001 船坞环境效益的对策.doc

船坞工程环境效应的对策诸荣海1. 工程概况：四三七厂护卫舰下水设施改造（造船坞）工程位于黄浦江东岸，沪东造船厂厂内四号码头与五号码头之间，本船坞坞口工程（1#3#轴线）纵向长度为33m，横向长度为146m，口门宽度为92m，坞口的结构可分为两部分，沉井和坞口底板。两个沉井有相同的平面尺寸，纵向33m，横向27m，高度27m，沉井顶面高程4.5m，刃脚高程22.5m。其中北沉井为坞门墩兼做泵房用，南沉井为坞门墩兼做变电房用。坞口底板为钢筋砼结构，纵向33m，横向92m，厚度一般为3.5m，板顶标高由外口向内依次为-8.0m、-7.2m、-7.7m，板底标高为-11.2m。坞口底板下为F800的PHC桩基，在坞口底板江侧采用PU16钢板桩止水，并通过防渗齿坎与底板连接。坞口底板下有旋喷桩和水泥搅拌桩加固地基，坞口U型门槽采用花岗岩镶面。为保证坞口底板干施工，设计采用了钢板桩和支撑体系，与两个沉井共同形成36m92m的平面范围，在这个平面范围内，交替降水挖泥和安装支撑，最后现浇坞口底板。基坑围护采用PU32、PU16钢板桩挡水加五道支撑及立柱桩组成支撑体系。（见附图一：437厂护卫舰下水设施改造（造船坞）工程施工总平面图（三航施工段）。沉井及其相关项目为上海市基础公司承建，我们三航局负责坞口桩基施工和坞口砼底板施工。坞室部分（3#20#轴线）纵向长度为345m，横向长度为196m，坞室净宽为92m。我们三航局承建3#10#轴线，10#20#轴线由上海市基础公司承建。我们三航承担的四三七厂船坞工程自2000年4月14日正式开工以后，因甲方的生产需要，施工现场条件的限制及基础公司施工的影响，迟迟未能进入施工高潮阶段。直至2001年第二季度，基础公司沉井基本稳定下来，我们项目部的坞口工程得以全面展开。2001年下半年我们完成了坞口围护支撑体系和坞室基础桩的施工，2002年1月分三次浇筑完了坞口底板10000多m3的大体积砼，2月开始拆除围护支撑体系，2002年4月19日关上坞门，开挖坞室土体，施工坞室底板砼，至6月24日坞底板将施工完毕，船坞主体竣工。 船坞工程属深基坑工程，它的环境效应问题，其实就是环境土力学问题，它正日益引人瞩目。 由于基坑工程特点是具有很强的区域性。上海地区土层从自然地面至地下28m左右多为淤泥质黏土，地下水位高，围护结构要挡土止水，以内支撑为主，考虑到软土具有蠕变性，很注重“时空效应”，适用分部分段分层开挖，随挖随撑以减少环境效应。深基坑工程事故给周围环境会带来不良效应，甚至造成严重的后果。基坑围护结构极限状态可分为两大类：（1）承载能力极限状态（2）正常使用极限状态。基坑围护体系一般是临时结构，安全储备小，且受勘察、设计和工程施工质量的影响，具有较大的风险。它所达到的两类极限状态，都将给环境带来不同程度的影响，其环境效应问题已愈来愈为人们所认识。2.桩基施工环境效应 船坞的一般工期为2528个月，而业主要求压缩至20月。这难度是相当大的。任何一个项目其工期的确定都具有施工进度控制的科学性，施工工艺的技术性及工序间的相连性。压缩工期的主要方向：（1）改变传统的施工工艺，进行工艺创新。（2）设计结构进一步优化。（3）压缩每道工序的持续时间。在这点上因结构施工它具有必要的养护等工艺技术要求较难压缩，所以我们想把压缩工期的重点放在沉桩施工中，但沉桩的速率对周边环境的影响较大。本工程选用的桩型：水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、PHC管桩、钢筋混凝土板桩、Box钢板桩及卢森堡PU系列钢板桩和韩国拉森系列钢板桩等。桩型、规格繁多、桩位布置稠密，桩基施工对周边环境影响比较大，围护桩施工也同样存在这个问题。例1：上海基础公司按“船坞施工图设计总说明”的原则编制沉桩施工顺序，在累计沉桩总数达到880根时，南侧的造船平台正值军舰生产关键时刻（安装主要设备系统），其安装的精确度要求很高，一般都用激光仪器进行定位测量，精度需达到丝级，这就要求造船平台的沉降变形、抗振动要求相当高。为满足这一要求船台边线至沉桩距离不得小于80m。这给施工的安排带来了许多问题。2000-11-19日业主通知上海基础公司南坞墙沉桩施工暂停，以满足军工生产需要。例2基础公司北侧板桩沉桩:时间：2000-12-62000-12-27数量：217根桩型：500mm500mm10850mm钢筋混凝土板桩对周边环境影响：由于土体挤压，板桩轴线2m范围内土体抬高5080cm，距板桩轴线8.1m处的活动房地坪产生2cm宽的裂缝。例3.由于在距坞尾15m处的轴线大道上，建设单位安装600吨门吊，600吨门吊的自重达4500t（见附图二：600吨门吊安装场地布置示意图）。安装期间使坞尾的墙身及锚拉系统过早受力，造成轴线大道沉降了47mm，坞尾锚碇板桩位移了97mm，并有继续扩大的趋势。建设单位及时采取了措施，将吊车梁悬吊，使吊车自重直接承受在已施工完毕的吊车轨道上，有效地抑制了变形的发展。例4：三航坞底板水上冲孔沉桩：时间：2000-12-62000-12-21数量：210根桩型：600PHC管桩（L=25m；L=26m）对周边环境影响：沉桩区域距原船体下水滑道为14m，距老防汛墙最近为7.5m。由于采用了交错沉桩及控制沉桩速率等措施，使周边环境的变形量达到最小。下水滑道最大的变形量为15mm，老防汛墙最大变形量为31mm。虽然滑道略有沉降及水平位移，但并未影响船舶安全下水。2001年1月8日船坞坞门从下水滑道顺利下水。2001年1月10日军舰588#从下水滑道顺利下水。老滑道及老防汛墙也随即拆除。例5：三航陆上北侧坞墙沉桩：时间：2000-11-272000-12-10数量：34根桩型：800PHC管桩（L=38m；L=39m）对周边环境影响：沉桩区域距老防汛墙最近距离为3m，随着沉桩数量的递增，老防汛墙的位移及裂缝也在迅速发展。位移最大达27mm，裂缝宽度达40mm。由于老防汛墙属本工程老结构拆除范围，故未采取保护措施。例6：三航北侧CAZ钢板桩沉桩时间：2001-5-12002-1-8数量：118根桩型：CAZbox钢板桩（L=24.2m）对周边环境影响：由于沉桩区域为港池边坡填土形成（见附图三），沉桩后钢板桩发生位移其中73#桩最大位移量达到208mm。项目部针对现场实际工况条件，及时采取措施，使钢板桩位移得以控制并恢复至规范允许偏差要求。纠偏过程跟踪详见表2-1：北坞墙CAZ钢板桩纠偏观测记录。 从上面的举例中可以看出桩基施工对周边环境影响是较大的。尤其在软土地区，有时带来的不良环境效应是相当严重的。如预制桩沉桩时的挤土效应就是一种公害。围护桩中的拉森系列钢板桩虽然大大减少挤土效应，但在拔桩时会带动部分地基土层中的土体上拔，也会引起邻近建筑物的附加沉降。所以本工程的围护钢板桩均采用水下切割拆除，以减少土体扰动。为减少桩基施工对周边环境影响应采取如下措施：（1）施工工序的安排必须满足设计的要求，不能随意性太大，不合理的施工顺序往往是造成变形的直接原因。（2）工序间、施工区域，块段间的衔接也十分重要。目前建筑市场上往往把一个大项目分割成若干个小项目，分别北坞墙CAZ钢板桩纠偏观测记录表2-1观测日期/偏位值（cm）桩号10.910.1010.1110.1210.1310.1410.1510.1610.1710.1810.1910.20677.48.22.1-0.4681.12.12.42.5694.55.15.8-3.0702.74.01.6-3.97113.115.314.57.6725.56.86.85.37318.920.620.813.511.713.512.614.714.214.56.65.87418.522.321.716.414.016.416.217.216.315.29.19.17520.022.722.316.315.616.416.617.317.116.68.98.37623.026.626.019.818.319.519.520.720.621.712.511.57717.019.017.918.511.712.412.113.012.812.74.14.37822.827.826.521.320.121.622.122.620.220.412.112.17917.818.018.313.013.613.214.913.814.214.66.26.18021.222.219.817.416.418.119.819.118.018.210.310.6备注：1. 偏上游为+，偏下游为-；单位：cm2. 10月11日桩架停止沉桩，并停放在离板桩轴线5m处。3. 10月11日16：00开始67#-80#板桩下游侧卸荷，将泥面挖至+3.0m，并将挖下的泥土堆放在钢板桩上游侧，造成反压的工况条件。4. 10月13日67#-72#桩送桩至设计标高，桩架在67#-80#桩的下游侧走动5.10月18日73#-80#板桩下游侧挖槽卸荷，将槽底泥面挖至+2.5m，并将板桩上游侧泥土堆放至5.0m，加大反压的工况条件。6.73#80#桩10月20日送桩至设计标高。招标由各施工单位承包。这样块、段之间施工的进度不一，施工工艺不一，施工管理水平不一，块、段间的工序相互影响，这也会造成构筑物的变形过大。（3）一个大项目开工之前对周围的建筑物要进行全面的测量并一一记录在案，重要的部位须实施跟踪监测，形成系统的变形观测文件，以便及时指导施工及为应急措施提供理论依据。3.降排水环境效应排水主要是解决上部土层的滞水和降雨积水的疏排。降水包括采用轻型井点、喷射井点和深井井点降水等。降低地下水位可能引起地面沉降，将对环境造成不良影响，尤以深井降水影响最大。但为了保证基坑工程土方开挖和施工面处于地下水水位以上的“干”状态，必需通过降低地下水位或配以设置止水帷幕使地下水位在基坑底面0.51.0m以下。才能保证正常的基坑开挖和结构施工。437厂船坞工程的坞口部分是由两个沉井和双排钢板桩围起的全封闭水域，属水上深基坑。坞口部分的设计思路是坞口内依靠五道支撑，坞口两侧依靠水位平衡来维系整个围护结构的稳定。坞口降水分为七个阶段：第一阶段：围护钢板桩合拢后水位抽降至+3.5m第二阶段：水位由+3.5m抽降至+0.2m第三阶段：水位由+0.2m抽降至-3.0m第四阶段：水位由-3.0m抽降至-6.3m第五阶段：水位由-6.3m抽降至-9.5m第六阶段：水位由9.5m抽降至-11.3m第七阶段：水位由-11.3m抽降至施工结束 抽水速率的控制对围护体系的位移及结构安全起着关键的作用。设计者在437厂船坞工程设计说明中，对坞口降水、取土提出具体要求，且必须在坞口降水、取土全过程中，同时进行坞口安全监测，其测量内容包括（1）钢板桩纵向变形监测（测斜）。（2）钢板桩桩顶变形及沉降监测。（3）基坑内外水位监测。（4）水平位移监测。（5）支撑轴力及围令弯距监测（应力）。（6）立柱沉降监测。（7）周边建筑物监测。围护结构位移监测是围堰是否稳定的一个重要的标志，围堰稳定标准分为两种情况：（1）每个抽水阶段过程中即每抽水50cm，围堰位移后两个以上等潮位的位移相等或4个以上潮位的位移值呈收敛趋势且其最后一个位移读数的增量不大于2mm即可认为达到稳定，可以进行下一个50cm降水、取土施工。（2）每个抽水阶段结束的稳定标准，围堰稳定达到上述标准后，间歇不小于5天，且最后48小时等潮位位移不大于1mm且板桩应力无明显增长，则可认为本阶段抽水结束。依照上述原则，我们合理安排降水、取土施工顺序，并根据监测资料，及时调正。 由于坞口是一全封闭的水上深基坑，其将黄浦江水域和坞室小港池水域完全分开，而坞口、坞室又须同步施工，为满足这一特殊工况要求，设计在距内侧围堰钢板桩3m处设了一道水帘钢板桩，用于调节内外水位差。我们根据水帘钢板桩渗漏水情况及潮位情况，利用抽水泵进行水位平衡。这也是保证围护结构安全的重要一步。 纵观坞口降水施工全过程，我们认真做到了以下几点：（1）抽水设备的选择。选择水泵的抽水能力大于设计抽水能力，用于应付复杂的地质条件带来的不可预测的渗漏量是有效的。（2）抽水速率的控制。从+3.5m开始，水位每降0.5m，作为一个小阶段，须在围护结构位移和应力增长变化情况满足稳定标准后，方能进行下一个0.5m抽水工作。从围堰内水位+3.5m开始，每个抽水阶段间歇不少于5天，昼夜抽水速率以围堰内水位变化计。（3）加强止水系统的细部处理。为减少板桩锁口间的渗漏量可采用1：1粉煤灰与木霄的混合物撒放水面来填塞锁口间的缝隙，取得了较好的止水效果。另外板桩拉杆孔采用橡胶垫和螺栓固定压板的方法进行堵漏也是较为成功的。在细部处理上还要特别强调：各道工序都应严格把关，如板桩施打，板桩接长焊接质量，拉杆孔的处理都应一次到位，以减少不必要的返工和浪费，为下道工序打好基础。坞室施工一般比较注重坞室的墙后降水，因为其降水效果直接影响着坞墙位移的控制，往往容易忽略坞室基坑内的降水，而基坑内的降水效果影响着土方开挖时土体的边坡稳定及减压排水层的施工质量。我们三航施工段是在原港池区域，内有原船舶下水滑道及老防汛墙（见附图四：三航施工区域原结构实景）。由于港池淤泥及老结构障碍物的影响，坞室深井降水施工方案始终无法有效实施，造成土方开挖时土体边坡不稳，土体放坡达1：7时还会出现土体滑坡现象，给施工带来了相当的难度。三航施工区域原建筑物实景 我们针对工程的特定工况条件，及时调正坞室降水方案。原深井降水改为分级轻型井点降水，采用局部开挖，局部降水，尽可能延长降水时间，使坞室基坑降水效果有所提高。对于坞室降水我们要求做好坞室墙后降水的同时，做好坞室基坑内的降水。要求地下水位降至底板结构层以下1m，深层降水工作是一项比缓慢的工作，要有超前意识，一般土方开挖前一个月要进行降水施工，这是保证坞室基坑正常开挖的前提条件。4.土方开挖环境效应 4.1坞口土方开挖：由于坞口为一全封闭水域，且属水上深基坑。开挖时第一道格状混凝土支撑已施工完毕，格状空隙为6m6m。一般的挖土机械无法到位，土方的水平、垂直运输都存在着很大的问题，所以我们选用了干、湿结合的取土工艺。降水和取土同时进行，并根据支撑施工情况逐层降水取土。降水取土施工流程： 坞室灌水，坞口降水至-0.6m第二道钢支撑施工坞室水上沉桩、坞口岸侧袋装砂坝施工坞口降水、取土至-4.0m第三道钢支撑施工坞口降水、取土至-7.3m第四道砼支撑施工坞口降水、取土至-9.6m第五道砼支撑施工坞口降水、取土至-11.2m底板砼施工。坞口第一道支撑形成后，由于围护钢板桩的两侧水位不平衡，使江侧围护钢板桩出现了较大的位移，位移量达117mm，降水取土后，进行第二道钢支撑的施工，此时坞口两侧的围护钢板桩位移继续增大，甚至达到167mm（见附图五：坞口江侧围堰钢板桩测斜曲线图（2001年7月-9月）；附图六：坞口岸侧围堰钢板桩测斜曲线图（2001年7月-9月）；附图七：坞口江侧圈梁水平位移曲线图（2001年7月-9月）；附图八：坞口岸侧圈梁水平位移曲线图（2001年7月-9月）。在第二道钢支撑尚未施工完毕，未形成支撑整体作用时，开始了第三道支撑的降水、取土，取土顺序勸于橢橢l8l$u中存在的问题：（1）超挖：为满足支撑底模制作，将泥面由-6.3m挖至-6.8m，局部甚至挖至-7.0m。（2）辅助围堰上堆土：因坞口取土无法一次送到泥驳，需利用辅助围堰堆土中转，而水上运泥能力未相配套，故使辅助围堰上的泥面标高高达7.0m（设计标高为+4.0m），辅助围堰上的堆土直接加大了围堰位移量。（3）开挖顺序：未按施工方案分层、分块开挖，开挖顺序混乱，全面铺开，大面积开挖。（4）设计工况条件的维持：水帘钢板桩未施工完毕，未形成围护体系的内外水位平衡。针对上述问题，我们采取了如下相应措施：（1）严禁超挖，支撑牛腿施工，则采用局部降低标高，但基本面的高程控制仍不变，并派专人24小时跟踪测量，随挖随测，及时控制泥面高程。（2）加强水上运土能力，从设备、人员上保证，并将辅助围堰上的冲填砂挖至+3.0m，做到辅助围堰上的堆土随堆随运，泥面标高控制在设计标高+4.0m（3）严格执行分层、分块开挖及先撑后挖的原则，即先中间后两边的开挖顺序。先将中间4根支撑梁施工完毕后，再向两边扩展挖土直至第四道砼支撑施工完毕，进入下阶段降水取土。（4）加速水帘钢板桩的沉桩进度，确保坞口大面积取土之前沉桩完毕，形成围护体系的内外水位平衡。经过全体施工人员的共同努力，坞口取土顺利地渡过了非常时期，围护结构安全、稳定。从坞口的降水、取土情况我们可以看出，为减小土方开挖的环境效应，我们必须做到：（1）合理编排开挖顺序。一般的矩形基坑，在没有围护情况下多坍成矩形的外接圆坑。人们曾总结提出：挖土时四角要留三角土（使之形成内接圆），要盆式开挖，分层分块开挖。虽然我们工程有围护结构，但分层分块开挖的原则也是不变的。挖土要槽型挖土，以便挖土与支撑安装能同步施工。为防止坑底扰动，基坑挖好后应尽量减少暴露时间，及时进行下一道工序的施工，若不能立即进行下一道工序时，应预留1530cm厚覆盖土层，待基础施工时再挖去。（2）加强监测，并及时分析数据指导施工。因为目前，土方的开挖多由土方承包商经营，由于管理不善，片面追求经济效益往往未能按照正常的施工组织计划开挖、堆放、运输，这就会增大围护结构的变形，给围护结构的安全带来隐患，所以强调监测指导施工是很有必要的（3）在深厚软土如淤泥、淤泥质黏土土层中开挖基坑，由于软土的蠕动性，要重视“时空效应”做到随挖随撑。严禁挖土时超前、超深等现象的存在。为防止超挖现象的发生，机械挖至接近设计底标高时，应预留3050cm厚土层，用人工开挖和修整。4.2坞室土方开挖：由于坞门未关闭，坞室无法实现“干”施工，业主为了满足坞口、坞室同步施工，为坞室8-20轴线形成“干”施工条件确保后半部分坞室按期竣工及造船分段按期下坞，经业主提议：由第九设计研究院设计，三航负责施工，在坞室6-7轴线内设置一道中间围堰，结构形式见附图七：中间围堰结构示意图。（此时坞室底板桩基施工已全部结束）。由于中间围堰钢板桩位移（位移量见表4-1）及港池水、土压力的作用，已开挖的5-9轴线坞底板PHC管桩均出现不同程度向东倾斜，经九院对桩身小应变检测，出现一定数量的类、类桩，具体数据见表4-2。针对现场的实际情况，业主、设计、监理、施工单位多次召开专题会议，明确补强措施：其一：为控制中间围堰钢板桩的进一步偏位，严格执行分层开挖，平缓放坡原则（因原港池内均为淤泥质土，故放坡控制在1：61：8）。控制基坑开挖的顺序及速率，减少土体对PHC管桩的进一步影响。其二：对桩身检测结果判为III类、IV类的PHC管桩，实施补桩，补桩形式为钻孔灌注桩（800；L=26000mm）。 结束语：随着社会经济和建筑业的发展，基坑工程技术日益引人瞩目，设计、施工的标准化、规范化正进入有序可