?？谖拿鳀|越江通道施工及變形實測分析*

張 軼, 楊光輝, 鐘鏵煒, 陳臺禮, 陳睿杰

(1 上海城建市政集團有限公司，上海 200065；2 同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092；3 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

0 概述

越江海隧道的常用施工方法一般有盾構法[1]與沉管法[2]以及礦山法等,其中盾構法在國內外跨江、跨海隧道中最為常用。作為全機械化的施工方法,盾構法在中長距離隧道工程中具有較大優(yōu)勢,但是由于其造價、設備復雜性及管片結構的特殊性,在越江隧道的建設中也會遇到諸多施工問題與風險[3]。沉管隧道雖在國內起步較晚,但由于其具有結構與防水質量高、施工速度快及土建工程量小等優(yōu)勢,近十年在國內得到了較大發(fā)展;其應用主要受限于海床(河床)回淤、潮汐等不利因素[4]。礦山法因其經濟實用在國內仍有廣大應用市場[5],但一般只適用于堅硬土層或巖石地層。隨著目前國內基礎建設向內陸廣大區(qū)域的延伸與擴展,出現(xiàn)了較多對航道要求不高的跨越河流湖泊的隧道工程,此時若采用盾構法或沉管法進行施工,時間和成本都較高,則圍堰明挖法成為一個重要選擇。

圍堰明挖法在過去幾年里被廣泛用于水下隧道的建設中,如武漢東湖通道[6]、珠海橫琴島澳門大學海底隧道[7]、太湖隧道[8]以及金雞湖隧道[9]等,這些隧道主要建設在內陸湖泊等靜水環(huán)境。而在江河海等動水環(huán)境下的應用還較少,相關設計施工經驗不足,尤其動水條件及基坑開挖卸荷作用下圍堰的變形與穩(wěn)定性,會構成工程重要施工風險[10]。因此,本文將以海南省?？谖拿鳀|越江通道工程為背景,結合其一期圍堰明挖法監(jiān)測數(shù)據(jù),研究基坑開挖過程中鋼板樁圍堰及基坑的變形特性,提出設計及施工合理化建議。

1 工程概況

1.1 整體概況

?？谖拿鳀|越江通道項目西起文明東路白龍路交叉口,沿文明東路往東走行,在美苑路以西約300m及以東約350m處設置敞開段,然后下穿濱江西路、南渡江至江東新區(qū)東橫二路,終點位于東橫二路瓊山大道交叉口。項目全長4380m,其中隧道段全長2720m,接線道路全長1660m,江中段約1000m。此項目建設過程中工期尤其緊張,開工時間為2019年3月,2020年完成隧道主體建設,并在2020年8月20日完成通車。工期內經歷?？诒┯甓喟l(fā)季節(jié),另外由于南渡江多發(fā)風暴潮,兩者的共同作用可能導致迅猛的洪水[11],給施工帶來額外風險。經過多種隧道施工方案的比選[3],最終決定采用圍堰明挖法施工隧道江中段,并按照防洪要求分為如圖1所示兩期施工。

圖1 圍堰施工平面布置圖/m

1.2 施工方法

海口文明東越江通道圍堰工程采用膜袋混凝土結合鋼板樁的方法施工組合圍堰,利用膜袋不透水的性能,在膜袋內吹砂充泥后形成堰體擋水帶。因其具有一定的自重,自然沉降穩(wěn)定后能與河道緊密貼合,形成穩(wěn)定的擋水堰體,為鋼板樁施工提供作業(yè)環(huán)境;利用履帶吊配合振動錘或機械手兩種方式打設鋼板樁,其中樁長≤18m鋼板樁采用履帶吊配合機械手插打方式,樁長>18m鋼板樁采用履帶吊配合振動錘插打方式。在充泥管袋形成的堰體上進行施工,形成內外雙層鋼板樁圍堰阻水構筑物;利用充泥管袋堰體作為便道,進行膜袋混凝土施工,在充泥管袋內側鋪設一層膜袋混凝土護坡,至此充泥管袋-膜袋混凝土與鋼板樁形成完整的圍堰結構。

圍堰施工流程圖如圖2所示,完成鋼板樁的插打后,形成了圖1(a)所示封閉的施工平臺,抽除堰體內的水后,繼續(xù)開展基坑的開挖與后續(xù)隧道結構的施工。

圖2 圍堰施工流程圖

圖3為一期圍堰施工鳥瞰圖,圖中所處施工階段為圍堰及基坑圍護結構施工完成,尚未進行首層土開挖;顯然通過前期的處理已經在水上形成了較好的施工平臺,便于后期基坑開挖與隧道施工。

圖3 一期圍堰施工鳥瞰圖

圖4為組合圍堰的橫截面形式,該圍堰為充泥管袋結合鋼板樁圍堰,其特點為在鋼板樁內部施工防滲土工膜等防滲水措施。

圖4 典型圍堰橫截面

1.3 南渡江水文概況

(1) 暴雨特征

南渡江流域的暴雨常發(fā)生在4-11月,個別年份在3月或12月曾發(fā)生暴雨,較集中的發(fā)生時間為5-10月。一次降雨過程3d左右,最長可達13d,其中暴雨歷時1～3d,最長5d。本工程工期內歷經南渡江暴雨期,由于圍堰為閉合結構,頻繁降雨不但影響江水水位,還可能導致圍堰內積水,基坑施工過程中需要采用強降水措施。

(2) 潮汐

1)天文潮。南渡江河口段受潮汐影響,潮汐類型為混合潮。根據(jù)?？谡?952-1997年潮位資料統(tǒng)計,海口站多年平均最高潮位2.00m,多年平均最低潮位-0.68m。海口站實測最高潮位3.28m,實測最低潮位-0.99m。非洪水期,潮流界可上行至鐵橋,潮區(qū)界可達更遠些;洪水期潮流界和潮區(qū)界都有所下移,河口落潮淡水或沖淡水可擴散至口外10～15m水深海域。

2)風暴潮。南渡江河口是風暴潮的多發(fā)區(qū)和重災區(qū),一年四季都可能發(fā)生,但由熱帶風暴或臺風引發(fā)的風暴潮增水高,危害大,由強風引發(fā)的風暴潮較弱,一般不在海岸或河口成災。南渡江地區(qū)臺風增水一般1.0m高,最大3.0m高以下,實測最大增水2.49m高。1948年以來,南渡江河口地區(qū)發(fā)生3.0m高以上的風暴潮三次。?？诔蔽徽緦崪y資料表明,1948年9月27日潮位最高,為3.28m;1963年9月7日次之,為3.18m;1980年7月22日第三,為3.11m。

綜合來看,暴雨和潮汐的作用會導致南渡江水位的上升,并且潮汐的作用可能對鋼板樁圍堰產生動水壓力,影響鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性,進而影響內部基坑開挖和隧道施工的安全,所以設計中必須考慮水文因素對水上圍堰明挖法施工的影響。

1.4 圍堰區(qū)域地質情況

場地區(qū)域主要有兩種特殊性巖土和普通巖土,特殊性巖土為填土和軟土,普通巖土包括砂土與黏土。

(1) 人工填土

場區(qū)的填土主要有①2素填土和①5填砂。填土層具有強度低、不均勻性大等特點,廣泛分布于陸域連接江邊的岸堤區(qū)域,揭示厚度較小。

(2) 軟土

場區(qū)的軟土主要為②1淤泥和②2淤泥質土,上述兩層軟土廣泛分布于勘察區(qū),揭示厚度較大,具有含水量高、強度低、壓縮性高的工程特征。

(3) 一般土層

場地的普通巖土主要包括砂土、黏土以及③4碎石,砂土主要為②4粉細砂、②5中砂、③1中砂以及③2粉細砂,砂層散落地分布于地層中;黏土主要為②3黏土、③3黏土以及④1～④3粉質黏土,其中④1～④3粉質黏土廣泛分布于深層地層中。

(4) 巖土層縱斷面分布

圖5為圍堰所處地層的縱斷面巖土層分布情況。根據(jù)鋼板樁圍堰的嵌固深度,北側的鋼板樁大部分深入至③1中砂和④1粉質黏土,部分位于③2粉細砂;南側的鋼板樁大部分嵌固于③1中砂和④1粉質黏土,部分位于③2粉細砂和③4碎石。

圖5 圍堰典型巖土層縱斷面分布及鉆孔點平面布置

(5) 主要地層物理力學性質

綜合巖土的物理力學指標統(tǒng)計及原位測試成果,圍堰區(qū)域砂土層主要物理力學指標經驗值見表1。圍堰區(qū)域黏土層主要物理力學指標推薦值見表2。

表1 圍堰區(qū)域砂土層主要物理力學指標經驗值

表2 圍堰區(qū)域黏土層主要物理力學指標推薦值

1.5 施工過程中的防水措施及效果

(1) 結構措施

如圖4所示的典型圍堰橫截面,本工程總體上采用鋼板樁圍堰防水,結合充泥管袋以及膜袋混凝土用以加強整體穩(wěn)定性,并在鋼板樁圍堰內側布置防滲土工膜及反濾土工布用以增強圍堰的防滲漏效果,在施工過程中未發(fā)現(xiàn)鋼板樁滲漏,總體上隔絕了江水向施工區(qū)域的流動。

(2) 降排水措施

鋼板樁圍堰打設完成并待堰體沉降完成后,需通過排水泵將施工區(qū)域的水抽至江水中,確保施工區(qū)域內能夠讓施工車輛運行。

施工區(qū)域準備完畢后,在基坑區(qū)域內按照設計要求布置降水井,在進行基坑開挖前需將地下水位降至每層基坑下約0.5m,施工過程中未出現(xiàn)基坑測斜過大或踢腳等表征過度滲流情況,整體上較好地阻擋了滲流。

2 基坑開挖過程中圍堰及基坑受力變形分析

2.1 監(jiān)測布點說明

針對圍堰和基坑的受力變形,工程現(xiàn)場布置了第三方數(shù)據(jù)監(jiān)測點,用以采集基坑施工過程中圍堰和基坑的相關變形數(shù)據(jù),由于西側圍堰大部分位于陸地,故僅研究東側圍堰。圖6為監(jiān)測點位的平面布置圖。各基坑區(qū)域的開挖起始時間見表3。

表3 各基坑區(qū)域開挖起始時間

圖6 監(jiān)測點位平面布置圖

2.2 圍堰的水平變形與沉降分析

(1) 圍堰水平變形

圖7為基坑開挖階段(2019年7月24日基坑基本完成底板封閉)圍堰的水平變形曲線(其中正值表示向北側變形,負值表示向南側變形)。結果表明,圍堰的水平變形均向基坑側;圍堰在基坑開挖的過程中產生了較大的變形,這是由于土體的卸荷作用,導致基坑周圍的土體向基坑內側產生明顯變形,土體帶動鋼板樁整體向基坑內側變形;從均值上看,南側圍堰的變形量整體略大于北側圍堰(南側圍堰穩(wěn)定變形量為30～45mm,北側圍堰的穩(wěn)定變形量為15～40mm,且北側存在水平變形量在10mm內的測點),由于江水由南至北入海,水流作用導致南側鋼板樁受到的動水壓力可能略大于北側鋼板樁,同時鋼板樁嵌固深度所在的地層對其側向變形量也應存在影響。

圖7 圍堰水平變形

(2) 圍堰沉降變形

基坑的開挖會導致圍堰體發(fā)生整體沉降,圖8為基坑開挖階段圍堰的豎向變形曲線(其中正值表示沉降,負值表示隆起)。從該圖看出,圍堰整體豎向變形特征與水平變形有相似的規(guī)律,但與水平變形相比會有較大的波動。這是因為圍堰的水平變形主要來源于基坑側土體變形帶動圍堰整體側移,而豎向變形還可能與水文因素有關?；油馊斯そ邓胧┛赡軐е聡咚幍貙觾鹊耐馏w有效應力發(fā)生變化;而由于江水與土層間有水力聯(lián)系,?？?-7月的高頻率降雨同樣可能導致地層內土體有效應力的變化;上述兩項因素疊加影響基坑開挖,導致圍堰出現(xiàn)隆起、沉降反復變化。

圖8 圍堰豎向變形

2.3 圍堰明挖基坑的整體分析

(1) 圍堰變形與基坑變形的關聯(lián)性

選取2019年7月24日即大部分基坑完成底板封閉的實測數(shù)據(jù),繪制圍堰與基坑的水平變形平面分布圖,如圖9所示。從變形擬合線上看,圍堰的北側變形曲線為多折形,圍堰的南側變形曲線為類拋物線形;從穩(wěn)定性的角度分析,多折形的變形特征更容易導致圍堰失穩(wěn),所以需要研究圍堰水平變形的關聯(lián)性,以便在設計或施工階段采取一定的措施減小圍堰水平變形,保證圍堰整體穩(wěn)定性。

圖9 圍堰與基坑水平變形的平面分布

根據(jù)圖9所示,圍堰與基坑水平變形有較高相似性,基坑北側水平變形與圍堰北側相同,呈現(xiàn)多折形,且出現(xiàn)拐點的位置相近;基坑南側水平變形為拋物線形,總體變形與圍堰南側類似,較為平均。這進一步證明基坑開挖是導致圍堰發(fā)生水平變形的主要因素。

(2) 典型基坑開挖斷面變形分析

為了研究同一橫斷面上基坑與圍堰變形的相關性,選取測點CX-11所在的橫斷面,該橫斷面涉及測點ZQS-4/C-4、ZQS-8/C-8、CX-11、CX-45、DB-7以及DB-24的相關變形數(shù)據(jù)。

圖10為上述橫斷面開挖至底板封閉過程中測點CX-11與CX-45的側向變形。由圖可知,基坑的側向變形呈現(xiàn)拋物線形,最大側向變形約為18mm,大致出現(xiàn)在淤泥質土層中,其變形規(guī)律與一般陸地上的基坑類似。這表明:通過圍堰阻擋水流,內部基坑開挖的變形形態(tài)與陸上施工基本一致,圍堰起到了較好的隔斷滲流的作用。

圖10 基坑測斜變形曲線

圖11為基坑開挖過程中測點CX-11所在橫斷面樁頂豎向變形與地表測點DB7-1(距離基坑邊緣7.4m)與DB7-2(距離基坑邊緣12.4m)的豎向變形,其中正值為隆起,負值為沉降。由于缺失2019年6月26日至2019年7月18日的監(jiān)測數(shù)據(jù),無法確定基坑周邊土體豎向變形的峰值;但是總體來看,樁頂?shù)呢Q向變形規(guī)律為先隆起后沉降,這是因為基坑開挖過程中坑底發(fā)生隆起,帶動基坑圍護結構及周邊小部分區(qū)域發(fā)生整體向上運動,而在底板封閉后基坑圍護結構發(fā)生少量的沉降;測點DB7-1和DB7-2豎向變形則均呈現(xiàn)為先沉降后隆起的變形規(guī)律,與大部分基坑變形規(guī)律一致。

圖11 基坑周邊豎向變形

結合基坑測斜數(shù)據(jù)與地表沉降數(shù)據(jù),可得到該橫截面基坑變形與地表變形關系,如圖12所示。根據(jù)李廣信[12]的研究,基坑的影響范圍約為基坑開挖深度的2倍,本工程中圍堰已位于2倍基坑開挖深度之外,理論上圍堰的變形受基坑開挖的影響較小,而實際監(jiān)測的結果顯示同一橫斷面的鋼板樁圍堰的沉降變形為5.7～25.4mm,說明圍堰明挖基坑開挖的影響范圍比常規(guī)基坑開挖要大得多。

圖12 圍堰及基坑變形橫斷面分析

根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況及其他學者的相關研究,針對此差異現(xiàn)象進行以下分析。

(1) 根據(jù)何世秀等[13]和林志彬等[14]針對滲流作用對基坑周邊土體沉降的研究,滲流作用會明顯地增大基坑對周邊土體沉降的影響范圍。盡管圍堰有效阻隔了江水及部分滲流,但根據(jù)地勘報告,鋼板樁圍堰的長度不足以隔斷部分弱承壓水層,故在深層土體中江水與土層之間仍不可避免存在一定的水力聯(lián)系,土體內存在穩(wěn)定滲流作用,可能導致基坑開挖影響范圍的增大;

(2) 根據(jù)莊鈴強等[15]的研究,基坑外降水對基坑周圍地表沉降產生影響;本工程中降水井位于基坑與鋼板樁圍堰之間,降水不僅會影響基坑周邊土體的水位,同時還會影響圍堰所在土層水位,可能導致圍堰所在土體發(fā)生沉降。

3 結論及建議

以?？谖拿鳀|越江通道工程為背景,選取一期圍堰明挖法監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析,得到以下結論與建議:

(1) 基坑開挖過程中,圍堰會發(fā)生向基坑側的變形,其中南側(江水側)的變形較大且均勻,穩(wěn)定變形量在30～45mm;北側變形較小且不均勻,整體變形形態(tài)呈現(xiàn)為多折形,穩(wěn)定變形量在15～40mm。

(2) 基坑開挖導致圍堰會發(fā)生沉降變形,在主要的開挖階段過后,圍堰的豎向變形會發(fā)生波動,說明除了基坑開挖的因素外,特殊的動水環(huán)境也會對圍堰沉降產生擾動。

(3) 盡管圍堰與基坑相距較遠且結構形式不同,但兩者變形曲線有極高的相似度,說明圍堰明挖對基坑工程的變形影響較遠較強。

(4) 在圍堰的保護作用下,典型橫斷面基坑最大側向變形約為18mm,出現(xiàn)在淤泥質土層中,與陸地上基坑開挖具有類似的變形特征,說明圍堰能有效地阻隔江水和部分滲流,提供干燥的施工環(huán)境,確保圍堰明挖基坑工程的安全。

(5) 圍堰明挖基坑開挖的影響范圍大于常規(guī)基坑(2倍開挖深度),說明圍堰及水上施工環(huán)境對基坑及圍堰產生了較大影響。其中,滲流、坑外降水及頻繁降雨天氣等因素對圍堰的影響具有較大不確定性和風險,建議在未來類似工程中應更加關注水文條件變化對圍堰的影響。