鄧　彪， 郭小龍， 李志軍

(1. 江西省水利規(guī)劃設計研究院， 江西 南昌　330029； 2. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河　065201)

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南昌紅谷沉管隧道江中模袋砂圍堰冬汛災后土石圍堰重建施工技術

鄧彪1， 郭小龍2， 李志軍2

(1. 江西省水利規(guī)劃設計研究院， 江西 南昌330029； 2. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河065201)

為快速恢復南昌紅谷隧道冬汛災后被沖毀的模袋砂堰體，給圍堰內(nèi)剩余工程提供無水作業(yè)條件，選用“土石圍堰+塑性混凝土鉆孔咬合樁和高壓旋噴樁防滲體系”新型堰體恢復方案： 水中利用抓斗船沿圍堰軸線拋填石塊，陸上利用自卸汽車外運黏土從堰體兩端逐步拋填直至堰體合攏，采用成孔過程中對周邊地層擾動較小的反循環(huán)鉆機施工塑性混凝土鉆孔咬合樁，并在新做塑性混凝土咬合樁與原圍堰塑性混凝土防滲墻接茬處施工高壓旋噴樁加強止水。實踐證明： 重建土石圍堰具有施工速度快、成本相對較低、作業(yè)區(qū)域小、穩(wěn)定性好、抗?jié)B能力強等優(yōu)點，適用于沉管隧道江中圍堰的新建和重建等臨時性水利工程。

沉管隧道； 模袋砂圍堰； 土石圍堰； 圍堰重建； 塑性混凝土鉆孔咬合樁

0　引言

沉管隧道是一種跨越江河、海灣的水下交通通道，從1910年美國在底特律河修建第一座沉管隧道算起，已有100多年的歷史[1-2]。沉管法是相對經(jīng)濟的水下穿越方法，在我國起步較晚，但隨著我國現(xiàn)代化交通建設和城市的發(fā)展，預計將有大量的水下隧道采用沉管法修建[3]。目前在我國香港、臺灣、廣州、寧波、上海、舟山和天津等城市已先后建成多座沉管隧道[4]。

模袋砂圍堰、土石圍堰和混凝土砌塊圍堰在水利工程中應用都比較成熟，在不同的地理環(huán)境和施工條件下，各自都具有一定的優(yōu)勢。沉管隧道在管段浮運出塢后需要施作二次圍堰將干塢與河流隔開，然后將干塢里的水抽干進行二次開挖。一般多選擇模袋砂圍堰或混凝土砌塊圍堰，相比較而言，混凝土砌塊圍堰的穩(wěn)定性以及抗?jié)B性都比模袋砂圍堰要好[5]。廣州生物島—大學城沉管隧道二次圍堰采用水下自密實不擴散混凝土技術開發(fā)出了一種沉管隧道二次圍堰防滲體系的施工方法[6]。目前，對土石圍堰防滲技術的研究不多，尤其是對中小型工程土石圍堰技術的研究[7]。

南昌市紅谷隧道模袋砂圍堰冬汛受災，東岸江中端頭堰體被沖毀，由于圍堰內(nèi)土建工程尚未完成，且無法在水下施工，須重建圍堰并抽干水后在無水的條件下作業(yè)。紅谷隧道東岸重建圍堰位于贛江主航道，后期需拆除并恢復原河床，混凝土砌塊圍堰和水下自密實不擴散混凝土圍堰不適合本工程，本工程重建堰體與原堰體合攏并形成封閉的防滲體系比較罕見，沒有類似工程案例可以參考。根據(jù)紅谷隧道工程東岸重建圍堰施工完成2個月后即進行拆除的實際情況，需要開發(fā)一種穩(wěn)定性及抗?jié)B性好、成本低廉、作業(yè)方便快捷的堰體型式。本文分別從安全技術可行性、方案優(yōu)缺點、工程費用、工程規(guī)模和工期等5個方面進行分析，最終決定采用具有結構穩(wěn)定、抗?jié)B性能好、成本較低、作業(yè)方便、安全性高、工期可控且經(jīng)濟等優(yōu)點的“土石圍堰重建堰體”方案。

1　工程概況

紅谷隧道穿越贛江，連接紅谷灘新區(qū)與東岸老城區(qū)，距離上游南昌大橋1.4 km，距離下游八一大橋2.3 km，為東西走向雙向6車道城市交通主干線。隧道總長9.3 km，過江段采用沉管法，長度為1 329 m。隧道采用“快速過江、水下立交、多點疏散、東西貫通”的設計方案，西起豐和中大道與怡園路交叉口，向東沿怡園路布設，在紅谷中大道設1對出入口，主線下穿紅谷中大道和贛江中大道，以直線形式穿越贛江和江心洲，采用水下互通立交銜接東岸，分別在江中大道南、北兩側各設1對出入口，中山西路設1對出入口，朝陽洲中路設1個出口。

1.1原設計圍堰概況

東岸圍堰軸線長約651 m，端頭坡腳深入江中長度為320 m，進入贛江主航道。圍堰填筑高度約20 m，底部寬度約120 m，頂部寬度約10 m，填筑方量約70萬m3，分別在18.5 m高程和9.7 m高程處設3.0 m寬的平臺(高程采用黃海高程，下同)。堰體內(nèi)、外側邊坡坡比分別為1∶2.5和1∶3.0，圍堰邊坡防護采用砂卵石墊層+格賓石墊。16.7 m高程以下圍堰采用兩側模袋砂橫斷面結構，每層模袋砂厚度為0.5 m，在砂芯范圍施工三軸攪拌樁槽壁加固和塑性混凝土防滲墻隔斷贛江水； 16.7 m高程以上堰體外側為黏土防滲斜墻，內(nèi)側為模袋砂，每層模袋砂厚度為0.7 m。為滿足沉管與暗埋段對接的要求，在東岸設置端頭整體式、兩側分離式模袋砂臨時圍堰及其防滲體系隔斷贛江水，在堰體的防護下施工圍堰內(nèi)主體結構。原設計圍堰的平、剖面如圖1所示。

(a) 原設計圍堰平面圖

(b) 原設計圍堰橫剖面圖

1.2枯水期贛江冬汛洪水情況

紅谷隧道隧址上游受連日降雨的影響，出現(xiàn)歷史罕見冬汛，至2015年11月19日，隧址南昌外洲水文站水位急升至18.28 m，流量陡增至10 700 m3/s，流速猛漲，水位超過50年一遇的水位18.15 m。2005—2015年11月贛江水位如圖2所示。

圖2　2005—2015年11月贛江水位曲線

Fig. 2Curve of water levels of Ganjiang River in November,2005 to November, 2015

1.3圍堰冬汛受災情況

2015年11月14日，受江西省內(nèi)連日降雨的影響，贛江上游水庫出現(xiàn)超警戒水位，為緩解庫容壓力，上游水庫泄洪，地處中游的紅谷隧道東岸圍堰遭受到不可抗力的贛江冬汛洪峰。紅谷隧道隧址贛江水位日最大漲幅為1.4 m，并迅速暴漲至14.7 m，流量陡增至5 120 m3/s，贛江水位距堰頂不到1.0 m。紅谷隧道東岸圍堰原設計為非過水圍堰，為防止整座堰體被沖毀，主動降低江中端頭堰體標高，并利用挖掘機在圍堰端頭頂部開挖溝槽，使贛江水順溝槽流進圍堰內(nèi)。但因水位上漲太快，大量贛江水迅速漫過溝槽流進圍堰，洪水沖刷內(nèi)堰體邊坡，沖毀江中端頭圍堰的部分堰體。

1)沖毀端頭圍堰。原圍堰江中端頭堰體被沖毀情況如圖3所示。江中端頭圍堰約65 m長模袋砂堰體、防滲墻及防護邊坡等被沖毀，圍堰底巖層被推移擠裂。被沖毀后的堰體底部標高為2.98～7.26 m，呈外高內(nèi)低的沖毀斜坡面，其上方8～12 m高堰體全部被沖毀。

圖3　原圍堰江中端頭堰體被沖毀

2)填埋堰內(nèi)端頭基槽。江中端頭堰體被沖毀前后橫剖面如圖4所示。被沖毀的江中端頭圍堰形成泥石流沖入端頭基槽中，并將基槽原開挖底標高從-8.2 m 填埋至-1.5 m，在已開挖完成的基槽內(nèi)形成6.7 m厚的砂、砂卵石、格賓石墊、模袋、塊狀泥質(zhì)粉砂巖、大塊防滲墻和攪拌樁頭等混合填埋體，且水密門、端封門、端鋼殼及面板、鼻托、支座等均被沖擊掩埋。

圖4　江中端頭堰體被沖毀前后橫剖面圖(單位： m)

Fig. 4Profile of cofferdam end before and after destroyed by water (m)

2　圍堰內(nèi)尚未完成的施工任務

因發(fā)生洪災時，圍堰內(nèi)端頭基槽開挖、堰內(nèi)明挖基坑主體結構施作、結構洞內(nèi)支模材料清運出洞、結構頂板防水及回填土、基坑圍護結構及鋼筋混凝土支撐拆除、大堤擋墻及大堤填土恢復等施工任務均未完成，且無法在水下施工，須重建圍堰并抽干水后在無水的條件下作業(yè)。同時，為防止在圍堰內(nèi)抽水過程中發(fā)生主體結構上浮開裂的安全質(zhì)量事故，需對主體結構預先壓重。圍堰內(nèi)尚未完成的施工任務具體如下：

1)岸下疏散大廳基坑頂板防水層及其上方500 mm厚素混凝土完成70%，與4條匝道接口部位各剩1組頂板未施工，頂板頂面標高為7.7～8.4 m。

2)高于河床的岸下基坑圍護結構地下連續(xù)墻、鉆孔樁和鋼筋混凝土支撐尚未拆除完成，影響后期航道內(nèi)船舶通行，極易造成通航安全事故。

3)贛東大堤擋墻恢復完成10%，擋墻背后回填土未施工。原圍堰為第1道防洪體系，岸上匝道基坑圍護結構地下連續(xù)墻為第2道防洪體系，2道防洪體系確保南昌老城區(qū)的防洪安全?，F(xiàn)圍堰被沖毀，僅利用岸上匝道基坑圍護結構地下連續(xù)墻防滲體系不能滿足老城區(qū)的防洪安全，必須重建圍堰恢復2道防洪體系。大堤擋墻和背后填土施工完成后，才可拆除圍堰。

4)端頭基槽圍護結構鋼管樁之間的鋼筋混凝土支撐未完全拆除，且已拆除的支撐混凝土塊堆在基槽未清理，鉆孔樁及混凝土圍檁破除后的鋼筋頭等尖銳物未割除，直接威脅到沉管對接過程中潛水員的生命安全。此外，圍堰拆除過程中，充填砂在贛江水流的沖擊下淤積在混凝土封門前方的基槽中，會給后期基槽清理帶來巨大障礙，工期將無法保證。

5)東岸主體結構與沉管連接端頭水密門未完全關嚴，端封門、水密門、鼻托、支座、端鋼殼、面板和端頭基槽等均未最終質(zhì)量驗收，現(xiàn)場不確定因素將給沉管對接帶來巨大的安全質(zhì)量隱患。

3　重建圍堰施工方案比選

通過現(xiàn)場調(diào)查和研究，提出以下2種施工方案。

3.1方案1： “土石圍堰+塑性混凝土鉆孔咬合樁和高壓旋噴樁防滲體系”圍堰方案

重建圍堰采用土石堰體，基底為原圍堰被沖毀后的剩余模袋砂和河床，采用兩側拋塊石+中間水下拋填黏土的堰體型式，塊石軟化系數(shù)不小于0.85，中間填筑黏土中部設φ1 200@900塑性混凝土鉆孔咬合樁(樁底入巖3.5 m)+高壓旋噴樁接茬止水的組合防滲體系。石質(zhì)填料主要填筑于圍堰迎水面，土質(zhì)填料主要填筑于基坑側[8]。

土石圍堰高度約17 m，堰頂寬度為46.1 m，堰底寬度為71.1 m，堰體迎水面拋石邊坡坡比為1∶1.5，背水面拋石邊坡坡比為1∶1.2。外堰拋石堰體頂部標高15.0 m，頂部寬度為8 m，底部寬度為33.2 m，迎水側邊坡坡比為1∶1.5，背水側邊坡坡比為1∶1.2。內(nèi)堰拋石堰體頂部標高12.0 m，頂部寬度為8 m，底部寬度為31.9 m，兩側邊坡坡比均為1∶1.2，背水側邊坡在8.0 m高程處設3.0 m寬的平臺。15.0 m高程以上黏土堰體頂部寬度為3 m，底部寬度為15.5 m，兩側邊坡坡比均為1∶1.75。內(nèi)、外拋石堰體中部黏土施作鋼筋混凝土邊坡防護。重建圍堰平、剖面如圖5所示。

(a) 重建土石圍堰平面圖

(b) 重建土石圍堰橫剖面圖

Fig. 5Plan and profile of reconstructed earth-rock cofferdam(m)

3.2方案2： “模袋砂圍堰+塑性混凝土鉆孔咬合樁和高壓旋噴樁防滲體系”圍堰方案

江中端頭重建圍堰采用原設計的模袋砂圍堰，基底為原一次圍堰被沖毀后的剩余模袋砂堰體和河床，堰體采用兩側模袋砂堰體+中間拋填黏土的堰體型式，中間黏土中部設φ1 200@900塑性混凝土鉆孔咬合樁(樁底入巖3.5 m)+高壓旋噴樁接茬止水的組合防滲體系。圍堰高度約17 m，堰體頂部寬度為28.9 m，底部寬度為78.4 m。中間黏土頂部寬度為24.2 m，底部寬度為6.0 m。15.0 m 高程以上黏土堰體頂部寬度為3 m，底部寬度為15.5 m，兩側邊坡坡比均為1∶1.75。外側堰體頂部標高15.0 m，頂部寬度為4.7 m，底部寬度為37.0 m，迎水側邊坡坡比為1∶2.5，背水側邊坡坡比為1∶1.2。內(nèi)側堰體頂部標高12.0 m，頂部寬度為3 m，底部寬度為35.4 m，迎水側邊坡坡比為1∶1.2，背水側邊坡坡比為1∶2.5。內(nèi)、外拋石堰體中部黏土施作鋼筋混凝土邊坡防護。模袋砂堰體外側護坡采用150 mm厚砂卵石+300 mm厚格賓石墊，內(nèi)側護坡采用400 mm厚砂卵石。重建模袋砂圍堰橫剖面如圖6所示。

圖6　重建模袋砂圍堰橫剖面圖(單位： m)

3.3方案比選

從工程規(guī)模、工程費用、方案優(yōu)缺點、工期、安全技術可行性等5個方面對2種方案進行比選，2種方案比選情況如表1所示。

表1　2種施工方案比選

由表1可知，雖然方案1重建土石圍堰的規(guī)模較大，對贛江水質(zhì)也有一定的影響，但是工程費用相對較低，施工速度快，且在保證安全和質(zhì)量的條件下可滿足工期要求。因此，最終決定采用方案1的圍堰重建方案。

4　土石圍堰重建堰體施工工藝

土石圍堰重建堰體施工工藝流程如圖7所示。

圖7　重建土石圍堰施工流程

4.1河床(2.0 m高程)～15.0 m高程堰體施工

水中部分堰體按照先內(nèi)側、后外側的順序施工，利用船舶把石塊運至江中端頭圍堰，利用8 m3抓斗船將石塊沿圍堰軸線水下拋填合攏堰體。拋石堰體施工過程中，采用測深儀對堰體進行掃測，使水中堰體斷面尺寸和邊坡坡比滿足相關要求。內(nèi)外側拋石堰體施工至15.0 m高程露出水面后，自卸汽車陸運黏土至施工現(xiàn)場，利用挖掘機、裝載機往內(nèi)、外拋石堰體之間堆填黏土至圍堰頂面。圍堰內(nèi)坡面施工2 m厚卵石護坡，防止圍堰內(nèi)抽排水時黏土流失。水中拋石堰體施工如圖8所示。

(a)

(b)

4.215.0～18.0 m高程堰體施工

江中端頭土石圍堰施工完成后，施工3 m高黏土堰體，黏土堰體底部寬度為15.5 m，頂部寬度為5.0 m，內(nèi)、外側邊坡坡比均為1∶1.75。黏土防滲斜墻軸線長285 m，平面共分3段進行施工。用汽車運輸黏土到施工現(xiàn)場，回填時分層回填，每層厚度為300 mm，利用20 t壓路機分層碾壓，壓實度達到0.9。黏土堰體采用機械化施工，配置挖掘機、裝載機、自卸汽車、振動壓路機等機械設備，形成挖裝、運輸、攤平、碾壓的流水作業(yè)。

4.3塑性混凝土鉆孔咬合樁施工

鉆孔咬合樁直徑1 200 mm，樁間距900 mm，咬合300 mm，共計115根，入巖3.5 m。開始采用旋挖鉆機，但無法成孔，最終選用成孔過程中對地層擾動較小的反循環(huán)鉆機，自制泥漿護壁，跳孔施工，利用吊車和吊斗澆筑水下混凝土。咬合樁分為一序樁和二序樁，兩序樁的混凝土融合在一起呈嵌入咬合狀態(tài)，形成一個連續(xù)、封閉的整體排樁結構。咬合樁采用跳樁法施工，即先施工A型樁，待A型樁初凝(7～9 h)后再施工臨近B型樁，每9根樁為1個循環(huán)(A1—A3—A5—A2—A4—B1—B2—B3—B4)，合理分區(qū)分段施工。咬合樁施工順序如圖9所示。

圖9　咬合樁施工順序大樣圖

A型樁混凝土采用超緩凝型混凝土，要求在A型樁混凝土初凝前完成B型樁的施工。A型樁混凝土緩凝時間根據(jù)單樁成樁的時間來確定，單樁成樁時間與地質(zhì)條件、樁長、樁徑和鉆機能力等有直接關系[9]。本工程采用塑性混凝土作為素樁(A型樁)，塑性混凝土強度為3～4 MPa。

4.4三重管高壓旋噴樁施工

在鉆孔咬合樁轉(zhuǎn)角和與原塑性混凝土防滲墻接茬處施工φ800@500三重管旋噴樁，利用三重管旋噴樁鉆機施工，每處施工6根旋噴樁，相鄰樁搭接不小于300 mm，樁底進入中風化泥質(zhì)粉砂巖3.5 m。旋噴樁采用強度等級不低于42.5的普通硅酸鹽水泥，水泥摻入比不小于25%，水泥漿液的水灰比為1.0～1.5，無側限抗壓強度(28 d)≥0.8 MPa，滲透系數(shù)≤1.0×10-7cm/s，旋噴壓力宜控制在15～20 MPa。

5　效果評價

土石圍堰作業(yè)區(qū)域位于贛江主航道，水流速度達1.6 m/s，水深約16 m，水文環(huán)境復雜，抓斗船定位困難，施工組織難度極大。土石結構的填筑密實度是土石構筑物能否穩(wěn)定的關鍵。絕大部分黏土圍堰在深水中填筑而成，難于施加外力碾壓密實，只能依賴自身重力或排水固結[10]。重建圍堰從方案制定到堰體成型僅用了1個月時間，完成近6萬m3的土石堰體，并成功與原模袋砂堰體合攏。拋石堰體利用水上抓斗船從兩側往中間進行拋填，經(jīng)多次現(xiàn)場試驗，掌握了抓斗船拋填定位的控制方法，拋石堰體邊坡坡比為1∶1.5～1∶1.75。黏土從岸上兩端往中間拋填合攏，無法利用大型設備進行壓實，黏土堰體在水下形成1∶2.5～1∶3.0 的自然坡。黏土堰體出水后，利用壓路機進行碾壓，并在堰體合攏口水深最大的區(qū)域形成往江中方向的凸形開裂線，現(xiàn)場繼續(xù)往上填筑黏土并壓實。黏土堰體成型15 d后達到穩(wěn)定，日平均沉降量為0.8 mm，最大累計沉降量為300 mm；日平均水平位移為0.1 mm，最大累計水平位移為50 mm。由圍堰內(nèi)河床面的滲流監(jiān)測資料可知，土石圍堰兩端及中部滲流較大，其他區(qū)域滲流較小。鉆孔咬合樁防滲體系施工完成以后，重建土石圍堰軸線103 m范圍內(nèi)僅有5個極小滲漏水點，24 h總滲流水量約500 m3，通過在圍堰內(nèi)設截水溝和集水井，并利用水泵抽排，完成了河床面以下10 m深的基槽開挖，基本達到圍堰防滲的要求。重建土石圍堰現(xiàn)場施工情況如圖10所示。

(a) 重建土石圍堰現(xiàn)場

(b) 圍堰內(nèi)基槽開挖

6　結論與建議

本文根據(jù)南昌市紅谷隧道模袋砂圍堰冬汛受災的實際情況，從工程規(guī)模、工程費用、方案優(yōu)缺點、工期和安全技術可行性等5個方面對土石圍堰和模袋砂圍堰2種重建方案進行比選，最終決定采用土石圍堰重建方案。土石圍堰施工對贛江航道的影響較小，可以實現(xiàn)水上和陸上同時作業(yè)，大大加快施工進度。土石圍堰的黏土直接在水中填筑，前期沉降變形較大，鉆孔咬合樁防滲墻施工完成后，堰體趨于穩(wěn)定。圍堰內(nèi)10 m深基槽開挖過程中，通過圍堰坡腳的截、排水溝把滲漏水匯集至集水坑，統(tǒng)一抽排至贛江，保證基槽安全開挖和施工。土石圍堰在滿足重建圍堰結構穩(wěn)定和抗?jié)B的前提下，降低了工程造價，保證了項目工期。

重建土石圍堰防滲體系鉆孔咬合樁施工完成之前，通過對圍堰內(nèi)外滲流水情況進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)滲流速度較小，證明水中填筑黏土形成的堰體具有良好的防滲性能，且黏土堰體的成本僅是吹填砂成本的一半，因此，在今后的圍堰設計中，應充分考慮黏土堰體的可行性，就地取材，以降低工程費用。

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Reconstruction Technologies for Earth-rock Cofferdam after Sandbag Cofferdam Hit by Winter Season in Ganjiang River:Case Study of Honggu Immersed Tunnel in Nanchang

DENG Biao1, GUO Xiaolong2, LI Zhijun2

(1.JiangxiProvinceWaterConservancyPlanningandDesigningInstitute,Nanchang330029,Jiangxi,China; 2.ErchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China)

The sandbag cofferdam of Honggu Tunnel in Ganjiang River was destroyed by winter season. It has to be reconstructed so as to provide waterless working conditions for further construction. New construction scheme of “earth-rock cofferdam + plastic concrete bored secant pile and high pressure jet grouting pile seepage prevention system” is adopted. The scheme includes, rock filling along axial line of cofferdam by grab dredger, rock pushing towards cofferdam by dump truck, using plastic concrete bored secant pile constructed by reverse circulation drill and high pressure jet grouting pile seepage prevention system. The construction practice shows that the reconstructed earth-rock cofferdam has advantages of rapid construction, low cost, small operating area, stable and impermeable； so that it can be applied to new and reconstructed temporary hydraulic engineering works.

immersed tunnel; sandbag cofferdam; earth-rock cofferdam; reconstructed cofferdam; plastic concrete bored secant pile

2016-01-11;

2016-06-02

鄧彪(1972—)，男，江西南昌人，1996年畢業(yè)于南昌大學，水利水電工程建筑專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)主要從事水利水電工程施工設計工作。E-mail： 908135171@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.013

U 45

B

1672-741X(2016)09-1114-06