鋼管樁在模袋砂圍堰加固施工中的應(yīng)用

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(shí)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(jiǎn)單、使用方便、搭接容易和密封性好的優(yōu)點(diǎn)［8］，但在圍堰面積較大時(shí)，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(chǎng)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(tái)，但因各種原因，無(wú)法成型，經(jīng)過對(duì)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(duì)圍堰進(jìn)行加固，在實(shí)際施工中對(duì)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(yùn)大樓，隧道全長(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性，對(duì)混凝土中的鋼筋長(zhǎng)期浸水具有弱腐蝕性、干濕交替時(shí)具有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)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(chǎng)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性，對(duì)混凝土中的鋼筋長(zhǎng)期浸泡時(shí)無(wú)腐蝕性、干濕交替時(shí)具有中等腐蝕性，對(duì)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(wú)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(duì)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(shí)清理。

由于填筑層具有較大的透水性，對(duì)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(shí)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(duì)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(jì)采用模袋砂形成圍堰，圍堰呈品字型布置，總長(zhǎng)度為239 m，具體圍堰范圍及形狀見圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(cè)(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(cè)時(shí)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(diǎn)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?yàn)椴灰?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(duì)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(shí)，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(shí)，設(shè)計(jì)的模袋混凝土未澆筑，不能有效預(yù)防沖刷，在漲潮時(shí)，模袋砂易上浮，在流速大時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)圍堰進(jìn)行防護(hù)，以防止海潮對(duì)既有模袋砂的沖刷。

2)對(duì)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(shí)間長(zhǎng)等因素，采用剛度大的臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍堰進(jìn)行加固。

3)對(duì)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(duì)模袋砂圍堰沉降的原因分析，并結(jié)合加固思路，對(duì)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(duì)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(duì)圍堰進(jìn)行防護(hù)，以防止海潮對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)，基本處于可控狀態(tài)。圍堰體累計(jì)沉降最大為5.6 cm，累計(jì)位移最大為7.2 cm，變形速率小于1.5cm/d，鋼管樁累計(jì)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(tái)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(wú)法滿足使用要求。采用鋼管樁對(duì)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(diǎn)，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(huì)效益。需要注意的是，在模袋砂圍堰施工中，需要切實(shí)做好地質(zhì)勘查和水文觀測(cè)，切實(shí)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。

［1］ 顏宏亮，于雪峰.水利工程施工［M］.鄭州:黃河水利出版社，2009.

［2］ 付俊雄.云南李仙江居甫渡水電站施工技術(shù)［M］.昆明:科技出版社，2009.

［3］ 陳參軍.模袋砂圍堰在京杭運(yùn)河張樓地涵工程中的應(yīng)用［J］.科技促進(jìn)發(fā)展，2010(8):53，64.

［4］ 盧堯夫，王立忠.深水中土工模袋砂土圍堰的設(shè)計(jì)與施工［J］.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002(3):39 －40.(LU Yaofu，WANG Lizhong.Designandconstructionofthe geomembrane bag with sand soil cofferdam in deep water［J］.Journal of Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College，2002(3):39 －40.(in Chinese))

［5］ 蘇戰(zhàn)軍，吳曉強(qiáng).水下模袋混凝土護(hù)坡護(hù)底施工技術(shù)［J］.浙江水利科技，2003(5):15－18.

［6］ 鄭萬(wàn)勇，吳韻俠，郭立杰.應(yīng)用混凝土模袋防護(hù)黃河堤腳的研究［J］.中國(guó)水利，2004(3):22－23.

［7］ 王宏江，朱永庚，張彤宇.模袋混凝土技術(shù)在水利建設(shè)中的應(yīng)用［J］.天津市科學(xué)技術(shù)，2006(8):20－22.

［8］ 姚飛明.鋼管樁沉拔樁施工技術(shù)［J］.公路，2006(9):30－33.

［9］ GB 50286—98堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中華人民共和國(guó)建設(shè)部，1998.