桩底注浆型拉森钢板桩止水帷幕施工工法

桩底注浆型拉森钢板桩截水帷幕施工工法1.前言拉森钢板桩（LassenSteelSheetPile）是香港建筑工程广泛采用的一种截水帷幕，由于经济快速发展，在内地地区也越来越多地采用此工艺，其多用于大型基坑、围堰、沟渠开挖时的临时支护工程。该类型桩体构件间相互锁扣，截水效果突出，可以充分起到挡水、挡土及控制周边沉降的作用，具有施工速度快、绿色环保、质量好等优点。在地质条件欠佳等不利条件下，结合预钻孔（Pre-bore）和桩底注浆（ToeGrout）的工艺，可进一步提高结构的可靠性。本文结合该工法在工程实例中的应用情况，对桩底注浆型拉森钢板桩的施工工艺进行了系统归纳，对工程中的重点、难点进行了分析总结，为今后在香港及其他地区进行类似的工程提供技术借鉴。2.工法特点及难点2.1主要特点拉森钢板桩在支护工程中具有高质量、高强度、轻质、截水性能良好等特点，且在施工过程中环保效果良好，与排桩及连续墙支护结构相比，取土量和混凝土用量大大降低，避免了对地基土的过度扰动。拉森钢板桩施工通常不需要大型施工设备，可以在工期紧、场地空间受限制的情况下实现快速施工，节约工期。如后期采用钢结构支护，可直接与之进行焊接，施工方便。此外钢板桩截面类型及设计长度可与地质条件及支护结构设计需求灵活适应，并适当结合预钻孔、桩底注浆等辅助工艺实现成桩，适用性十分广泛。2.2主要难点由于拉森钢板桩施工时采用震钳或锤桩机的施打方法，同时钢桩板多为轻质薄壁构件，在施打过程中钢板桩走位及锁扣变形均会影响止水效果，因此桩身定位十分重要，在全过程中应保持垂直，需要工人及机械操作员有较为丰富的经验。此外，在转角位及相邻施工段的拼接位置需谨慎控制钢板桩线形，防止对接位置漏水。在进行化学注浆（桩底注浆中某一阶段）时，需要根据预估的注浆时间来确定施工配合比，以控制浆体在注浆至指定压力或流量后的凝结时间，避免因为凝结过快造成注浆通路阻塞，影响注浆效果，或凝结时间太长而不能达到加固、止水的目的。因此，该项工艺要求工人有较高的熟练程度，需要操作工人之间有很好的配合，在施工中应严格通过试验的方法来确定配合比，在浆体配制过程中需要随时检查，并在凝结前及时清洗注浆设备，防止堵塞管道。3.适用范围本工法适用于常规的拉森钢板桩施工，更适用于在不良地质条件下桩底注浆的拉森钢板桩施工，对于大型基坑开挖、围堰施工及沟渠开挖的截水帷幕及支护工程都具有较为普遍的适用性。4.工艺原理拉森钢板桩是带锁口的高强度钢材，依靠锁口互相咬合形成封闭的钢板桩墙，可用于挡水及挡土工程，适合于在水中及地下水位以下位置防渗及提供支护。钢板桩的截面形状通常为U形，其特点是强度高，且抗弯性能更为突出，钢板间锁口结合紧密，不易漏水。本工法所阐述的拉森钢板桩属于锤击桩，通过震钳或锤桩机将钢板构件施打至指定深度，此外，在遇到地下坚硬岩石或其他障碍物时，可结合预钻孔工艺，以保证钢板桩能够顺利施打。在填海或淤积等不良地质条件下，由于地层致密无胶结，稳定性差，对钢板桩的锚固强度不足，通常采用桩底注浆以进行辅助。普通水泥浆由于颗粒较大，仅依靠其单一作用不能对此类地质进行充分加固。因此，本工法通过小导管注浆技术，采用普通水泥浆及化学水泥浆（水玻璃超细水泥浆）相结合的方法，把浆体通过小导管按一定的扩散半径及加固范围注入到钢板桩周边的地层中，扩散凝胶并使其固结，从而达到加固和防水的目的。浆体凝结、硬化后既增大了钢板桩的锚固强度，又延长了地下水的渗流路径，二者形成组合止水帷幕。5.工艺流程自钢板桩放线定位至成桩的施工流程如图1所示，其中包括施打闸板桩、预钻孔及桩底注浆三个分部工序，以下对各工序主要环节的操作方法、工艺流程及施工标准进行详细介绍。图1施工流程示意图5.1钢板桩施打工序5.1.1测设定位及地下设施探测根据钢板桩总平面图使用全站仪对钢板桩的平面基点进行定点测设，并在施打前对槽线进行复测（图2）。钢板桩施打过程中任何方向与测设基线偏差不得大于15mm。在开始施打前7日应由工程师选择在相应位置做浅探井（TrialPit）探测地下设施（图3），如水管、煤气管道、电缆、通信光纤等，明确各类设施与钢板桩线位的距离，评估施工影响，必要时应提前安排临时固定或改线，以确保施工安全。挖掘措施应符合相应安全要求。图2槽线复测图3浅探井5.1.2钢板桩施打使用高频震钳对钢板桩进行施打，施打过程中，应在钢板桩的两侧摆放围檩导梁以确保线位准确（图4），导梁通常采用刚度较大的工字型钢。钢板桩任何方向的垂直误差不得大于2.5‰，对于端头位、转角位及基准桩其垂直误差不得大于2‰，钢板桩每贯入1m应用水平尺进行一次检测，当发现超出容许误差时应拔出重打。此外，在钢板桩表面每间隔1m用油漆注明相应贯入深度标识及钢板桩节数（图5）。图4围檩导梁图5深度标尺在施打时应控制噪音、振动及周边地表沉降，不得超出当地法规限值，对上述指标还应进行定期检测（图6、图7）。图6振动监测图7周边沉降监测5.1.3钢板桩接驳由吊车吊起钢板桩就位进行接驳，为保证吊运安全，应在起吊端用炔氧焰穿孔供固定吊具。钢板桩在一端沿厚度方向由外向内切割45°斜面并以贯穿对接焊缝连接，如图9所示。为加强连接强度并回补吊运孔，每上下两节钢板桩之间加焊300mm×150mm铁板，周边为8mm角焊缝。图8钢板桩焊接示意图图9焊接斜面切口图10钢板桩吊装焊接需由持证焊工进行并满足相关质量及平整度要求，焊接完毕后由专业检测机构进行检验，其中100%焊缝目视检查，10%焊缝进行超声波或磁力检测。图11钢板桩焊接图12焊缝检验第一段钢板桩施打时，相邻桩顶部应保持不小于900mm高差，以增强后续钢板桩的安装连接刚度，保证桩身垂直度以及锁口紧密性。之后的钢板桩应按照“装一跳一”的规则隔位安装于前段钢板桩的低端位置，如图13所示。转角位钢板桩应提前按设计角度预制，为保证桩体密闭性及整体性，除接缝位置充分焊接之外，还应加焊角铁以增强构件刚度及止水效果，如图14所示。图13隔位安装图14转角位预制构件5.2预钻孔工序钢板桩的预钻孔工艺与传统的610mm桩钻孔工艺类似，钻机及钻头就位并安装完毕后开始钻孔，随深度增加不断接驳钻杆及焊接钢护筒，按照设计图纸钻至指定深度。在遇到地下坚硬物质，连续钻进15min但贯入深度小于300mm时应通知工程师到现场复查。钻至指定深度时，应在孔内回填质地及疏水性良好的沙土，填至地面后用吊机或必要时配合震钳将钢护筒拔出，在拔出过程中如发现孔内砂土高度降低应及时补充填至地面高度。此外，孔内的钻出物应及时清理离场，不得用于再次回填。图15预钻孔图16回填沙土5.3桩底注浆工序5.3.1钻孔及管材安装使用小型钻机将直径100mm的钢管（外管）钻进至桩底设计灌浆深度，孔间间距为800mm~1000mm，孔中心至钢板桩边缘距离为100mm，钻孔完成之后应用清水将孔内清洗干净。桩底灌浆采用钢套阀管（TubeaManchette）工艺，钢套阀管分为套管与导管（注浆管），套管为内径40mm~50mm的PVC管材，管壁上均布贯穿孔，间距为333mm（3个/m），开孔段包有橡胶套，在压力作用下可张开供水泥浆体单向流出，导管（注浆管）为带有长度为0.5m或1.0m注浆节段的阀管，节段两端配有橡胶阀（图18）。钻孔完成后首先放入套管，为防止晃动，应在其与外管之间的空隙中注入包裹水泥浆，比例为膨润土：水泥：水=1:10:20，包裹注浆完成后将钢管（外管）拔出，如果发现水泥浆流失应及时补充注至地面。48小时后可将导管（注浆管）通过套管放至孔底开始注浆工序。图17桩底灌浆钻孔图18PVC套管及注浆阀管5.3.2桩底注浆桩底注浆根据注入材料不同分为先后两个阶段，第一阶段材料为普通水泥浆，每立方米的配合比例为：水泥350kg、膨润土35kg、水870公升，主要用于填充较大空穴、孔洞，第二阶段为用硅酸钠溶液（水玻璃）调配的超细水泥浆，通过快速形成胶状物填满细小空隙，每立方米的配合比例为：硅酸钠380kg、超细水泥30kg~60kg、水620kg、减水剂0.3kg~1.2kg。注浆通过高压泵连接注浆阀管进行，高压泵配有流量计及压力表，并在注浆过程中随时监控并记录注浆状态。注浆孔位应间隔（例如1-3-5-2-4-6）进行，注浆范围为由孔底至钢板桩底上方1.0m位置，在注浆结束之前应测量浆体深度并记录。图19PVC注浆套管图20压力注浆机注浆过程中阀管每次提升距离为333mm（与套管开孔间隔一致），当注浆压力或流量满足如下条件时，可以结束并提升阀管进行下一阶段注浆：1、注浆压力达到2倍上覆岩层压力且不小于200kPa（不同深度上覆岩层压力设为20kPa/m），或2、普通水泥浆注浆量超过90L或水玻璃超细水泥浆注浆量超过40L。当注浆压力未达到压力要求时，应在注浆结束3小时后补充注浆至指定压力。在注浆过程中，应对周边地表变形进行监控，当发现有明显隆起时应立即降低注浆压力。注浆完成后的PVC套管应加盖进行保护，防止落入杂物，做好将来二次注浆的准备。每一阶段注浆完成后应及时对注浆泵及注浆管进行清洗，防止堵塞。图21注浆及阀管提升图22注浆深度测量记录6.材料表1主要材料材料用途备注拉森钢板桩受力构件满足相关检验合格标准OPC水泥拌合灌注用水泥浆微膨胀类型或添加膨胀剂超细水泥拌合灌注用水泥浆膨润土水泥浆添加剂减水剂水泥浆添加剂硅酸钠配制水玻璃7.主要施工机具配置表2主要施工机具配置机械类型功能用途数量（每班组）震钳及配套举升机械施打钢板桩1钻机（610mm）钻制预钻孔1钻机（100mm）钻制桩底注浆孔1吊机钢板桩装配、材料吊运每区域1部高空工作台人工辅助钢板桩装配1搅拌机注浆材料配合搅拌1注浆泵压力注浆18.主要劳动力组织表3主要劳动力组织职位职责数量（每班组）现场工程师协调监理工程师验收相关技术要求1~2（流动）管工施工组织、过程记录1~2（流动）机械操作员操作吊机、钻机、震钳2焊工钢板桩焊接、切割2~4水泥工水泥浆搅拌、灌注2~4讯号员吊运协调、安全监督19.施工质量要求及控制措施9.1型钢材料质量要求钢板桩型钢应符合该地区标准（香港为BSEN10025及S450J0），到货之后由监理工程师或业主代表按照冶炼炉号（HeatNo.）见证取样并送第三方实验室检测，每炉号取样率不低于1%且不足100支部分不少于1支。检测依照BSEN10025-1:2004进行，合格标准为伸长率不低于17%，拉伸屈服强度不低于430MPa，拉伸极限强度不低于550MPa。检验合格后于型钢两端喷涂绿色，视为准许使用。9.2钢板桩垂直度钢板桩施打过程中，每贯入1m时用1.2m长水平尺测量桩身垂直度，要求一般钢板桩垂直误差不超过2.5‰，起始位、转角位等重要位置垂直误差不得超过2‰。9.3钢板桩切口及焊接规范项目焊接工人注册制度，严格审查焊接工人的技术资格证书。钢板桩焊接驳口用2号风嘴切割成45°斜面，斜面应光滑平整。焊支使用前应用焗炉在350°C条件下加热烘干1小时，取出后及使用过程中使用保温桶存放，保温桶保持通电，温度维持在100°C~120°C之间。焊接后用1.2m水平尺检查两段钢板桩的对接平整度，要求最大缝隙不超过1.5mm。焊缝由专业机构进行检验，100%焊缝进行目视检查，10%焊缝进行超声波或磁力检查。9.4灌注水泥浆质量要求桩底注浆材料通常不需要进行抗压强度测试，但化学灌浆阶段的水玻璃超细水泥浆的凝结时间应进行试验测定，其凝结时间随水玻璃的模数与浓度、水泥浆的浓度、水玻璃与水泥浆的体积比及温度等因素的变化而变化。一般情况下，水玻璃的模数越大，浆体的凝结时间越短，通常水玻璃的模数控制在2.2~2.8。总体而言，水泥浆越浓、水灰比越小，凝结速度越快，因此在施工中处理不同位置的注浆点时，由于地下条件不同，应提前通过试验来确定易于施工的配合比。图23水玻璃用量控制图24凝结时间测试10.安全及环保相关控制措施10.1安全控制加强工人的安全教育，建立分区责任制。所有工人进入工地前必须参加总承包方的安全培训，必须按规定使用劳动保护用品如安全帽、反光衣、安全鞋、安全绳、护目镜、手套、口罩、耳塞等，在施工过程中分区管工和安全员相互协调，积极配合。所有施工机械应具备有效期限内的测试合格报告，操作人员必须严格遵守操作规程。吊运工具每季度检查一次并喷涂相应合格颜色，严禁使用未检验及检验未合格的工具。吊运连接方式应经过计算并获得批准。安排专职吊运监督员、交通指挥员等，负责工作区域的围封、人车分路，防止无关人员误入，并对交叉作业进行监管。在配置水玻璃水泥浆时应做好个人防护，防止酸碱液体对人体造成腐蚀伤害。10.2环保措施高噪音工作必须在规定时间内进行，超时工作应提前向主管部门申请，在获得批准之后按规定进行。在使用震钳施打钢板桩时应对周边地表振动及噪音进行监测，防止超出限值。对钢板桩施打及预钻孔过程中产生的尘土、泥水进行严格控制，作业过程中应进行适当的遮挡、围堵及清洗，保证工作区域的整洁。预钻孔挖出的污泥应进行合理的物理、化学处理之后清运至指定的堆放区域，对进出工地车辆的轮胎进行及时清洗，防止将污泥带至公共区域。11施工方法综合效益分析拉森钢板桩由于具有占地资源小、施工速度快、止水效果好的特点，在香港地区被广泛采用。今年来随着经济水平和城市建设的快速发展，拉森钢板桩作为围护结构在民用、市政、桥梁、工业建筑的基础工程中得到更为广泛的应用，若后期将钢板桩拔出重复利用，经济效益十分突出。本工法在部分项目的成功运用为今后在香港及其他地区推广该类型止水帷幕提供了可靠的实践依据，也积累了宝贵的技术经验。12工程应用实例香港儿童医院项目