河南省南水北调受水区郑州21号口门供水配套工程施工1标段输水管道最终汇入郑州市尖岗水库。施工作业区位于郑州市尖岗水库库区南侧。施工期正逢汛期, 此时水库内水位较深, 管道施工前需要先打围堰, 降排水后才能进行输水管道安装。而且施工作业区与大坝公路台地存在15m的高差。施工机械及人员无法进入施工作业区, 需要先修筑进入库岸的施工通道。根据现场测量及征地情况, 研究决定从副坝东50m处原状自然台地上开挖60m长斜坡通向水库岸边。由于拆迁场地限制, 周围有线杆及房屋, 需垂直开挖, 开挖需加钢支护, 以确保周围地面变形及安全。

施工通道底宽6m, 垂直开挖, 采用40cm宽钢板桩支撑支护边坡。通道长60m, 斜坡坡度1∶4, 道路两旁设置排水管。开挖位置位于尖岗水库原状台地上, 工程完工后按标准要求恢复原状。

本标段为21号口门尖岗水库引水口工程和尖岗水库—刘湾水厂线路的西四环隧洞以西输水线路 (GW0+000.00—GW0+939.00) 。该标段长1.28km, 其中引水口工程长317.64m, 包括引水渠、拦污栅段、进口顶管、进口隧洞、竖井、出口隧洞及出口顶管。

尖岗水库控制流域面积113km², 地处嵩山山前丘陵地带, 自然地势由西南向东北倾斜, 高程在海拔150.000~500.000m, 地面坡度为1/300~1/400, 流域内地形属切割堆积地形。

设计采用PCCP管材, 管径为DN2 000mm, 设计流量为5m³/s;尖岗水库—刘湾水厂输水管线长13.65km, 采用PCCP管材, 管径为DN2 400mm, 设计流量为5m³/s。

钢板桩围堰结构形式为双层钢板桩加内填土。被围护主体建筑物尺寸为15.4m×35m, 底板高程为132.400m。

水中钢板桩包括钢管桩、主梁、次梁、分布梁、路面板, 钢管桩通过机械振动锤击的方式插入河床, 钢管桩之间设置有横向连系梁和纵向连系梁, 钢管桩的顶部焊接有4个牛腿, 主梁焊接于两相邻的钢管桩顶部, 次梁依次等间距焊接于主梁上部, 分布梁依次等间距焊接于次梁上部, 路面板焊接于分布梁上部。次梁和主梁交叉设置, 分布梁和次梁交叉设置。钢管桩直径为主梁宽度的2倍, 主梁为I40a。牛腿在钢管桩的顶部均匀布置, 两相邻钢管桩的牛腿相对设置 (见图1) ^[1]。

尖岗水库设计水位142.000m, 围堰堰顶设计高程143.500m, 围堰底高程132.500m。围堰采用双层钢板桩内填土, 钢板桩顶高程142.000m, 内层钢板桩底高程127.000m, 桩长15m, 外层钢板桩桩底高程124.000m, 桩长18m。

高程142.000m以上部位采用袋装土围堰, 高1.5m, 顶高程143.500m。迎水面设置土工膜, 顶部铺20cm碎石压顶。保证特殊情况143.000m水位时围堰安全。

内层钢板桩内部设水平支撑, 采用600×10钢管设4层, 每层10道, 间距4m。内支撑腰梁与钢板桩连接, 共设4层支撑腰梁, 每层上下间隔2.5m, 腰梁采用2I45c, 腰梁下边用[25a焊托架^[2]。

内外层钢板桩顶部采用[40a锁口, 用[25a作拉杆, 间距4m。完成锁口后方可填筑层间土方。

内层围堰的几何尺寸为39m×18m×15m, 外层钢板桩围堰尺寸为45m×30m×18m。从岸边填土做施工便道, 边填土边打设内外双层钢板桩。

钢板桩入土深度和长度的确定根据尖岗水库现场的施工条件, 根据水库内水位、水速以及钢板桩的施工工艺等因素综合考虑决定内层采用长度为15m的SP-IV型 (宽40cm、小锁口) , 钢板桩顶标高为142.000m, 底低标高为127.000m, 入土深度5.5m;外层采用长度为18m的SP-IV型 (宽40cm、小锁口) 型钢板桩, 钢板桩顶标高为142.000m, 底低标高为124.000m, 入土深度8.5m。

钢板桩堆放时要进行分类、整理, 把钢板桩按型号归类进行弯曲整理、切割、焊接和修整, 选出施工需要的型号、规格、数量, 规整后待用。

钢板桩入场时要进行外观检查, 发现有缺陷时拒收。钢板桩在运输和堆放时要做好防护措施, 避免其碰撞和弯曲变形, 严禁碰坏。

钢板桩打入前将其尖处的凹槽低口封闭, 严禁泥土挤入, 锁扣涂上黄油, 对锈蚀严重或锁扣变形的钢板桩要进行修整。

自卸汽车外运土方填筑主堰平台, 每向前填筑3m, 然后用履带式起重机打设钢板桩3m, 依次向前推进。打设钢板桩从水库的两岸开始打入, 随后依次向水库中心插打, 在水库中横向围堰中心处合龙, 最初打设的前2块钢板桩的方向和位置一定要确保精度。每打设3m后测量校正1次, 确保打设的钢板桩在同一直线上。每根钢板桩施打完毕后都要与槽钢焊接牢固。根据机械的起吊能力确定钢板桩逐根插打的深度, 待全部插打完毕后再逐个打到设计标高。钢板桩合龙前要进行精确计算, 先确定龙口的位置, 配备好相应规格的异形钢板桩, 根据现场实测异形钢板桩的角度和尺寸实际切割焊接异形钢板桩, 保证围堰的密封性。

在施打钢管桩前, 应在上下游一定距离及两岸陆地设置经纬仪观测点, 用以施打定位, 各桩的入土深度符合设计要求, 从岸边依次向中心施打, 插入后在桩头焊接桩顶板及牛腿。其次, 在钢管桩上的牛腿下方分别用哈佛接头在桩间连接横向连系梁和纵向连系梁。然后, 在钢管桩的上部焊接主梁, 次梁依次按要求间距焊接于主梁上方, 形成一个整体, 然后焊接分布梁, 分布梁同样采用焊接连接于次梁上。最后, 在分布梁上部焊接路面板。施工平台完成后为钢板桩及后续主体工程施工提供栈桥作用。钢管桩的上部设置有四个方向的牛腿, 可以保证施工平台能够向四周延伸, 施工中一跨一跨依次安装, 前一跨作为后一跨施工平台。可以根据实际需要设计不同长度和宽度的平台尺寸^[1]。

履带式起重机挂上振动锤, 升高, 理顺油管及电缆。锤下降, 然后开液压口, 把1根钢板桩放置打桩锤下, 锁口抹上黄油, 起锤。待钢板桩尖离开水面30cm时, 锤停止上升, 然后锤下降, 把桩放至夹口中, 开动液压机, 夹紧桩。上升锤与桩, 然后对准桩与定位桩的锁口, 锤下降, 锤与桩落至最低深度到不能再下降位置。开打桩锤30s左右停止, 利用锤的惯性打桩至坚实土层, 再开动振动锤打桩下降, 此时一定要控制打桩锤下降速度, 使桩身保持竖直, 以便锁口能顺利咬合, 提高钢板桩的止水能力^[3]。当刚板桩打至设计高度前40cm时, 振动锤停止振动, 因为振动锤因惯性要继续转动一定时间, 可以把钢板桩打至设计高度。松开液压夹口, 然后锤上升。再开始打第2根桩, 依次类推至打完所有桩^[4]。

打桩前一定要在锁口内涂以黄油、锯末等混合物, 在钢板桩全部打设完毕后, 要及时对钢板桩围堰进行止水处理。

钢板桩具有施工质量好、安全系数高、隔水效果与稳定性较好的优点^[5]。钢板桩施工时安装拆卸方便, 施工工期短。钢板桩施工时因为用土量和混凝土用量较少, 所以环境污染小。因为钢板桩施工工艺简单, 大大缩短了施工工期, 而且钢板桩可循环利用, 所以减少了施工成本, 加快了工程进度和经济效益^[6]。

但是因为涉及机械涉水作业, 施工期间一定要保证施工安全, 汛期施工要做好度汛防水措施, 严密监视水库内水位和流速, 严防塌方事故的发生。在打桩过程中一定要有专人指挥机械作业作业。施工时, 如果发生钢板桩位移情况, 应立即停止抽水, 并组织相关人员进行抢险和抢修, 可采取加土反压并且在背水面处打桩等技术措施阻止位移的进一步发生^[7]。