苏州河强家角岸段防汛墙应急抢险施工技术

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  摘 要:苏州河强家角防汛墙棚户区改造项目,是苏州河第三期遗留下来的老防汛墙有待重建的一部分。2012年8月8日台风“海葵”作用下的高潮位,导致老墙背水面的光复西路上沉降、渗水及“管涌”,被及时控制。市防办迅速启动“应急抢险”预案,打破常规于主汛期的8月施工。施工中将我国自行研制的拉森-顺力钢板桩帷幕成功运用到新墙基础承台底板前趾下。其施工技术及经验可供同类工程和大专院校师生参考。
  关键词:防汛墙;应急抢险;拉森-顺力钢板桩;施工技术
  中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号:
  
  
  1 强家角出险岸段的历史背景
  1.1 工程概况
  苏州河下游段防汛墙加固和底泥疏浚工程(防汛墙加固改造部分)4标,位于苏州河北岸,西起真北路桥,东至白玉路,岸线全长5730.6m。强家角岸段是其遗留部分,共274.4m(见图1)。西头与古北路桥断面相通,东头与内环线中山路桥断面相通,南岸为万航渡路,北岸老防汛墙背水面依次为光复西路(简路宽约7m)→棚户区约50~100m→围墙内为华东师范大学。
  1.2 出险原因
  众所周知,苏州河综合治理是一项宏大的系统工程。今天呈现在人们面前的“水清岸绿”生态美景,屈指算来从1988年正式启动至今已走过24个年头分三期实施的历程。普陀区强家角岸段防汛墙拆旧建新理应在河道疏浚之前的2009年完成,结果因动迁量大等种种原因被遗留下来。从图2的结构图不难看出:DN3(“L”形)及DN4(“倒T”形)断面显示的老旧结构,存在主要问题有:高程2.50(吴淞,以下同)以下资料不明,给出原有旧防汛墙系浆砌块石俗称圬工结构,几经加高到5.20m高程,整体稳定性差、防渗功能单薄。迎水面墙趾下原淤泥杂物堆高到2.5m高程,河心高程0m左右,侥幸之下勉强度日。而2011~2012年全河段的挖除黑臭底泥和杂物,旧墙前趾所堆污泥,被挖除到0.00高程,河心则落到-3.0m上下。一遇台风高水位旧防汛墙后的光复西路上出现轻则“渗水”,重则“管涌”。
  2012年8月8日,11号台风“海葵”作用下的高潮位,在桩号NK2+907.5老防汛墙与已重建成的新墙结合处,老墙沉降,墙角发生管涌。
  原有关单位上到管理部门、下到曾参建旧墙改造参建各方,均有所准备。一旦有险情,在市防汛办一声令下,立即奔赴现场投入应急抢险。迅即采取圈围、封堵,险情得到控制。
  
  
  图1 强家角应急抢险段平面图
  
  2 工程施工难点
  从图1和图2中可得出主要难点如下:
  (1)施工场地小,布局难。防汛墙背水面是一条宽约7m的光复西路300m咽喉地带,其东西两头,已按红线重建防汛墙,拥有双向机动车4车道和专用人行道的城市道路。更加重应急抢险段的人车混行,遇早、晚上下班,在道路全封闭状态下拥堵严重,留出的4m通道,配有4名安全员加上居委会志愿者,维持施工期交通与布置施工,十分困难。
  (2)沿线障碍物多,保护责任重。棚户区危房简屋多,路面下给排水管线资料少;路面上电力、通讯等架空线错综复杂;强家角人行桥不封桥,踏步式引桥只允许半封闭,稍有不慎,社会影响大。
  (3)工期紧,应急抢险形势严峻。自2012年8月8日,苏州河强家角的水位,高潮位2年一遇为3.83m,略高于光复西路路面3.50m,10年一遇为4.13m,这种紧张态势,台风的随机性,几乎随时可能出现,在临时防汛墙未形成之前,必须保持高度戒备状态。
  (4)水上施工技術要求高。新、旧防汛墙的拆与建,均为水上施工,环境复杂,技术性强。
  (5)技术难度大。新防汛墙基础下采用拉森-顺力钢板桩并形成连续墙被称为帷幕,既要求承受水平、垂直荷载,更要求水密防渗和全岸线整体性。
  (6)安全、文明施工与棚户区的协调工作量大。
  
  
  图2 “L”形、“倒T”形结构断面图
  
  3 应急抢险措施
  3.1 建立健全项目经理部
  (1)配备强有力的项目部团队。项目经理是团队的班长和引领人与项目部技术总工一道,以其职业道德、工作能力、技术知识、务实作风、亲和力,团结经理部施工员、安全员、质量员、测量员、材料员、取样员、资料员及预算员等开展工作。
  (2)吃透设计文件和对应的施工规范,结合强家角岸段实际,编制施工规划和施工组织设计报企业审查,报请监理审批认可,送业主备案。
  (3)遇有问题,应提出符合实际建设性建议请现场监理共同协商取得一致意见后,报请设计到现场组织参建各方讨论与审查,并由设计给出变更单报业主审核认可作为施工合同的附件。
  3.2 把握宏观施工顺序
  (1)把临时防汛墙的施工摆在首位。2012年8月21日,遵照市防汛办指令,正式进驻现场抢险施工。临时防汛墙于9月12日开工,以战斗姿态,先用6m的[30#槽钢板桩正反向扣锁,桩顶高程4.7m形成整体帷幕,地面以下切断发生管涌的可能性,槽钢内侧浇筑C20砼作为临时防汛墙主体结构加强整体稳定性。仅用14个日历天,于9月28日完成施工并经参建各方验收合格。为后续分部分项工程,先下部后上部的施工,建立了一道近300米的屏障。
  (2)自2012年9月28日开始,转入新防汛墙的桩基→底板(承台)→墙身→压顶的施工顺序。
  3.3 优选工程材料及设备
  3.3.1 优选拉森-顺力钢板桩
  所谓拉森钢板桩,特指钢板桩截面的两侧边缘呈锁扣如图3所示的U型钢板桩。过去这种钢板桩都是依赖从国外进口,生产厂商为纪念德国国家主工程师“拉森”(Tryggve Larssen)而命名。改革开放以来,我国钢铁事业取得突飞猛进的发展,当今跃居世界性的钢铁大国,并与土木建筑工程相互促进。我国江苏南京顺力冷弯型钢实业有限公司,是国内第一家拥有自主知识产权,集钢板桩研发、生产、内贸、外贸、施工于一体的企业,拥有目前世界上最先进的冷弯钢板桩生产线。 为此,以拉森-顺利钢板桩命名。
  
  图3拉森-顺力钢板桩结构截面图
  南京顺力钢业集团给出的帷幕式钢板桩构件,能从卷钢进车间→卷钢拉直→模具冷压→量身定制给出成型的钢构件待验,如图4。
  
  图4 拉森-顺力钢板桩制作图
  3.3.2 选用DZJ型静音振动锤
  DZJ系列振动锤,是目前与钢板桩帷幕墙相匹配的机械设备,也是目前国内外最先进的电机振动桩锤。选用DZJ90型。其主要特征指标:电机功率90KW,激振力0-547KN,允许拔桩力254KN,重量6500Kg。其优越性在于将无极调节偏心力矩在振动桩锤上得到应用。DZJ型的优点:
  (1)桩锤在偏心力矩为“零”的状态下启动,改变了目前大量使用带偏心力矩启动而需配有大容量电源要求的振动桩锤。有效地减少启动时电流对电网的冲击。
  (2)完全克服对桩架或起重机机械产生的共振,保证了施工设备的安全、可靠使用。
  (3)使桩位对中方便、正确、不发生偏移,有效地节省了桩位对中的时间。
  (4)在沉拔桩过程中,可以通过改变振幅来适应土层和土质的变化,以达到良好的沉与拔速度及效果。
  3.3.3 优选工程船队
  选长期在苏州河施工的船队,充分调动与发挥其经验,采用“申平3号”工程船,如图5。船体适中,具有自航的轮机设备,拥有41m长的起重扒杆,其仰角可根据现场操作的实际需要调整。当仰角35°时,可吊最远处构件重35T(力)*32m(水平距)*17m(长);当仰角75°时,可吊最近处的构件105 T*12m*32m。在帷幕施工中,只用作单根顺力钢板桩构件施工,选定60°仰角,视野开阔,可吊构件重80T(力)*28m(长),实际只有15T(力)*18m(长),安全裕度大,令人放心。除“申平3号”船,另配自航运输驳船2艘。
  图5 申平3号浮船吊
  4 水上拉森-顺力钢板桩帷幕施工技术
  4.1 钢板桩施工顺序
  如图1所示,先施工一区的钢板桩帷幕,从强家角桥西侧按桩位布置图开始施工,待施工一区拉森钢板桩施工完毕隐蔽验收后,浮船吊(申平3号)自航至施工二区,从强家角桥东侧开始由西往东按桩位布置图施工,直到所有拉森钢板桩施工结束。
  4.2 施工工艺流程
  如图6所示。
  4.3 施工要点
  4.3.1 安全质量的预控
  安全和施工准备工作主要含人员准备、船机设备系统及材料准备、技术准备等四个方面。
  4.3.2 量身定制拉森-顺力钢板桩构件
  (1)标准构件见图3。用于应急抢险岸段纵向274.4m呈直线或折线的微观变化,需加工标准件269根。
  (2)大小头异型桩构件。其构件为标准件的改进优化设计,即将成型后的两根钢板桩切割后加固焊接成型,大头为80cm,小头为60cm,用于直线段垂直度纠偏,共加工16根。
  (3)转角异型桩构件。其构件亦为标准件的改进优化设计,即将成型后的钢板桩沿中心线切割后掉头焊接成型,该构件轴线呈43.831°(а=arctg(1680/1750)=43.831°),见图7。用于实现DN3(“L”形)到DN4(“倒T”形)钢板桩的轴线渐变,需加工2根。
  图6 水上拉森钢板桩施工工艺流程图
  图7 转角钢板桩平面示意图
  4.3.3钢板桩的起吊
  通过浮船吊上的卷扬机确定好钢丝吊绳的长度。浮船吊移位,使钢丝绳的吊钩放置在运输船装载的钢板桩上,按二点吊操作,其中带孔的一侧钢板桩起吊朝上,再用卷扬机对两根钢丝绳用不同收缩的速率提升,从而将钢板桩垂直吊起。
  4.3.4 钢板桩的精确定位
  在水上施工,操作工的熟练程度直接影响到定位的进度、质量及安全,精确定位环节尤为重要。定位时,先将浮船吊缓慢移动,将钢板桩喂到已经放样的位置,此时操作工人配合卷扬机将钢板桩的锁扣缓慢套入已施工完成的钢板桩的锁扣内,人工定位好钢板桩的三维轴线,然后缓慢放松,使钢板桩在自重作用下沉放,直到下沉到河床下约1米处停止。此时需要重复将钢板桩精确定位,确保轴线位置正确,利用两台经纬仪将钢板桩的垂直度精确定位。用卷扬机的一根吊绳将已经施工好的相邻钢板临时锚固拉紧,见图8。以防在沉桩时将相邻的钢板桩带入土体。图8 精确定位锚固图
  4.3.5 钢板桩的振动沉桩
  精确定位后则可振动沉桩,开启振动锤,利用振动锤的自重和激振压力将钢板桩振动下沉。为了将噪音减少到最小,可间隙性开启振动锤,利用振动锤的自重结合振动惯性下沉,反复操作直到钢板桩达到设计高程+2.65m。
  4.3.6 钢板桩的桩身纠偏
  桩身纠偏是帷幕施工中关键环节,必须严控。
  (1)垂直度纠偏
  在拉森钢板桩施工过程中,由于钢板桩锁扣之间有一定的间隙,当钢板桩打入一定数量后,难免出现钢板桩向待打的一侧倾斜的现象,从而使垂直度达不到规范要求。
  纠偏方法:根据施工经验,每施工24根标准桩(相当于帷幕墙16.8延米)倾斜约20cm。不难理解,此时施工一根顶端小(60cm宽)低端大(80cm宽)的异型钢板桩可找正桩身倾斜,使桩身垂直度恢复90°,达到垂直度纠偏效果。这种被称为异型桩顺力钢业集团可按需要量身定做。提示:不同地质可能倾斜程度有所不同,施工时应动态调整纠偏频率。
  (2)跟桩纠偏
  在施工过程中,先施工到设计标高的钢板桩,可能会被后施工的钢板桩带入土中。在施工过程中应加强观察与实测实量,发现有跟桩现象,应及时暂停施工,将下带的钢板桩拔至设计高程实施纠偏。批量跟桩的地段,还需用钢筋将相邻几根拉森钢板桩焊接成一个整体,从而防止跟桩现象发生。如图9的3#桩为例,分析跟桩纠偏的实际操作方法如下:
  第一步,施工4#桩的时候,3#桩发生跟桩现象,如图9-a;
  第二步,同時提升①#拉索及②#吊索,使3#、4#两根钢板桩提升高于设计高程,如图9-b;
  第三步,提升①#拉索,将4#桩沉至设计高程,此时3#桩可能存在一定的下浮量,但是未能与4#桩同时达到设计高程,如图9-c;
  第四步,对3#桩二次复打,即将振动锤定位到3#桩夹牢,两侧分别用①#拉索及③#拉索将2#及4#桩向上拉紧,开启振动锤将3#桩沉至设计高程,如图9-d,从而实现跟桩纠偏。
  4.3.7 遇到障碍物的处理
  拉森钢板桩下沉过程中,如遇障碍物,切不可加力继续施工,应将钢板桩拔起,探摸障碍物情况,地质复杂时采用潜水员进行水底探摸,如有必要则采用挖泥船清障后再施工。以免盲目施工导致钢板桩变形,甚至锁扣变形严重而报废。如果现场不能解决问题,则应该向设计汇报,查清地质情况以后,方可进一步施工。
  
  
  图9 跟桩纠偏示意图(分四步骤)
  
  5 结语
  (1)苏州河水清岸绿给人们的启示
  总览24年苏州河水系的水工建筑物,断面点上如治污构筑物,线上沿岸防汛墙(或湿地或亲水平台),面上流域汇入水系的农田、村落产生的雨、污水体,无一不是围绕治水害,防潮洪以保人民生命财产安全;治黑臭改善环境,增强人民体质。随着社会文明的进步,污染治理工作似乎接近预期目标,而科学技术的发展无穷尽。
  苏州河除其本身固有功能外,不再为工厂的生产和运输服务,而是苏州河的第三产业,是它为城市居民服务,成为人们享受健康生活不可或缺的一环。河水洁净、环境优美,市民尽情感受在碧波绿荫、蓝天白云下的快乐,这将是苏州河对两岸居民以至整个城市人文经济的贡献。也是我们参与普陀区光复西路强家角棚户区应急抢险段的启示,并期待棚户区已动迁的70%居民喜迁新居,尚留30%正在搬迁的居民乔迁成功。辟通光复西路地下排水系统,地上双向4车道城市道路。
  (2)拉森-顺力钢板桩的优势
  应用拉森钢板桩做临时或永久的基础围护,司空见惯。但采用拉森-顺力钢板桩则具有量身定制,且在棚户区替代钢筋混凝土板桩具有安全文明施工优势。同时为今后相应的设计和施工带来方便。
  
  
  
  作者简介:魏富华(1978-),男,江西,本科,2002年毕业于武汉大学,工程师,建造师,主要从事水利工程的施工管理工作,鲍德安(1934-),男,江苏,河海大学,高级工程师,上海水利学会会员.
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