導梁和導架等定位導向裝置，以樁尖設計高程作為主要控制標準，頂部設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)為確保在復雜海域鋼板樁插打的位置準確，應設置定位樁。本工程定位樁采用φ50cm鋼管樁，樁長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梁焊接在鋼管樁上面，用以導向。導梁采用32號工字鋼制作，具有一定的豎向和側(cè)向剛度，保證施打時不變形。在打鋼板樁時，注意要采用兩個夾具前后夾住鋼板樁(圖3)。

圖3 導向架

(3)起重船配振動錘逐塊插打鋼板樁，需嚴格控制好樁的垂直度，尤其是第一根樁打入時應加強定位和雙向垂直度的檢查控制，確保位置準確，豎直下沉。

(4)內(nèi)排樁有27m、30m、32m等三種長度，外排樁較內(nèi)排樁長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、間隔沉樁的方法進行施工，直至全部打入完成后，對鎖口位置進行點焊，確保鋼板樁整體成型。

(5)內(nèi)外排鋼板樁頂部之間設置φ60mm@ 1 500mm的鋼拉桿，鋼拉桿安裝處設置一道圍檁，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)境復雜海域鋼板樁垂直度的控制措施：

(1)嚴格控制第一根鋼板樁的垂直度。施工時，鋼板樁腹板緊貼導向梁，利用導向梁確保鋼板樁軸線準確；在第一根樁的端頭設置限位卡(圖5)，確保第一根鋼板樁的位置準確，同時在打設過程中，采用不少于兩臺全站儀在不同位置進行交匯測量，及時調(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)逐根打設時，以第一根為垂直導向。由于鋼板樁一側(cè)為鎖扣摩擦，一側(cè)無摩擦，兩側(cè)受力不均，易導致鋼板樁往不受力的一側(cè)傾斜。為此，需及時利用手拉葫蘆調(diào)整前一根鋼板樁，并將前一根鋼板樁與導向梁固定且鋼板樁之間采用鋼筋連接。同時往一個方向施工一段時間后，采取反方向施工一段時間，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)鋼板樁施工過程中，如軸線方向產(chǎn)生過大的扇形傾斜時，采用異形樁進行糾正(圖7～圖8)。異形樁加工方式及尺寸需根據(jù)現(xiàn)場傾斜情況確定。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

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，合龍需在當天最低潮位時進行，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架內(nèi)，呈屏風狀，然后再分批施打。施打時先將兩端的鋼板樁打至設計標高或一定深度，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，先預測鋼板樁最后合龍的狀況，采用丈量合龍口長短的方式，來決定鋼板樁的寬度，之后制備與其相吻合的鋼板樁。在鋼板樁合龍過程中，若出現(xiàn)鋼板樁與接口不平行，此時就要借助外力，來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，這種情形容易導致最后一組鋼板樁難以插打，應采取將距最后一組鋼板樁最接近的鋼板墻向外部推開的措施處理。

3 長懸臂雙排鋼板樁穩(wěn)定性控制

在海域軟土地基上施工鋼板樁圍堰，由于其錨固長度短、懸臂長，受風浪和潮汐影響大，基坑挖淤過程還容易引發(fā)軟土地層的滑動、推移等風險。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，研究提出長懸臂不等高雙排鋼板樁實施圍堰，以提高圍堰的整體穩(wěn)定性。

鑒于目前尚無專門的海域厚淤泥質(zhì)環(huán)境下鋼板樁設計、施工和驗收規(guī)范可供指導，在類似海域的鋼板樁圍堰設計和施工中，如下穩(wěn)定性指標需嚴格控制：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，并且在關注上述控制指標時，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，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，應按圍堰外側(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)水位按基坑場坪標高計。堰內(nèi)反壓土坡只計自重，不計反壓土坡的被動土壓力，且不計滑移面上土體粘聚力；向外滑移時(圖9)，應按圍堰外側(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，計入反壓土坡主動土壓力，不計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，不動點即傾覆轉(zhuǎn)動中心應考慮：當發(fā)生向堰內(nèi)傾覆時，轉(zhuǎn)動中心為內(nèi)排鋼板樁樁底；向外傾覆時，不動點沿外排鋼板樁樁底，同時不可遺漏沿海床面抗傾覆的工況。內(nèi)傾時外側(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)水位按基坑場坪標高計，反壓土坡只計自重，不計反壓土坡的被動土壓力；外傾時，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，并計入反壓土坡主動土壓力。

3.3 入土深度

對于存在風浪等因素作用的復雜海域鋼板樁圍堰，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)水位按基坑場坪標高計，反壓土坡只計自重，不計反壓土坡的被動土壓力。

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)《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ 120-2012)[14]的要求進行分析。

3.5 抗管涌穩(wěn)定性

抗管涌穩(wěn)定性分析中，對于雙排鋼板樁的圍堰情況，外排樁入土深度應按原海床面至鋼板樁底距離扣除回填層厚度計，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，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。

3.6 整體穩(wěn)定性

依照《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ 120-2012)、《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB 50330-2013)[15]和《板樁碼頭設計與施工規(guī)范》(JTS 167-3-2009)[16]，鋼板樁圍堰整體穩(wěn)定驗算按圍堰內(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，可采用圓弧滑動穩(wěn)定性驗算(圖10)。

圖10 圍堰整體穩(wěn)定性分析

4 結(jié)語

通過復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)定控制指標的分析，基于工程實踐經(jīng)驗，可得出：

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

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

(3)施工每隔一段時間，采取反向捶打鋼板樁，實時調(diào)整前一根鋼板樁，以及采用異形樁進行糾正鋼板樁垂度，確保復雜海域厚軟土層鋼板樁施工的順利進行。

(4)為確保復雜海域厚軟土層鋼板樁的安全施工，需嚴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。