曹正喜

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司杭州分公司，杭州 310030)

0 引言

圍堰是在河道、港口、碼頭、隧道、橋梁等工程的建設(shè)過程中修建的臨時性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其作用是防止水和土進(jìn)入圍堰內(nèi)部，除作為正式建筑物的一部分外，圍堰一般在用完后拆除［1－2］。在不同的邊界條件下，需要采用不同的圍堰形式，以期達(dá)到安全、穩(wěn)定、快速和經(jīng)濟(jì)的目的。模袋砂圍堰作為一種適應(yīng)性較強(qiáng)的圍堰形式被經(jīng)常采用［3－7］。鋼管樁能起到圍水、圍土、圍砂等作用，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、搭接容易和密封性好的優(yōu)點［8］，但在圍堰面積較大時，將鋼管樁與模袋砂結(jié)合使用較少。沈家門港海底沉管隧道工程北岸出入口地處繁華的濱港路，周邊環(huán)境復(fù)雜，交通流量大，施工場地狹小，為保證沉管隧道出入口的順利修建，需要在海中修建模袋砂圍堰作為主體結(jié)構(gòu)施工平臺，但因各種原因，無法成型，經(jīng)過對該圍堰變形因素的分析及加固方案比選，采用剛度較大的雙排鋼管樁對圍堰進(jìn)行加固，在實際施工中對增強(qiáng)圍堰的穩(wěn)定性起到了很好的作用，保證了基坑主體結(jié)構(gòu)的順利施工。

1 工程概況

1.1 工程介紹

舟山市普陀區(qū)沈家門港海底沉管隧道工程北起沈家門濱港路輪渡碼頭，南至魯家峙島客運大樓，隧道全長256.70 m，工程由隧道沉管段、北岸段、南岸段和干塢組成。

北岸出入口因場地條件限制，需要在海里形成圍堰，在圍堰內(nèi)清淤回填后，施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)，海下地質(zhì)情況復(fù)雜，施工難度大。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

1)工程地質(zhì)。場地勘察范圍內(nèi)地基土可劃分為9層，自上而下依次為:粉質(zhì)黏土(mlQ4、)、淤泥)、砂礫、al+)、粉質(zhì)黏土()、粉質(zhì)黏土(l+、)、粉質(zhì)黏土()、含黏性土角礫(al+)、黏土(l+)和含黏性土角礫(dl+)。

2)水文地質(zhì)。工程場地地表水主要是沈家門港中的海水。沈家門港海水50 a一遇，極端高水位標(biāo)高3.43 m、極端低水位標(biāo)高－2.71 m，海水均對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性，對混凝土中的鋼筋長期浸水具有弱腐蝕性、干濕交替時具有強(qiáng)腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

松散巖類孔隙潛水分布于工程場地陸域段內(nèi)表層土中，受海水補(bǔ)給和排泄影響，水質(zhì)和海水一致，水位埋深隨海水漲落潮而變化，孔隙潛水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性，對混凝土中的鋼筋長期浸泡時無腐蝕性、干濕交替時具有中等腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

松散巖類承壓水水位埋深2.42～2.75 m，位于靠魯家峙島海域及其海岸帶，含水層厚度較小，一般厚度0.40～1.9 m，含水層滲透系數(shù)較大，賦水性較差，含水量有限，與地表水無水力聯(lián)系。

3)不良地質(zhì)狀況。濱港路現(xiàn)地面標(biāo)高為2.38～2.48 m，濱港路屬填海而成，表層填筑厚度一般在5.0 m左右，主要為塊石、碎石，其粒徑較大，透水性好，對沿岸鉆孔灌注樁、水泥攪拌樁、旋噴樁及預(yù)制混凝土樁的施工有一定影響，施工中須及時清理。

由于填筑層具有較大的透水性，對基坑開挖有很大影響，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)保證施工質(zhì)量并采取切實可靠的防水或止水措施。表層以下為淤泥、淤泥質(zhì)(粉質(zhì))黏土，埋深可達(dá)16.0 m，具有高壓縮性、低滲透性和物理力學(xué)性質(zhì)較差等特征，對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工有很大影響。

2 模袋砂圍堰

2.1 模袋砂圍堰定義

模袋砂防護(hù)技術(shù)一般適用于沿海風(fēng)浪較小區(qū)域，它的原理是將砂與水按一定比例混合后加壓沖填至土工紡織袋中，經(jīng)脫水固結(jié)，靠自身的重力抵御風(fēng)浪的沖擊及防護(hù)圍堤內(nèi)回填土的流失，以達(dá)到穩(wěn)固路基、減少沉降的作用［4］。其中，土工紡織袋的作用與模板相似，它使松散的砂集結(jié)為整體，避免填筑的砂流失。

2.2 圍堰范圍及形狀

根據(jù)沈家門港區(qū)內(nèi)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，原設(shè)計采用模袋砂形成圍堰，圍堰呈品字型布置，總長度為239 m，具體圍堰范圍及形狀見圖1。

圖1 原設(shè)計模袋砂圍堰平面圖Fig.1 Plan of originally-designed sandbag cofferdam

2.3 模袋砂圍堰結(jié)構(gòu)

模袋砂圍堰高8m，頂寬5m，共分15層，其中圍堰底墊層為2層，底寬29m;護(hù)坡模袋砂13層，每層高度均為0.5 m，圍堰結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 圍堰典型縱斷面設(shè)計圖(單位:mm)Fig.2 Typical longitudinal profile of cofferdam(mm)

2.4 模袋砂圍堰施工

原設(shè)計采用模袋砂進(jìn)行圍堰施工，其施工工藝為:放線定位—清淤—基槽回填—松木樁基礎(chǔ)施工(間距2.0 m，梅花形布置)—鋪設(shè)高密度(HDPE)聚乙烯雙向土工格柵—大砂袋定位—人工泵灌大砂袋(充填料為粉細(xì)砂)—排水填筑內(nèi)圍堰—模袋混凝土護(hù)面—拋石反壓或者砂包護(hù)腳。

2.5 模袋砂圍堰的沉降、位移

施工中，中央突出部位在第10層填筑完成后開始出現(xiàn)突然下沉現(xiàn)象，經(jīng)過監(jiān)控量測(沉降、位移)分析，圍堰體基本趨于穩(wěn)定。又在中央突出部位施工了1層模袋(作為找平層)，在該找平層上方施工了第11層模袋。監(jiān)控量測時發(fā)現(xiàn)中央突出部位局部向外位移0.2～1.97 m，沉降達(dá) 0.24 ～0.649 m。圖 3 為圍堰沉降位移。

3 模袋砂圍堰變形的原因及處理措施

3.1 圍堰變形原因分析

從圍堰形式適應(yīng)性、基礎(chǔ)處理情況及港區(qū)內(nèi)潮流特點等方面進(jìn)行分析。

1)地質(zhì)情況復(fù)雜，地基承載力不均，局部不足。模袋砂圍堰處于淤泥質(zhì)土上，雖進(jìn)行了基礎(chǔ)加固，但在模袋砂圍堰的西側(cè)存在一地下沖溝，局部承載力不足，造成承載力不均而發(fā)生沉降與位移。

2)沈家門港海水漲落潮水流速度快，沖刷嚴(yán)重，水位變化影響大。沈家門海域為不規(guī)則半日潮，多年來潮差最大為3.67m，潮流呈往復(fù)流，最大流速為3節(jié)左右，即1.54 m/s，流速很大，對于模袋砂沖刷嚴(yán)重。

3)模袋砂圍堰剛性不能滿足要求，當(dāng)出現(xiàn)破損時，極易發(fā)生沉降與位移。模袋砂為分層施工，層與層之間靠模袋砂自重產(chǎn)生的摩擦力接觸，未有效連接，且在施工模袋砂時，設(shè)計的模袋混凝土未澆筑，不能有效預(yù)防沖刷，在漲潮時，模袋砂易上浮，在流速大時易產(chǎn)生位移。

3.2 加固思路及方案比選

3.2.1 加固思路

為進(jìn)一步摸清模袋砂水下部分情況，采用潛水員水下探摸形式。結(jié)果顯示，在模袋的西側(cè)沉降位移最大處，存在一地下沖溝，雖然出現(xiàn)沉降位移，但模袋的層數(shù)依舊清晰，說明模袋砂對于此種軟弱地層還是具有一定的適應(yīng)性。為此，在圍堰加固施工思路上，應(yīng)針對性采取措施。

1)考慮到工程經(jīng)濟(jì)性要求，保留原有基礎(chǔ)較好、沉降位移小部分，即位于靠岸側(cè)兩端的模袋砂，采用模袋混凝土對圍堰進(jìn)行防護(hù)，以防止海潮對既有模袋砂的沖刷。

2)對于沈家門港海水漲落、潮水流速度快、沖刷嚴(yán)重、圍堰存在時間長等因素，采用剛度大的臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)對圍堰進(jìn)行加固。

3)對模袋砂圍堰基底進(jìn)行加固。

3.2.2 技術(shù)方案比選

根據(jù)對模袋砂圍堰沉降的原因分析，并結(jié)合加固思路，對鋼管樁、三軸攪拌樁、地下連續(xù)墻等技術(shù)措施及方案進(jìn)行比選，如表1所示。

表1 各技術(shù)方案可行性比選Table 1 Comparison and contrast among different consolidation options

通過比選，確定采用鋼管樁對模袋砂進(jìn)行加固。

3.3 圍堰加固施工方案

1)采用C20模袋混凝土對圍堰進(jìn)行防護(hù)，以防止海潮對模袋砂的沖刷。

2)經(jīng)過施工技術(shù)方案及經(jīng)濟(jì)比較，采用剛性較大的雙排鋼管樁對圍堰進(jìn)行加固，形成格柵體，外側(cè)鋼管樁徑1.4m，內(nèi)側(cè)管徑1.2m，并在格柵內(nèi)吹填模袋砂，形成重力式擋墻，與原保留模袋砂連接形成整體，保證圍堰形成后，基坑開挖施工的安全與穩(wěn)定。

3)鑒于基底為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，采用塑料排水板對圍堰基底的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行重力自排水固結(jié)，以保證較好的加固效果。

鋼管樁加固模袋砂圍堰施工圖如圖4所示。

4 鋼管樁加固模袋砂圍堰施工

4.1 鋼管樁施工工藝流程

如圖5所示。

4.2 鋼管樁圍堰基礎(chǔ)處理

因本圍堰位于淤泥質(zhì)土中，承載力差，采用塑料排水板進(jìn)行加固，依靠塑料排水板中的空隙，使淤泥中的水分依靠雙排鋼管樁間模袋砂預(yù)壓排除，且可以通過排水板空隙釋放淤泥質(zhì)土中的孔隙水壓力，達(dá)到有效加固地層的效果。

4.3 鋼管樁圍堰內(nèi)填筑

鋼管樁沉樁完成后，在±0標(biāo)高處采用φ50高強(qiáng)螺桿對拉，在鋼管樁頂采用鋼筋混凝土施作冠梁，形成格柵。因本圍堰處于海港內(nèi)，為半日潮型，潮汐作用很明顯，為保證圍堰內(nèi)施工基坑的穩(wěn)定性及安全性，需要在圍堰內(nèi)充填結(jié)構(gòu)物，形成重力式擋墻。鋼管樁圍堰形成后，采用模袋砂及黏土進(jìn)行分層填筑，每層1.0 m，分層填筑至2.0m標(biāo)高;然后采用黏土分2層填筑，每層0.5 m，填筑至3.0 m標(biāo)高;最后采用混凝土澆注，與冠梁連接成整體。

4.4 施工效果

圍堰形成后，對圍堰體的沉降與位移及鋼管樁的變形進(jìn)行了嚴(yán)密監(jiān)測，基本處于可控狀態(tài)。圍堰體累計沉降最大為5.6 cm，累計位移最大為7.2 cm，變形速率小于1.5cm/d，鋼管樁累計位移最大為3.2cm。圍堰未發(fā)生較大變形，處于較為穩(wěn)定狀態(tài)，且經(jīng)受住了2011年的臺風(fēng)影響，施工效果較好。目前岸上主體結(jié)構(gòu)已基本封頂。

圖5 鋼管樁施工流程圖［9］Fig.5 Construction flowchart of steel pipe piles

5 結(jié)論與建議

沈家門港海底隧道工程北岸出入口是工程的重要組成部分，因受周邊環(huán)境的影響，沒有足夠的條件形成基坑。采用模袋砂圍堰形式進(jìn)行施工空間的拓展，但受到地質(zhì)及水文影響，模袋砂圍堰發(fā)生了較大變形與位移，無法滿足使用要求。采用鋼管樁對模袋砂圍堰加固這種新型圍堰形式在以前工程中未被采用過，此形式既可以發(fā)揮模袋砂施工工藝成熟、機(jī)械化程度高，又可以發(fā)揮雙排鋼管樁的整體性好、剛度大、抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)點，與其他圍堰形式區(qū)別在于柔性與剛性體的很好結(jié)合，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。需要注意的是，在模袋砂圍堰施工中，需要切實做好地質(zhì)勘查和水文觀測，切實做好圍堰基礎(chǔ)處理工作，以保證模袋砂圍堰在吹填過程中，減少因勘查、基礎(chǔ)處理不到位造成的圍堰變形和位移等問題。

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