随着钢板桩在国内的使用日渐增多和认识逐渐加深, 钢板桩围堰作为一种新的围堰形式在水利、交通和港航中得到应用, 其中单排钢板桩占绝大多数。但是单排钢板桩抗弯能力较差, 顶部位移大, 且需要内部支撑结构^[1], 影响施工工作面, 这些缺点制约了单排钢板桩应用。为了克服这些缺点, 双排钢板桩围堰应运而生。双排钢板桩围堰有效克服了单排钢板桩围堰的缺点, 不仅有钢板桩施工快速、高效、节能、环保等优点, 还具备了自身能稳定、无须设支撑、占地面积小等优点。

双排钢板桩围堰的诸多优点, 使其被广泛应用于水利、港口等行业^[2]。双排钢板桩围堰已成为软土地基和深厚覆盖层上应用最广泛的围堰形式之一^[3]。虽然双排钢板桩围堰应用日渐增多, 在长兴造船基地工程^[4]、三门核电一期排水口工程^[5]、武汉东湖通道工程^[6]、雁洲水闸工程^[7]等一大批工程顺利实施, 并取得良好效果, 但在滨海淤泥地基中应用较少, 相应工程经验较为欠缺, 特别是对于滨海淤泥地基围垦工程中应用经验更少。围垦工程是解决沿海经济发达地区土地需求的重要途径之一, 而围堰工程形成是水闸得以建设的基础环节, 是确保围垦工程顺利进行的关键^[8]。双排钢板桩围堰因其施工速度快、结构安全性高、绿色环保等优点, 在未来围垦等工程中会得到越来越多的应用。因此, 结合温州瓯飞一期围垦工程, 深入研究滨海超深厚淤泥地基双排钢板桩围堰施工关键技术。

温州瓯飞一期围垦工程位于温州东部外海, 瓯江入海口西岸, 总围垦面积8 853.33万m², 主要包括海堤、水闸及通航建筑物, 工程等级为一级, 海堤、水闸等主要建筑物级别为一级。其中, 北闸位于工程区北侧, 包含10孔×8m水闸1座和6孔×8m+16m (通航孔) 水闸1座^[9]。

1) 特殊施工环境北闸围堰距离陆地最近约3km, 为北闸施工提供干地条件, 施工环境特殊, 主要有以下特点: (1) 围堰均需海上施工, 施工条件受天气影响较大, 每月施工有效工期20~25d; (2) 围堰布置在软基上, 下部存在深度>40m的淤泥和淤泥质土, 基础差; (3) 围堰需经历2~3个台汛期, 台风有大概率从其附近经过, 需采用安全可靠的围堰结构, 确保围堰安全度汛; (4) 围堰圈围形成的孤岛基坑, 远离陆地, 施工条件恶劣^[10]。

2) 地质条件瓯飞围垦一期工程北闸位于瓯江口, 地貌上属于河口沉积区, 浅层粉粒、砂性土含量相对较高。表层为流泥层, 含水量高、孔隙比大、性质极差。下部为超深厚软土层, 从上到下40m范围内主要分布淤泥和淤泥质土, 具有饱和、流塑、高压缩性等特点。根据工程施工区地质勘察成果资料, 围堰受力影响范围内各地基土层主要物理力学指标如表1所示。

北闸围堰采用环形布置, 轴线全长1 533m, 基坑面积约14.5万m², 围堰布置如图1所示。本工程围堰结构形式主要采用浮置式双排钢板桩结构, 仅在围堰两端及后期海堤连接段设置2个土石围堰段。双排钢板桩围堰段每间隔约35m设置1道横隔钢板桩墙, 将环形围堰分割成44个隔仓。围堰钢板桩墙采用U形冷弯钢板桩, 截面模量3 200cm³/m, 长27m。2排钢板桩墙间距11.0m, 内排顶高程5.500m, 外排顶高程6.300m, 仓内吹填砂回填至5.000m高程。钢板桩墙外侧设置抛石镇压平台, 平台顶高程为-0.500m, 外海侧长24.50m, 基坑侧长40.50m。2排钢板桩通过拉杆和腰梁连接, 拉杆采用70mm钢拉杆, 设置高程2.000m, 腰梁采用[32b, 围堰结构形式如图2所示。

本围堰工程共划分地基处理、钢板桩打设、内外侧镇压层和仓内填土4个分部工程进行质量控制, 质量全部评定合格。围堰建成后, 进行了抽水试验。试验表明, 围堰渗漏量可控, 变形满足设计要求且趋于稳定, 拉杆、腰梁和桩体受力远小于设计值, 准予验收并投入使用。

本围堰工程实际施工工期13个月, 相比于传统土石围堰工程, 缩短总工期5~6个月, 工期效益显著。投入使用后, 先后经历了3个台汛期, 没有发生过大变形、结构损坏及漏水现象, 结构安全可靠, 确保了水闸基坑连续干作业施工, 提高了水闸施工期防台度汛能力。

北闸双排钢板桩围堰是瓯飞一期围垦工程中的关键项目之一, 其地基条件复杂, 施工环境恶劣。在施工过程中, 该工程存在深厚淤泥地基承载力低、钢板桩打设困难、滨海中环形孤岛式围堰合龙风险大、环形孤岛式围堰最后合龙桩锁扣扣合困难等一系列难题, 必须针对上述问题进行深入研究, 确保围堰施工运行安全。

北闸双排钢板桩围堰地基是超深厚淤泥, 具有含水率高、地基承载力低等特点。本工程围堰仓内回填砂高度>8.0m, 为了减少堰体结构受力, 保证堰体施工期垂直度, 考虑采用挖除基础下一定范围内软弱淤泥, 置换回填在海水中仍有较高强度的中粗砂, 使地基形成一个较好的持力层, 达到提高承载力和减少变形的目的。经研究计算, 本工程地基换填厚度为4.0m, 换填范围在围堰双排底部距离桩体2.0m, 顶部距离桩体5.0m。

本工程地基换填主要在海水下进行, 面临水下开挖困难、淤泥回淤等问题, 主要采取如下施工技术: (1) 基础开挖施工船舶定位后, 采用分段分层进行挖泥施工, 每层开挖厚度≤2m, 分3层开挖, 其中第3层开挖包括回淤量; (2) 置换砂垫层为防止基槽两侧淤泥回淤, 基础开挖断面成型后立刻进行验收, 并立刻回填砂。回填砂分粗填和细填2步, 粗填采用自航式吸砂船, 细填采用开体驳。

北闸双排钢板桩围堰工程位于温州瓯江口西南侧, 距离陆地约3km, 为海上无掩护孤岛施工。由于海上水深风大, 传统的海上钢板桩利用船吊振动锤施工。船上施工的桩架高度比陆上低, 作业范围广, 但是材料运输不方便, 作业受风浪影响大, 精度不易控制, 对导向装置要求较高。为解决上述问题, 经研究, 本次钢板桩施工采用仓内平台法打设方案。

本工程双排钢板桩墙间距11m, 经研究在2排双排钢板桩墙之间搭设临时钢平台, 为打桩机械设备、钢板桩和施工作业人员等提供临时场地。本平台采用固定长度周转模式, 钢板桩全部打设完成后, 予以拆除回收。设计时需考虑堆放设备、材料、人员等荷载和拔钢管桩的拔桩荷载, 并以上述荷载复核结构强度和钢管桩竖向承载力。此外, 还需满足外海大风情况下不出现明显振动和竖向沉降差。

钢平台主要由立柱桩、连系梁和平台面板组成, 钢平台布置如图3所示。立柱桩采用530mm (壁厚t=16mm, 桩长L=30m) 无缝钢管, 横向间距2.32m, 纵向间距5.60m, 一次性打设平台长度约100m。连系梁由横梁和纵梁组成, 均采用HM400×300×10×16 H型钢。钢平台面板采用20mm厚防滑钢板。利用搭设钢平台, 使钢板桩作业平台坚固、稳定, 减少了风浪对其稳定性的影响, 易于完成每个钢板桩锁扣对接等高精度作业要求, 减少了传统船打容易造成跟片倾斜、锁扣卡死等问题, 避免返工重打。本工程采用仓内平台法, 不仅保证了施工过程安全, 还对施工进度有较大幅度提升, 根据施工现场记录, 考虑移动打设钢平台耗费的时间, 日均打设28根, 比传统船打施工缩短总工期20%~30%。

海上钢板桩围堰传统的龙口合龙通常考虑在龙口段设1个龙口仓, 在一定时间内 (1个涨潮退潮、平潮期内) 采用进占法完成施工。但是本工程基坑范围较大, 龙口合龙过程中, 基坑内侧水位变化难以和基坑外潮位变化同步, 使龙口内外侧形成较高水头差和较大流速。较大流速和高水头差不仅使钢板桩难以继续打设, 而且会淘刷龙口地基, 减小钢板桩的入土深度, 影响钢板桩稳定性。所以, 针对滨海双排钢板桩围堰导截流。

提出了滨海双排钢板桩围堰梳齿槽导流合龙方案新技术。根据计算, 在原有围堰龙口两侧设置导流段, 且在龙口合龙之前将导流段内外侧钢板桩在多年平均高潮位附近切割, 分成上部和下部构件, 拔起导流仓割开钢板桩上部构件, 使导流段钢板桩墙形成梳齿槽过流通道。滨海双排钢板桩围堰梳齿槽导流合龙技术相关实施步骤如下: (1) 确定双排钢板桩围堰的龙口位置和预留宽度, 在龙口段布置合龙仓, 在合龙仓两侧布置导流仓; (2) 施工完成除合龙仓和导流仓外的其余双排钢板桩围堰; (3) 打设导流仓钢板桩墙和横隔钢板桩墙, 安装腰梁和拉杆, 在导流仓内回填设计填充物; (4) 将导流仓钢板桩墙按照间隔1根或多根钢板桩的顺序, 在设定高程处切割成导流仓, 割开钢板桩上部构件和导流仓, 割开钢板桩下部构件; (5) 拔起导流仓割开钢板桩上部构件, 使导流仓钢板桩墙形成梳齿槽过流通道; (6) 打设合龙仓钢板桩墙, 安装腰梁和拉杆, 回填仓内设计填充物至设计高程; (7) 将导流仓割开钢板桩上部构件插回, 并在低潮位处将导流仓钢板桩墙的切口焊接补强, 在导流仓内回填设计填充物至设计高程, 完成双排钢板桩围堰截流施工。滨海双排钢板桩围堰梳齿槽导流合龙技术相关步骤如图4所示。

本工程钢板桩围堰为环形布置, 最后2根钢板桩需要进行合龙操作。由于围堰轴线长度、施工工艺误差和钢板桩垂直度不一致等因素, 往往使最后合龙的宽度不为单根钢板桩宽度。目前采用较多的解决方法是利用异形钢板桩, 即先根据最后合龙宽度确定合龙异形桩的宽度, 然后在钢板桩工厂进行加工或现场焊接加工。由于工厂焊接运至施工现场需要较长时间, 而现场焊接由于条件所限施工质量难以保证, 从而使钢板桩墙合龙连接具有操作复杂、龙口预留时间较长、人力物力投入较大等问题。而本围堰工程属于滨海大面积圈围, 每天随着潮涨潮落, 龙口处产生较长时间大水位差, 会不停地淘刷龙口, 影响龙口段围堰安全, 加深龙口合龙难度。

经研究, 提出钢板桩墙合龙连接新技术, 主要实施步骤如下: (1) 依次逐根打设钢板桩, 使剩余龙口宽度小于2倍钢板桩宽度, 并在打设过程中调整钢板桩墙角度, 使龙口两侧钢板桩墙间距约为2倍钢板桩宽度; (2) 龙口两侧依次打设尾桩和合龙桩, 施工尾桩和合龙桩时, 使两者均沿着小角度旋转, 使两者能够背靠背在一起; (3) 提起尾桩和合龙桩, 从桩顶按间距50cm施工1排螺栓孔, 最下部螺栓孔位于泥面 (涂面) 2m以下; (4) 螺栓孔中穿入螺栓, 并将其拧紧, 使尾桩和合龙桩现场拼装成1根异形钢板桩; (5) 同时缓慢打设尾桩和合龙桩, 并打设至设计高程; (6) 在合龙桩和尾桩上下游位置打设钢管桩, 并在钢管桩和钢板桩间的空隙内填充复合土工布。为防止合龙段漏砂, 在合龙处仓内侧悬挂复合土工布并在土工布后方抛填袋装砂。钢板桩墙合龙连接立面如图5a所示, 钢板桩墙合龙连接平面如图5b所示。

瓯飞一期围垦工程中北闸围堰采用双排钢板桩形式, 在国内围垦工程中比较少见。在围堰施工过程中, 遇到了深厚淤泥地基承载力低、恶劣环境中钢板桩打设困难、滨海环形孤岛式钢板桩围堰合龙风险大、环形孤岛式钢板桩围堰最后合龙桩锁扣扣合困难等一系列关键技术问题。通过淤泥地基吹砂换填解决了承载力低、不易于稳定的问题;通过仓内平台法施工解决了滨海恶劣环境下钢板桩打设困难等问题;通过设置梳齿槽, 解决了滨海环形孤岛式钢板桩围堰合龙风险大的问题;通过研究钢板桩墙合龙连接技术, 解决了环形孤岛式围堰最后合龙桩锁扣扣合困难的问题。通过以上施工关键技术, 使双排钢板桩围堰在滨海淤泥地基围垦工程中顺利实施。