双排钢板桩围堰在堤防工程施工导流中的设计与应用

▍摘要

摘要：钢板桩围堰目前在水利工程施工导流中得到广泛运用。钢板桩围堰一般适用于软土地基等区域，能按需要组合成各种形状的围堰，且止水效果较好，强度高，受力性能及施工效力高，可在较深的水中进行施工等优点，利用双排钢板桩围堰进行挡水，为堤防工程水下部分创造干地施工条件，更好地确保主体工程施工质量，提高施工进度。根据部分已有的工程实际案例经验，结合该地的水文气候条件以及该地的地质情况，还有合理较为成熟的施工工艺，对双排钢板桩施工导流围堰采用瑞典圆弧法对围堰整体稳定性进行验算，经过理论计算，钢板桩围堰结构结果偏安全。通过其钢板桩结构构造、受力特点、稳定性计算及施工工艺等方面，钢板桩围堰在较宽河道的工程提供有效的借鉴。

关键词：水利工程；双排钢板桩围堰；整体稳定计算；施工技术；监测

‍

▍引言

随着经济的快速发展，许多工程项目出现在人们的视野中，不仅数量不断增加，规模也不断扩大，工程标准也在不断提高，难度也随之增加。

板桩围堰中，钢板桩是最常见的类型。这种钢材是一种具有匙孔的钢材，其截面形状包括直z形、板形和槽形等，并且具备各种连锁的形状和尺寸。常见的有Lackawanna型、Larson型等。钢板桩广泛应用于深基坑、管道、沟渠、地下室等的开挖和围护，地下桥梁沉箱、隧道、衬砌、火车站、市政工程和土木工程项目中的挡水围护，在工程中发挥重要作用。

钢板桩围堰主要由钢板桩和钢围堰组成，钢板桩起到防水、挡土、水下密封混凝土模板的作用，钢围堰则起到沉降管道的悬挂和引导结构的作用。该技术将立柱与钢板桩相结合，以立柱及其上层作为施工平台，适用于铁路桥梁工程的大型水基础施工。

近年来，全球的水资源开发领域涌现出众多新的观念及策略。这些观点涵盖了诸如促进合作共享经济效益；保障各方权益平衡的社会需求；激励科技革新并推动管理的优化升级等方面内容，同时还注重于提升专业技术人员履行其职责的能力水平及其对于过往事迹所应承担的历史使命感上，并且特别关注到水务项目建设的长远发展的持续性和稳定性的重要意义所在。另外，关于全面评价整个建筑过程中各个环节的重要性问题也是当前的研究热点之一，例如如何实现有效的整合式管理工作流程的设计，怎样构建一套完善的项目信息化体系来提高工作效率，又或者说怎么制定统一的标准规范以指导实践操作行为等，这些问题都值得深入思考探讨一番。而从长远的角度来看，随着科技创新步伐加快且社会不断向前迈进，人们对其所需的专业技能的要求也在逐渐增高。因此，针对各类大型或小型的水源保护设施的管理工作的难度系数正在逐步攀升之中。

对于水利工程建设来说，导流施工技术作为重要的施工技术被广泛应用并且得到快速地发展。对施工技巧的使用进行引导，例如需要保证正常的水资源管理项目，加速其进展并增强其品质，这也在某种程度上有助于推动水的开发与改进。随着这项技能的持续优化，它大大地增加了水源管理的建设速度，这对行业的发展是很有利的。

▍1 工程概况和地质条件

1.1 工程概况

本工程堤岸加固改造位于广州市荔湾区珠江西航道省航芳村码头附近，工程起于省航芳村码头上游方向105 m的堤岸，止于省航芳村码头下游方向100 m的堤岸，接上下游已建堤岸。

本次实施岸线以水域控制线为边线控制，实施岸线总长205 m。新建堤岸长193.70 m，由上游现状箱型挡墙终点即本工程桩号Z0+001.85接至下游现状箱型挡墙起点即本工程桩号Z0+195.55。原堤岸加高段总长11.3 m，分别为桩号Z0+000.0~Z0+001.85与桩号Z0+195.55~Z0+205.00。

1.2 工程地质条件

工程区气候属南亚热带季风气候，温暖、潮湿、降水充沛，河网密集，地表水和地下水资源丰富。主要地下水含水层为第四纪表土间质含水层，在基岩中分布广泛，属裂隙含水层。

项目位于广东省中部双折断层群南部，属于华南亚台地或褶皱带的一部分，项目区及周边地区呈东北、北东北走向的构造。二是西北方向的结构，即项目区南侧为沙湾断裂，工程区地质构造详见珠江三角洲区域地质构造纲要图。虽然该地区的周围存在大量的地壳破碎带和地质结构变化点，但是其整体的新生代地球动力学过程呈现出一种较为稳定的态势（参照NBT 35098—2017）的水电项目地理环境分析标准来评估的话，这个地方被认为是一个具有良好稳固性的建筑地点。

依据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》中国地震动高峰速率区内图，工程区的地振动高峰速率为0.10g，而该区内图显示的地震动反应谱特征周期是0.35 s。因此，这个地震的基本烈度被定义为Ⅶ度。由于场地土以软弱土为主（表1），场地覆盖层厚约12.4~16.5 m，根据GB 50011—2010《水工建筑物抗震设计规范》，场地类别划分为Ⅱ类。

1.3 水文、气象

广州珠江河道的上段为西航道，西航道起源于广州白云区的老鸦岗，南流至白鹅潭，在白鹅潭附近的洲头嘴分为前航道和后航道，白鹅潭以东至黄埔段为前航道，白鹅潭以南至黄埔段为后航道，其中后航道至落马洲又分为沥滘水道和三枝香水道，其后它们会合并在一起，然后转向东部，到达了被称作“黄浦港”的位置，再转弯朝南方前进，直到最终抵达大海入口处的“狮门”，继而南流，经海心沙、大虎注入伶仃洋入海。

该区域处于北回归线偏南，属于南亚热带海域季风气候区。全年温热湿润，夏天炎热潮湿，冬天无严寒。无霜期超过340 d，太阳的总辐射量很大，不论是哪一个季节都非常适合农作物生长。

a）温度和湿度。该地区的年平均温度为21.8℃,7月的气温为28.4℃,1月的平均温度为13.3℃。日最高温度达到38.7℃，而最低温度则是0℃，并且存在霜冻现象。其免冻期长达340 d，同时年平均相对湿度为79%。

b）日照。该地区的年度日照总时长为1 960 h，且日照率达到了44%。从2—4月的日照时段相对较少，每个月均有超过一半的时间是阴雨天气，尤其是在3月，阴云密布的情况最为严重。然而，这种状况通常会维持大约20 d的周期，有时甚至能达到21 d。到了7—10月，日照时间变得更长，每个季度的阴雨天数都低于5 d，但在某些年份中，全年都没有出现过任何阴雨天气，尤其是以10月的光照情况最佳。

c）风向、风速。这个区域的气候特征显著地表现出明显的四季变化，秋季和冬天主要吹向北方及西部的大型且强烈的风，而春季到夏天则以南方与东部的微弱但持续的风为主导。强度通常可以达到6度甚至更高的级别并可能出现超过12级的最高等级大风暴现象，其中最强的瞬间极限可达35.4 m/s或者更快一些的情况也是有可能发生的。

d）降水。据广州的气候数据记录显示，该城市历年均降雨量约为1 675.5 mm，而最高纪录是2 865 mm（发生在1920年），最低值则是在1991年的1 061 mm。通过对年度雨量的差积曲线的研究发现，每年雨量的波动通常维持在20~30 a的周期内，因此，广州市的全年降雨情况相对比较稳定。

▍2 双排钢板桩围堰设计与稳定计算

2.1 围堰设计

堤岸工程采用双排钢板桩围堰挡水，拉森Ⅳ型钢板桩桩长15 m，桩顶高程7.5 m，桩底高程-7.5 m，排距4 m，采用ϕ32钢筋对拉，间距3.0 m；钢板桩中部填砂，填砂顶高程7.5 m；钢板桩两侧设抛石反压平台，平台顶宽3.0 m，外坡比1.0∶1.5；钢板桩顶部临水侧填筑袋装土子围堰，高0.5 m，顶宽1.0 m，两侧边坡1.0∶0.5，见图1。

双排钢板桩围堰在堤防工程施工导流中的设计与应用

‍

2.2 结构稳定计算

本次计算采用理正深基坑软件重力式水泥土墙模块进行，软件计算执行规范为JIJ 120—2012《建筑基坑支护计算规程》，对抗滑移、抗倾覆、抗隆起等计算方法进行稳定分析，采用瑞典圆弧法对围堰整体稳定性进行验算（图2）。设计过程中取外江侧水位7.46 m，内侧围堰闭气后抽干无水，在计算过程中，把外江侧的水平视作湿体积达到10 kN/m3、干体积、黏聚力、内摩擦角均为0的土层。土层参数见表1，计算结果见表2。由表中可见，各项整体稳定系数均比允许值高，但考虑到常见钢板桩尺寸有6、9、12、15 m等，若采用12 m长钢板桩，对钢板桩围堰进行整体稳定验算，整体稳定（瑞典圆弧滑动法）安全系数为1.019<1.300，故本工程采用15 m长钢板桩是合适的。

双排钢板桩围堰在堤防工程施工导流中的设计与应用

▍3 钢板桩围堰施工

拉森Ⅳ型钢板桩围堰施工工序：浮吊打桩船及履带吊的定位固定→测量放样定位轴线和标高位置→板桩两侧清基及河床沉积物排→围堰内侧排水→围堰完工验收使用→结构主体完工→拆除围堰内填砂料→钢板桩拔出。

3.1 钢板桩施工

钢板桩打拔适用于黏性土、砂土、淤泥等地质软弱层；施工前应进行试桩，试桩数量不应少于10根；钢板桩施工完成后，应时刻对其进行监测，发现问题时应及时处理。

钢板桩采用450型机械手打拔，打桩机作业平台为100 t水上浮吊，施工人员通过将桩与打桩中心线对齐来开始压桩工作，但在施工过程中，使用经纬仪检查压入的垂直度。在钢板桩压入过程中要注意压力大小，压入的时候可适当提拔桩，一直反复压入桩，确保拉森钢板桩卡口闭合且垂直。

钢板桩两侧抛石填筑采用船舶赶潮施工，500 t驳船运输块石至施工作业点，挖掘机配合人工抛填至设计高程，在低潮位时挖机水下整平。整平前采用夯锤夯击密实。内部回填采用砂料，砂料采用驳船运输至填筑作业点，吸沙泵吹填，振冲密实。顶部袋装土围堰利用合格开挖土料，人工装袋，胶轮车运输至钢板桩顶部，人工堆码密实。

堤岸工程围堰施工完成后，基坑内积水通过水泵抽排。初期基坑排水选用WQ100-100-15-7.5型水泵（扬程15 m,Q=100 m3/h,W=7.5 kW）型水泵，排水量按常水位考虑。经常性排水在基坑内设置排水沟及集水井，初拟采用WQ65-25-15-2.2（扬程15 m,Q=25 m3/h,W=2.2 kW）型。

3.2 钢板桩的拔除

基坑主体工程施工完毕后，需要取出钢板桩并进行切割以便重新利用。在开始拆除施工之前，必须注意钢板桩的拆卸顺序、时间和处理板桩孔的方法。拔桩时会有一些振动影响施工时拔桩。例如拆桩时过多的底土，引发地面位移、地面沉降等不良因素，一定程度上损坏已建建筑物。对于地下建筑构造而言，其影响主要体现在与周边建筑物的关联、周围道路的使用状况及各类地下管道系统的稳定运行方面。而针对难以通过敲击方式取出的钢板桩，则会运用振动锤和起重设备来实现震动式拆卸。这种方法可以有效解决那些不能被普通捶打手段移除的钢板桩问题。

使用振动锤可以有效地提升并移除钢板桩，但这可能会削弱其与周边土壤间的黏附强度。为了解决这一问题，需要借助额外的起重设备以抵抗拔桩过程中的反抗力量，从而成功地取出钢板桩。在执行此操作的过程中，首先利用振动锤对桩头进行适当的振动处理，以便降低其与土壤的黏附程度，接着可以在振动的同时逐步抽离。如果碰到难以移动的桩，可以采用柴油锤先行击打，随后配合振动锤同步实施振动和打击动作。完成拔桩任务之后，必须立即清理桩洞，待桩被拉到高于基座底部约1 cm的位置，暂停继续牵引，接下来应用振动锤对其进行数分钟的振动处理，使土壤变得更加紧密。

在拔桩之后，产生的桩孔可以采用填充法、压实法和振动法进行回填，这样能够减小对周围建筑物和地下管道等的干扰。

a）拔桩施工准备。包括沉桩平面布置竣工图、结构图以及压桩数据等，沉桩记录，附近管线修复等竣工图及桩位附近原有管线分布图。

b）钢板桩拔桩前拆除和改移等高空障碍物，附近及工作区域的作业场地。修筑临时运输道路，架设动力及照明线路等，清除钢板桩桩头附近的堆土，检修及维修机械设备，拟定该工序的施工方案。

c）选择振动拔桩机和吊车进行拔桩操作是必须的，并且需要满足以下条件。

①在进行拔桩之前，使用拔桩机将桩头固定牢靠，以确保起拔线与钢板桩的中心点完全对齐。

②初始阶段稍微放松吊索的力度，待振动设备工作约1.0~1.5 min之后，逐渐增加其幅度以收紧吊索，然后逐步上升。

③当使用吊车可以直接提起钢板桩的时候，停止振动。如果有多个钢板桩一起被振起来，则需要利用坠子将其分散开来。

④一旦有钢板桩被震出来，应立即将其取下，并且起吊的位置应该位于桩长的1/3之上。

⑤在进行拔桩操作时，要随时注意吊机尾部是否有翘起的迹象，以防止发生倾覆。⑥应该逐个拔出钢板桩，如果容易拔出，应优先进行。在拔起时，使用落锤轻轻震动一下，等待锁口松开后再进行拔起操作。

⑦在钢板被拔出之后，桩孔应立即进行填充并进行振动以保证其密实。

d）在进行拔桩操作时，必须确保操作方法的准确性。如果拔桩机的振动幅度达到最大值，且振动30 min后仍无法将桩拔出，那么应立刻停止振动并采取其他方法来完成拔桩工作。

e）在地下管道附近进行拔桩时，必须对管线采用保护措施，避免对附近地下管线造成过大影响，机械不得在管道上方进行作业。