一种适用于深水水域的立式围堰施工工法

张柯生

（广东省第二建筑工程有限公司 广东汕头515041）

0 概述

目前，有些水厂取水泵站工程，需要在水库中远离坝体（如离坝体100 m 左右）的位置取水（见图1）。本工程实例取水泵站场地位于水库水位以下，水库正常蓄水水体深13.0～17.5 m，泵站场地上部为2～3 m 淤泥质土、粉质粘土，下部为弱风化岩。要建造这样的取水泵房，必须先修建临时围堰，防止水土进入建筑物位置，而后进行围堰排水、开挖基坑、修建建筑物。与此同时，必须保证水库饮用水水质的安全，尽量减少对水库及周边环境的影响。

图1 取水泵房效果Fig.1 Water Pump Room Rendering

由于取水泵站要建在水库中远离坝体的深水水域，如果采用常规的围堰方式［1］，如土石围堰，大型施工机械操作困难，且对饮用水水体及周边环境造成严重污染；如采用草土、木笼或木桩围堰等也明显不适宜；钢板桩围堰钢板插入弱风化岩困难，插入深度无法满足耐深水水压的要求；而单纯的混凝土围堰只能直接在河床无覆盖层的岩面上施工，也不适合这种施工场合的实际情况。基于以上情况，传统的各种围堰施工方法都难以适合在深水水域（如水库中远离坝体的深水水域）建设取水泵站的实际要求，因此需要研究新的解决方案。

1 工程实例地质概况

某取水泵房场地位于水库水位以下，土体处于饱和状态，从取水泵房至水厂供水管道场地，地下水类型主要为孔隙潜水和基岩潜水。孔隙潜水主要赋存于素填土和粘性土中，接受大气降水的渗透补给，因气候等因素的影响，导致雨季水位上升，旱季水位下降。基岩裂隙水主要赋存于岩层中，水量较小。

根据试验成果及工程经验类比，工程区填土层①，压实不均匀，为中等～弱透水层；淤泥质土②1为微透水层；黏性土②2为微透水层；泥质砂②3弱～中等透水层；基岩中全风化带（Ⅴ）属弱～微透水层；强风化带（Ⅳ）属中等偏弱透水层，弱风化带（Ⅲ）以弱透水为主。

2 工法特点

⑵采用钢板桩（如Ⅳ型U 型钢板桩）相互扣合作为堰体模板，水下浇筑混凝土，施工操作简单易行。采用较低标号的素混凝土浇筑围堰墙体，不需绑扎钢筋，直接浇筑水下混凝土，不受水位变化和水压的影响，也不受水流动性影响，耐冲刷，安全性能高。

⑶围堰墙体采用素混凝土水下浇筑，解决了常规围堰（如土石围堰）对水域污染严重的问题，将围堰施工时对水库水质和周边环境的影响降到最低，符合环境保护的要求。钢板桩大部分可回收利用，节省材料，有效减少费用投入；围堰堰体为直立式，与土石围堰等传统工艺相比，占地面积很小，有效减少对周边环境的影响。

⑷搭设临时钢便桥连接泵站和坝体，既作为临时围堰和取水泵房建设时的施工通道，同时也是作为取水泵房工作桥施工时的临时通道，一次性投入，节省施工费用。

⑸堰体可作为建筑物的一部分，需要时采用静态水下爆破技术拆除素混凝土围堰墙体，有效减少堰体拆除时对水库饮用水水质的影响。

3 施工工艺流程与施工要点

3.1 施工工艺流程

本工法所要解决问题的思路是提供一种适用于深水水域的立式围堰施工工法（见图2），具有占地少、对水体污染低的优点。采用的技术方案包括下述步骤：①搭建便桥➝②构筑围堰体钢板桩模板➝③高压旋喷桩施工➝④素混凝土墙施工➝⑤拆除围堰体钢板桩模板➝⑥验收。

图2 围堰剖面布置Fig.2 Cofferdam Section Layout

3.2 施工要点

3.2.1 搭建便桥

在围堰施工位置与水域坝体之间搭设便桥［2］，作为施工作业面和通道。

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由于取水泵站距水库坝体较远（100 m 左右），因此进行围堰施工时，需先搭设便桥，作为围堰施工作业面和通道；同时，该便桥还可作为建设取水泵站的施工通道，并作为建设工作桥（即取水泵站建成后连接坝体与取水泵站的构筑物）的施工操作平台。搭建便桥的方法可采用常规方法。

3.2.2 构筑围堰体钢板桩模板［3］

根据围堰的位置和尺寸，打入钢板桩形成内钢板桩模板和外钢板桩模板，外层钢板桩模板环绕在内层钢板桩模板外侧，内层钢板桩模板和外层钢板桩模板共同构成堰体钢板桩模板，在内钢板桩模板和外钢板桩模板之间形成混凝土围堰浇筑空间封闭。

围堰体钢板桩模板施工时，一般在施打钢板桩前，提前设置定位桩和定位梁作为导向装置（见图3）；定位桩包括内层定位桩和外层定位桩，内层定位桩由沿围堰周向排列的多根钢管桩组成，外层定位桩由沿围堰周向排列的多根钢管桩组成；定位横梁包括内环形横梁和外环形横梁，内环形横梁设置在内层定位桩的外侧，外环形横梁设置在外层定位桩的内侧。内环形横梁和外环形横梁的弧度与围堰弧度相适应。在打桩时定位桩与定位横梁形成导向装置，用于打入钢板桩时对钢板桩进行定位和导向（内层钢板桩模板中各钢板桩紧贴内环形横梁外侧，外层钢板桩模板中各钢板桩紧贴外环形横梁内侧），使钢板桩的位置与垂直度符合要求。内环形横梁、外环形横梁可采用钢材（如25#工字钢）制成，通过焊接与钢管桩连接；横梁与钢管桩的连接处可设加劲块及托架，以增加连接强度。定位桩可采用φ630 mm钢管桩。

图3 定位桩和定位梁平面布置Fig.3 Planar Layout of Locating Pile and Locating Beam

钢板桩的长度应大于围堰所在水域的水体深度，确保钢板桩下端插入水域土层后，钢板桩上端仍露出水面。

在本实例中，钢板桩采用拉森Ⅳ型钢板桩［4］，桩长21 m、宽40 cm。内层钢板桩模板中相邻的钢板桩相互扣合，外层钢板桩模板中相邻的钢板桩相互扣合，这样，内层及外层均呈为圆柱形钢板桩模板，起到挡水挡土等作用。

围堰的尺寸决定内层与外层钢板桩模板之间的间距，例如：拟建泵站外径为9.2 m，围堰内工作面5.5 m，所需围堰内径为40.2 m，若围堰壁厚为1.0 m，则内层钢板桩模板的直径为40.2 m，外层钢板桩模板的直径为42.2 m，即内层与外层钢板桩模板之间的间距为1.0 m。

插打钢板桩的设备可采用履带吊和振动锤（即打桩锤），例如50 t履带吊及DZ60型柴油振动锤，逐根插打钢板桩。施工时，利用已安装完成的便桥作为施工作业平台，将履带吊定位，用履带吊带动振动锤吊起钢板桩，徐徐插入水中，沉桩过程中，钢板桩的垂直度可通过移动振动锤进行调整，使钢板桩垂直插入。第一根钢板桩打入后，其余钢板桩逐一打入两侧。打桩过程中如发现倾斜现象，应及时调整，确保插入桩垂直、顺利闭合。可制作既能平面定位又能垂直定位钢板桩的双向定位导向架，作为履带吊和振动锤的辅助装置，确保钢板桩定位偏差控制在5 cm以内。

钢板桩施工方法的步骤如下：①降低振动锤，液压口打开，将桩拉到振动锤下方，润滑锁具并起锤；②距水面30 cm，停止上升；③放下振动锤，使钢板堆进入夹具，并启动液压机以夹持钢板桩；④移动振动锤及钢板桩至定位好的打桩地点；⑤将钢板桩锁与定位桩对准，然后放下振动锤，利用振动锤和钢板桩的自身重量将桩压至污泥下一定深度；⑥启动振动锤约30 s，停止振动，利用振动锤的惯性将桩推入坚硬的土壤中，然后启动振动锤。打桩时，应控制下沉速度，并尽可能垂直地施打钢板桩，以使钢板桩锁体咬合顺畅，提高止水性；⑦当钢板桩尖距离设计高度40 cm时，应停止振动，由于惯性会使振动锤继续旋转一段时间，以达到设计高度；⑧松开液压夹具，移动振动锤施打第二根钢板桩，直到钢板桩施工完成。

3.2.3 高压旋喷桩施工［5］

在围堰体浇筑空间正下方的土体中形成沿围堰周向排列的多个高压旋喷桩，从而形成止水帷幕。形成高压旋喷桩的方法是：先用旋喷钻机钻旋喷孔，旋喷孔钻至预定深度；然后利用旋喷钻机在桩底设计标高处设置旋喷管和喷嘴，通过高压泥浆泵从注浆管旁的喷嘴处注入预先配制好的水泥浆，形成液流，破坏土体；喷射过程中，旋喷注浆管在旋转提升，同时注入水泥浆，使土体与水泥浆充分搅拌混合，固结和硬化后在地基上形成高压旋喷桩。

旋喷钻机、注浆管经内层与外层钢板桩模板之间的围堰体浇筑空间，进入围堰体浇筑空间正下方的土体中。

在本实例中，各高压旋喷桩沿围堰周向紧密排列，共同构成高压旋喷桩止水帷幕，同时作为素混凝土墙的基础。素混凝土墙和高压旋喷桩止水帷幕组成围堰体。高压旋喷桩桩长10 m，桩顶标高18 m，桩底标高8 m。旋喷孔采用泥浆或水泥浆护壁钻孔。钻孔深度为进入粘土层或粗砂层0.5 m。钻孔时应注意孔的垂直度，必要时可采取岩芯管钻进；遇风化岩石时，用金钢钎钻至预定深度完成钻孔。高压旋喷桩施工前，必须清除地下障碍物（包括填充层中较大的石块），然后进行放线测定桩位。

高压旋喷桩使用的水泥浆［6］可采用普通硅酸盐水泥与水混合、搅拌而成。灌浆前，将搅拌好的水泥浆倒入集料斗内，连续搅拌，防止水泥浆离析或凝固。施工时需观察压浆机上的压力流量仪表，高压泵出口压力应保持在20～25 MPa，搅拌提升速度应与输浆速度同步。

3.2.4 素混凝土墙施工［7］

在内层钢板桩模板与外层钢板桩模板之间的围堰体浇筑空间中浇筑素混凝土，素混凝土凝固后形成素混凝土墙，素混凝土墙底部与高压旋喷桩止水帷幕顶部连接。

采用水下浇筑混凝土［8］施工方式浇筑素混凝土墙。优选采用导管法施工方式浇筑素混凝土墙，施工方法的步骤如下：①将管道放置在浇注位置，在管道顶部安装一个储料斗，由提升设备悬挂，使储料斗和管道提升；②浇筑开始时，管的底部靠近高压旋喷桩的顶部，并在管的下端的出口处安装1个球塞，用混凝土填充管道和料斗；③剪断铅丝，混凝土在自重作用下排出球塞进入水中；④浇筑过程中，应保持导管浇筑口始终埋在已浇的混凝土内并充满混凝土；⑤浇注混凝土的同时，应控制好管道的提升速度，直至浇筑结束。采用导管法时，应限制骨料的最大粒径，混凝土应具有良好的和易性和较高的坍落度。由于水下浇筑混凝土量大，通常采用导管法与混凝土泵结合的方法，使用混凝土泵将混凝土补充到料斗中。

3.2.5 拆除围堰体钢板桩模板［9］

素混凝土墙完成浇筑并凝固后，将内层钢板桩模板和外层钢板桩模板拆除。

拆除围堰体钢板桩模板通常在素混凝土墙达到设计混凝土强度的70%之后进行。拆除围堰体钢板桩模板时，钢板桩通常是一根一根拔出。拔桩时，用振动锤将钢板桩拔出，使钢板桩下部尽可能与混凝土分离，然后拔出桩。用轻微的锤击振动一根钢板桩，待锁口松动后再起拔，然后将所有钢板桩逐个向上拔高1～2 m，确保其高度相同，使其松动，然后逐个拔出。对于桩端滚压和锁口变形，可增加拔桩设备的能力，将相邻钢板桩一起拔出。对于部分确实无法拔除的钢板桩，可采用水下切割技术，先在混凝土面位置对钢板桩进行切割，然后再拔除。

3.2.6 验收

完成立式围堰的构筑之后，应对围堰内基坑进行抽排水（用水泵抽排水）。围堰内基坑抽排水完成后，在进行基坑开挖和泵站主体的施工之前，需进行封底［10］和堰体验收。验收过程应观察堰体的施工质量和整体稳定性，观察堰体混凝土外观是否有缺陷，是否有渗漏点，观察堰体沉降是否均匀，观察高压旋喷桩止水帷幕的止水效果，如果出现较大的渗漏，需及时在堰体内侧补打高压旋喷桩进行止水。经验收合格，然后再进行基坑开挖。

本实例中，采用本工法在水库枯水期进行围堰施工。钢板桩围堰挡水期间，定期对钢板桩顶的位移进行观测，监测桩顶向基坑内外的偏移量，避免围堰偏位，保证素混凝土墙位置的准确性。取水泵站主体施工期间，对基坑及围堰进行监测，监测结果显示无明显变形，基底及堰体无明显渗漏，结构稳定，圆柱形布置使水流平顺，不发生局部冲刷，围水效果良好。

4 结语

本施工工法适合用于深水水域的立式围堰施工，素混凝土墙与高压旋喷桩防水帷幕有机结合，形成围堰体，最大限度地保护水库水质，减少对水体及周边环境的影响，具有占地少、对水体污染低的优点，且施工操作较为简单易行，具有较高的经济效益和可靠性。本方法适用于所有深水水域的临时围堰工程，特别适用于对水体水质有较高要求（如饮用水水库的取水泵站），在远离河岸坝体，软弱淤泥层比较厚，且水体较深或水流较急或河道周边场地受限，不适合使用钢板桩或其他土石等常规围堰的场合。