樁底注漿型拉森鋼板樁止水帷幕施工工法

樁底注漿型拉森鋼板樁截水帷幕施工工法1.前言拉森鋼板樁（LassenSteelSheetPile）是香港建筑工程廣泛采用的一種截水帷幕，由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，在內(nèi)地地區(qū)也越來越多地采用此工藝，其多用于大型基坑、圍堰、溝渠開挖時(shí)的臨時(shí)支護(hù)工程。該類型樁體構(gòu)件間相互鎖扣，截水效果突出，可以充分起到擋水、擋土及控制周邊沉降的作用，具有施工速度快、綠色環(huán)保、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。在地質(zhì)條件欠佳等不利條件下，結(jié)合預(yù)鉆孔（Pre-bore）和樁底注漿（ToeGrout）的工藝，可進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的可靠性。本文結(jié)合該工法在工程實(shí)例中的應(yīng)用情況，對(duì)樁底注漿型拉森鋼板樁的施工工藝進(jìn)行了系統(tǒng)歸納，對(duì)工程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行了分析總結(jié)，為今后在香港及其他地區(qū)進(jìn)行類似的工程提供技術(shù)借鑒。2.工法特點(diǎn)及難點(diǎn)2.1主要特點(diǎn)拉森鋼板樁在支護(hù)工程中具有高質(zhì)量、高強(qiáng)度、輕質(zhì)、截水性能良好等特點(diǎn)，且在施工過程中環(huán)保效果良好，與排樁及連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，取土量和混凝土用量大大降低，避免了對(duì)地基土的過度擾動(dòng)。拉森鋼板樁施工通常不需要大型施工設(shè)備，可以在工期緊、場(chǎng)地空間受限制的情況下實(shí)現(xiàn)快速施工，節(jié)約工期。如后期采用鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)，可直接與之進(jìn)行焊接，施工方便。此外鋼板樁截面類型及設(shè)計(jì)長度可與地質(zhì)條件及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求靈活適應(yīng)，并適當(dāng)結(jié)合預(yù)鉆孔、樁底注漿等輔助工藝實(shí)現(xiàn)成樁，適用性十分廣泛。2.2主要難點(diǎn)由于拉森鋼板樁施工時(shí)采用震鉗或錘樁機(jī)的施打方法，同時(shí)鋼樁板多為輕質(zhì)薄壁構(gòu)件，在施打過程中鋼板樁走位及鎖扣變形均會(huì)影響止水效果，因此樁身定位十分重要，在全過程中應(yīng)保持垂直，需要工人及機(jī)械操作員有較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。此外，在轉(zhuǎn)角位及相鄰施工段的拼接位置需謹(jǐn)慎控制鋼板樁線形，防止對(duì)接位置漏水。在進(jìn)行化學(xué)注漿（樁底注漿中某一階段）時(shí)，需要根據(jù)預(yù)估的注漿時(shí)間來確定施工配合比，以控制漿體在注漿至指定壓力或流量后的凝結(jié)時(shí)間，避免因?yàn)槟Y(jié)過快造成注漿通路阻塞，影響注漿效果，或凝結(jié)時(shí)間太長而不能達(dá)到加固、止水的目的。因此，該項(xiàng)工藝要求工人有較高的熟練程度，需要操作工人之間有很好的配合，在施工中應(yīng)嚴(yán)格通過試驗(yàn)的方法來確定配合比，在漿體配制過程中需要隨時(shí)檢查，并在凝結(jié)前及時(shí)清洗注漿設(shè)備，防止堵塞管道。3.適用范圍本工法適用于常規(guī)的拉森鋼板樁施工，更適用于在不良地質(zhì)條件下樁底注漿的拉森鋼板樁施工，對(duì)于大型基坑開挖、圍堰施工及溝渠開挖的截水帷幕及支護(hù)工程都具有較為普遍的適用性。4.工藝原理拉森鋼板樁是帶鎖口的高強(qiáng)度鋼材，依靠鎖口互相咬合形成封閉的鋼板樁墻，可用于擋水及擋土工程，適合于在水中及地下水位以下位置防滲及提供支護(hù)。鋼板樁的截面形狀通常為U形，其特點(diǎn)是強(qiáng)度高，且抗彎性能更為突出，鋼板間鎖口結(jié)合緊密，不易漏水。本工法所闡述的拉森鋼板樁屬于錘擊樁，通過震鉗或錘樁機(jī)將鋼板構(gòu)件施打至指定深度，此外，在遇到地下堅(jiān)硬巖石或其他障礙物時(shí)，可結(jié)合預(yù)鉆孔工藝，以保證鋼板樁能夠順利施打。在填海或淤積等不良地質(zhì)條件下，由于地層致密無膠結(jié)，穩(wěn)定性差，對(duì)鋼板樁的錨固強(qiáng)度不足，通常采用樁底注漿以進(jìn)行輔助。普通水泥漿由于顆粒較大，僅依靠其單一作用不能對(duì)此類地質(zhì)進(jìn)行充分加固。因此，本工法通過小導(dǎo)管注漿技術(shù)，采用普通水泥漿及化學(xué)水泥漿（水玻璃超細(xì)水泥漿）相結(jié)合的方法，把漿體通過小導(dǎo)管按一定的擴(kuò)散半徑及加固范圍注入到鋼板樁周邊的地層中，擴(kuò)散凝膠并使其固結(jié)，從而達(dá)到加固和防水的目的。漿體凝結(jié)、硬化后既增大了鋼板樁的錨固強(qiáng)度，又延長了地下水的滲流路徑，二者形成組合止水帷幕。5.工藝流程自鋼板樁放線定位至成樁的施工流程如圖1所示，其中包括施打閘板樁、預(yù)鉆孔及樁底注漿三個(gè)分部工序，以下對(duì)各工序主要環(huán)節(jié)的操作方法、工藝流程及施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。圖1施工流程示意圖5.1鋼板樁施打工序5.1.1測(cè)設(shè)定位及地下設(shè)施探測(cè)根據(jù)鋼板樁總平面圖使用全站儀對(duì)鋼板樁的平面基點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)設(shè)，并在施打前對(duì)槽線進(jìn)行復(fù)測(cè)（圖2）。鋼板樁施打過程中任何方向與測(cè)設(shè)基線偏差不得大于15mm。在開始施打前7日應(yīng)由工程師選擇在相應(yīng)位置做淺探井（TrialPit）探測(cè)地下設(shè)施（圖3），如水管、煤氣管道、電纜、通信光纖等，明確各類設(shè)施與鋼板樁線位的距離，評(píng)估施工影響，必要時(shí)應(yīng)提前安排臨時(shí)固定或改線，以確保施工安全。挖掘措施應(yīng)符合相應(yīng)安全要求。圖2槽線復(fù)測(cè)圖3淺探井5.1.2鋼板樁施打使用高頻震鉗對(duì)鋼板樁進(jìn)行施打，施打過程中，應(yīng)在鋼板樁的兩側(cè)擺放圍檁導(dǎo)梁以確保線位準(zhǔn)確（圖4），導(dǎo)梁通常采用剛度較大的工字型鋼。鋼板樁任何方向的垂直誤差不得大于2.5‰，對(duì)于端頭位、轉(zhuǎn)角位及基準(zhǔn)樁其垂直誤差不得大于2‰，鋼板樁每貫入1m應(yīng)用水平尺進(jìn)行一次檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)超出容許誤差時(shí)應(yīng)拔出重打。此外，在鋼板樁表面每間隔1m用油漆注明相應(yīng)貫入深度標(biāo)識(shí)及鋼板樁節(jié)數(shù)（圖5）。圖4圍檁導(dǎo)梁圖5深度標(biāo)尺在施打時(shí)應(yīng)控制噪音、振動(dòng)及周邊地表沉降，不得超出當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)限值，對(duì)上述指標(biāo)還應(yīng)進(jìn)行定期檢測(cè)（圖6、圖7）。圖6振動(dòng)監(jiān)測(cè)圖7周邊沉降監(jiān)測(cè)5.1.3鋼板樁接駁由吊車吊起鋼板樁就位進(jìn)行接駁，為保證吊運(yùn)安全，應(yīng)在起吊端用炔氧焰穿孔供固定吊具。鋼板樁在一端沿厚度方向由外向內(nèi)切割45°斜面并以貫穿對(duì)接焊縫連接，如圖9所示。為加強(qiáng)連接強(qiáng)度并回補(bǔ)吊運(yùn)孔，每上下兩節(jié)鋼板樁之間加焊300mm×150mm鐵板，周邊為8mm角焊縫。圖8鋼板樁焊接示意圖圖9焊接斜面切口圖10鋼板樁吊裝焊接需由持證焊工進(jìn)行并滿足相關(guān)質(zhì)量及平整度要求，焊接完畢后由專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)，其中100%焊縫目視檢查，10%焊縫進(jìn)行超聲波或磁力檢測(cè)。圖11鋼板樁焊接圖12焊縫檢驗(yàn)第一段鋼板樁施打時(shí)，相鄰樁頂部應(yīng)保持不小于900mm高差，以增強(qiáng)后續(xù)鋼板樁的安裝連接剛度，保證樁身垂直度以及鎖口緊密性。之后的鋼板樁應(yīng)按照“裝一跳一”的規(guī)則隔位安裝于前段鋼板樁的低端位置，如圖13所示。轉(zhuǎn)角位鋼板樁應(yīng)提前按設(shè)計(jì)角度預(yù)制，為保證樁體密閉性及整體性，除接縫位置充分焊接之外，還應(yīng)加焊角鐵以增強(qiáng)構(gòu)件剛度及止水效果，如圖14所示。圖13隔位安裝圖14轉(zhuǎn)角位預(yù)制構(gòu)件5.2預(yù)鉆孔工序鋼板樁的預(yù)鉆孔工藝與傳統(tǒng)的610mm樁鉆孔工藝類似，鉆機(jī)及鉆頭就位并安裝完畢后開始鉆孔，隨深度增加不斷接駁鉆桿及焊接鋼護(hù)筒，按照設(shè)計(jì)圖紙鉆至指定深度。在遇到地下堅(jiān)硬物質(zhì)，連續(xù)鉆進(jìn)15min但貫入深度小于300mm時(shí)應(yīng)通知工程師到現(xiàn)場(chǎng)復(fù)查。鉆至指定深度時(shí)，應(yīng)在孔內(nèi)回填質(zhì)地及疏水性良好的沙土，填至地面后用吊機(jī)或必要時(shí)配合震鉗將鋼護(hù)筒拔出，在拔出過程中如發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)砂土高度降低應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充填至地面高度。此外，孔內(nèi)的鉆出物應(yīng)及時(shí)清理離場(chǎng)，不得用于再次回填。圖15預(yù)鉆孔圖16回填沙土5.3樁底注漿工序5.3.1鉆孔及管材安裝使用小型鉆機(jī)將直徑100mm的鋼管（外管）鉆進(jìn)至樁底設(shè)計(jì)灌漿深度，孔間間距為800mm~1000mm，孔中心至鋼板樁邊緣距離為100mm，鉆孔完成之后應(yīng)用清水將孔內(nèi)清洗干凈。樁底灌漿采用鋼套閥管（TubeaManchette）工藝，鋼套閥管分為套管與導(dǎo)管（注漿管），套管為內(nèi)徑40mm~50mm的PVC管材，管壁上均布貫穿孔，間距為333mm（3個(gè)/m），開孔段包有橡膠套，在壓力作用下可張開供水泥漿體單向流出，導(dǎo)管（注漿管）為帶有長度為0.5m或1.0m注漿節(jié)段的閥管，節(jié)段兩端配有橡膠閥（圖18）。鉆孔完成后首先放入套管，為防止晃動(dòng)，應(yīng)在其與外管之間的空隙中注入包裹水泥漿，比例為膨潤土：水泥：水=1:10:20，包裹注漿完成后將鋼管（外管）拔出，如果發(fā)現(xiàn)水泥漿流失應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充注至地面。48小時(shí)后可將導(dǎo)管（注漿管）通過套管放至孔底開始注漿工序。圖17樁底灌漿鉆孔圖18PVC套管及注漿閥管5.3.2樁底注漿樁底注漿根據(jù)注入材料不同分為先后兩個(gè)階段，第一階段材料為普通水泥漿，每立方米的配合比例為：水泥350kg、膨潤土35kg、水870公升，主要用于填充較大空穴、孔洞，第二階段為用硅酸鈉溶液（水玻璃）調(diào)配的超細(xì)水泥漿，通過快速形成膠狀物填滿細(xì)小空隙，每立方米的配合比例為：硅酸鈉380kg、超細(xì)水泥30kg~60kg、水620kg、減水劑0.3kg~1.2kg。注漿通過高壓泵連接注漿閥管進(jìn)行，高壓泵配有流量計(jì)及壓力表，并在注漿過程中隨時(shí)監(jiān)控并記錄注漿狀態(tài)。注漿孔位應(yīng)間隔（例如1-3-5-2-4-6）進(jìn)行，注漿范圍為由孔底至鋼板樁底上方1.0m位置，在注漿結(jié)束之前應(yīng)測(cè)量漿體深度并記錄。圖19PVC注漿套管圖20壓力注漿機(jī)注漿過程中閥管每次提升距離為333mm（與套管開孔間隔一致），當(dāng)注漿壓力或流量滿足如下條件時(shí)，可以結(jié)束并提升閥管進(jìn)行下一階段注漿：1、注漿壓力達(dá)到2倍上覆巖層壓力且不小于200kPa（不同深度上覆巖層壓力設(shè)為20kPa/m），或2、普通水泥漿注漿量超過90L或水玻璃超細(xì)水泥漿注漿量超過40L。當(dāng)注漿壓力未達(dá)到壓力要求時(shí)，應(yīng)在注漿結(jié)束3小時(shí)后補(bǔ)充注漿至指定壓力。在注漿過程中，應(yīng)對(duì)周邊地表變形進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有明顯隆起時(shí)應(yīng)立即降低注漿壓力。注漿完成后的PVC套管應(yīng)加蓋進(jìn)行保護(hù)，防止落入雜物，做好將來二次注漿的準(zhǔn)備。每一階段注漿完成后應(yīng)及時(shí)對(duì)注漿泵及注漿管進(jìn)行清洗，防止堵塞。圖21注漿及閥管提升圖22注漿深度測(cè)量記錄6.材料表1主要材料材料用途備注拉森鋼板樁受力構(gòu)件滿足相關(guān)檢驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)OPC水泥拌合灌注用水泥漿微膨脹類型或添加膨脹劑超細(xì)水泥拌合灌注用水泥漿膨潤土水泥漿添加劑減水劑水泥漿添加劑硅酸鈉配制水玻璃7.主要施工機(jī)具配置表2主要施工機(jī)具配置機(jī)械類型功能用途數(shù)量（每班組）震鉗及配套舉升機(jī)械施打鋼板樁1鉆機(jī)（610mm）鉆制預(yù)鉆孔1鉆機(jī)（100mm）鉆制樁底注漿孔1吊機(jī)鋼板樁裝配、材料吊運(yùn)每區(qū)域1部高空工作臺(tái)人工輔助鋼板樁裝配1攪拌機(jī)注漿材料配合攪拌1注漿泵壓力注漿18.主要?jiǎng)趧?dòng)力組織表3主要?jiǎng)趧?dòng)力組織職位職責(zé)數(shù)量（每班組）現(xiàn)場(chǎng)工程師協(xié)調(diào)監(jiān)理工程師驗(yàn)收相關(guān)技術(shù)要求1~2（流動(dòng)）管工施工組織、過程記錄1~2（流動(dòng)）機(jī)械操作員操作吊機(jī)、鉆機(jī)、震鉗2焊工鋼板樁焊接、切割2~4水泥工水泥漿攪拌、灌注2~4訊號(hào)員吊運(yùn)協(xié)調(diào)、安全監(jiān)督19.施工質(zhì)量要求及控制措施9.1型鋼材料質(zhì)量要求鋼板樁型鋼應(yīng)符合該地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)（香港為BSEN10025及S450J0），到貨之后由監(jiān)理工程師或業(yè)主代表按照冶煉爐號(hào)（HeatNo.）見證取樣并送第三方實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，每爐號(hào)取樣率不低于1%且不足100支部分不少于1支。檢測(cè)依照BSEN10025-1:2004進(jìn)行，合格標(biāo)準(zhǔn)為伸長率不低于17%，拉伸屈服強(qiáng)度不低于430MPa，拉伸極限強(qiáng)度不低于550MPa。檢驗(yàn)合格后于型鋼兩端噴涂綠色，視為準(zhǔn)許使用。9.2鋼板樁垂直度鋼板樁施打過程中，每貫入1m時(shí)用1.2m長水平尺測(cè)量樁身垂直度，要求一般鋼板樁垂直誤差不超過2.5‰，起始位、轉(zhuǎn)角位等重要位置垂直誤差不得超過2‰。9.3鋼板樁切口及焊接規(guī)范項(xiàng)目焊接工人注冊(cè)制度，嚴(yán)格審查焊接工人的技術(shù)資格證書。鋼板樁焊接駁口用2號(hào)風(fēng)嘴切割成45°斜面，斜面應(yīng)光滑平整。焊支使用前應(yīng)用焗爐在350°C條件下加熱烘干1小時(shí)，取出后及使用過程中使用保溫桶存放，保溫桶保持通電，溫度維持在100°C~120°C之間。焊接后用1.2m水平尺檢查兩段鋼板樁的對(duì)接平整度，要求最大縫隙不超過1.5mm。焊縫由專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)，100%焊縫進(jìn)行目視檢查，10%焊縫進(jìn)行超聲波或磁力檢查。9.4灌注水泥漿質(zhì)量要求樁底注漿材料通常不需要進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，但化學(xué)灌漿階段的水玻璃超細(xì)水泥漿的凝結(jié)時(shí)間應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，其凝結(jié)時(shí)間隨水玻璃的模數(shù)與濃度、水泥漿的濃度、水玻璃與水泥漿的體積比及溫度等因素的變化而變化。一般情況下，水玻璃的模數(shù)越大，漿體的凝結(jié)時(shí)間越短，通常水玻璃的模數(shù)控制在2.2~2.8?？傮w而言，水泥漿越濃、水灰比越小，凝結(jié)速度越快，因此在施工中處理不同位置的注漿點(diǎn)時(shí)，由于地下條件不同，應(yīng)提前通過試驗(yàn)來確定易于施工的配合比。圖23水玻璃用量控制圖24凝結(jié)時(shí)間測(cè)試10.安全及環(huán)保相關(guān)控制措施10.1安全控制加強(qiáng)工人的安全教育，建立分區(qū)責(zé)任制。所有工人進(jìn)入工地前必須參加總承包方的安全培訓(xùn)，必須按規(guī)定使用勞動(dòng)保護(hù)用品如安全帽、反光衣、安全鞋、安全繩、護(hù)目鏡、手套、口罩、耳塞等，在施工過程中分區(qū)管工和安全員相互協(xié)調(diào)，積極配合。所有施工機(jī)械應(yīng)具備有效期限內(nèi)的測(cè)試合格報(bào)告，操作人員必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。吊運(yùn)工具每季度檢查一次并噴涂相應(yīng)合格顏色，嚴(yán)禁使用未檢驗(yàn)及檢驗(yàn)未合格的工具。吊運(yùn)連接方式應(yīng)經(jīng)過計(jì)算并獲得批準(zhǔn)。安排專職吊運(yùn)監(jiān)督員、交通指揮員等，負(fù)責(zé)工作區(qū)域的圍封、人車分路，防止無關(guān)人員誤入，并對(duì)交叉作業(yè)進(jìn)行監(jiān)管。在配置水玻璃水泥漿時(shí)應(yīng)做好個(gè)人防護(hù)，防止酸堿液體對(duì)人體造成腐蝕傷害。10.2環(huán)保措施高噪音工作必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，超時(shí)工作應(yīng)提前向主管部門申請(qǐng)，在獲得批準(zhǔn)之后按規(guī)定進(jìn)行。在使用震鉗施打鋼板樁時(shí)應(yīng)對(duì)周邊地表振動(dòng)及噪音進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止超出限值。對(duì)鋼板樁施打及預(yù)鉆孔過程中產(chǎn)生的塵土、泥水進(jìn)行嚴(yán)格控制，作業(yè)過程中應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼趽?、圍堵及清洗，保證工作區(qū)域的整潔。預(yù)鉆孔挖出的污泥應(yīng)進(jìn)行合理的物理、化學(xué)處理之后清運(yùn)至指定的堆放區(qū)域，對(duì)進(jìn)出工地車輛的輪胎進(jìn)行及時(shí)清洗，防止將污泥帶至公共區(qū)域。11施工方法綜合效益分析拉森鋼板樁由于具有占地資源小、施工速度快、止水效果好的特點(diǎn)，在香港地區(qū)被廣泛采用。今年來隨著經(jīng)濟(jì)水平和城市建設(shè)的快速發(fā)展，拉森鋼板樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)在民用、市政、橋梁、工業(yè)建筑的基礎(chǔ)工程中得到更為廣泛的應(yīng)用，若后期將鋼板樁拔出重復(fù)利用，經(jīng)濟(jì)效益十分突出。本工法在部分項(xiàng)目的成功運(yùn)用為今后在香港及其他地區(qū)推廣該類型止水帷幕提供了可靠的實(shí)踐依據(jù)，也積累了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。12工程應(yīng)用實(shí)例香港兒童醫(yī)院項(xiàng)目