上海堤防工程鋼板樁圍堰標(biāo)準(zhǔn)研究與應(yīng)用探析

田愛平，張郁琢，母冬青

[1.上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處，上海市200080；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

上海堤防是指在黃浦江、蘇州河等流域行洪河道、片外河道,以及片內(nèi)骨干河道沿線建設(shè)的具有擋潮防洪能力的建筑物，在歷年堤防設(shè)施的拆除重建、維修改造和除險加固工程中，常需要設(shè)置圍堰創(chuàng)造干地施工條件。鋼板樁圍堰具有安全可靠、適應(yīng)性強、綠色環(huán)保等特點，近年來得到廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)階段鋼板樁圍堰的設(shè)計和施工基本采用以經(jīng)驗為主導(dǎo)，缺乏鋼板樁圍堰設(shè)計和施工的針對性標(biāo)準(zhǔn)。作為具有全球影響力的國際化城市，上海城市水利設(shè)施的設(shè)計、施工均需與其城市定位相適應(yīng)，亟需制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以提高城市堤防精細(xì)化管理水平。

1 堤防工程鋼板樁圍堰類型

1.1 鋼板樁圍堰簡介

鋼板樁圍堰是由鋼板與鎖扣組成、通過彼此緊密咬合形成的具有擋水功能、能夠循環(huán)使用的波浪形臨時構(gòu)筑物，具有原材料準(zhǔn)備空間小、拆除簡便快捷，能夠循環(huán)使用、安全性能高、面貌形象良好等特點[1]。鋼板樁根據(jù)施工工藝可分為熱軋鋼板樁和冷彎薄壁鋼板樁，斷面型式有“H 型”“Z 型”和“U 型”。上海地區(qū)因考慮通航及行洪要求，城市堤防施工圍堰以順河圍堰為主。根據(jù)工程經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)查，在不同加工工藝、斷面型式的鋼板樁中，熱軋Ⅳ型拉森鋼板樁（U 型）應(yīng)用最為普遍。

1.2 鋼板樁圍堰應(yīng)用現(xiàn)狀

最初，鋼板樁圍堰在武漢長江大橋橋墩基礎(chǔ)工程中首次采用。隨著鋼板樁技術(shù)發(fā)展，鋼板樁圍堰在橋梁基礎(chǔ)（水中）、港口等多種類型工程中廣泛應(yīng)用，例如：葛洲壩二期工程、杭州灣跨海特大橋工程、龔咀水電站消力塘整治工程[2]、長興島造船基地一期項目、長湖申線航道（上海段）整治工程。在上海堤防工程中也曾先后應(yīng)用鋼板樁圍堰，例如2016 年實施的大泖港上游河道防洪工程（一期）堤防維修工程及2016 年黃浦江上游連通管工程防汛墻改造工程中都曾采用單排鋼板樁圍堰。

2 堤防工程鋼板樁圍堰設(shè)計要點

在設(shè)計方面，鋼板樁圍堰尚存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、依據(jù)不充分等問題。具體體現(xiàn)為圍堰工程等級和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定暫未統(tǒng)一，《上海市黃浦江防汛墻工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定》明確黃浦江段堤防施工圍堰的工程等級和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，非黃浦江段尚未明確；圍堰選型、圍堰厚度，以及樁基長度僅憑經(jīng)驗和習(xí)慣確定，圍堰型式樁基種類和間距各異、拉桿數(shù)量級標(biāo)高不一；對圍堰的抗傾覆、變形及抗彎、整體穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定等計算分析無強制性要求，強行參照基坑圍護標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致經(jīng)濟浪費?，F(xiàn)針對上述問題，指出鋼板樁圍堰的設(shè)計要點。

2.1 圍堰級別及堰頂高程

施工圍堰除作為正式建筑物的一部分外，均為臨時性建筑物，其級別需根據(jù)保護對象、失事后果、使用年限和圍堰工程規(guī)模來確定[3]。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，結(jié)合上海地區(qū)堤防工程等級，確定黃浦江和蘇州河段圍堰級別為4 級，其他河道圍堰級別為5 級。根據(jù)《水利水電工程圍堰設(shè)計規(guī)范》（SL 645—2013），堰頂高程按照不低于設(shè)計洪水位的靜水位、波浪高度及堰頂安全加高值之和確定。上海市黃浦江和蘇州河段堤防鋼板樁圍堰可參照《上海市黃浦江防汛墻工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定》要求，安全超高按0.5 m 計，不考慮波浪爬高值。不同岸段圍堰級別及堰頂高程見表1所列。

表1 圍堰級別及堰頂高程表

2.2 結(jié)構(gòu)安全性分析

圍堰的結(jié)構(gòu)安全性分析內(nèi)容包括：抗傾覆分析、變形分析、整體穩(wěn)定分析及滲流穩(wěn)定性分析等。

2.2.1 抗傾覆穩(wěn)定分析

滿足鋼板樁圍堰的抗傾覆穩(wěn)定條件是確保工程順利實施、避免財產(chǎn)損失和人身事故的重要因素，需通過抗傾覆驗算確定鋼板樁圍堰的入土深度。在典型地質(zhì)條件下，通過多次變換邊界條件，統(tǒng)計分析滿足《堤防工程設(shè)計規(guī)范（GB 50286—2013）》3.2.7 條非常運用條件下（施工工況）的安全系數(shù)時鋼板樁入土深度規(guī)律。經(jīng)統(tǒng)計，圍堰總樁長隨著圍堰擋水水頭和基坑挖深的增加而增加，最佳入土深度占總樁長的比值約為2/3，圍堰抗傾覆安全系數(shù)應(yīng)按照表2 確定。當(dāng)出土高度高于4 m 時，宜采用雙排鋼板樁圍堰。增加鋼板樁樁長能夠有效提高抗傾覆安全系數(shù)[4]。

表2 圍堰抗傾覆安全系數(shù)匯總表

2.2.2 圍堰變形分析

圍堰的變形分析主要是指水平變形。由于現(xiàn)行規(guī)范并未明確圍堰的允許變形量值，基于以上圍堰抗傾覆驗算成果，在僅考慮水壓力作用下，參照《基坑工程技術(shù)規(guī)范（DG/TJ08-61—2010）》圍護墻的計算方法，將鋼板樁圍堰按照懸臂梁進行計算，分析圍堰變形允許值。參考工程施工期間防汛墻允許變形量值和基坑圍護墻最大側(cè)向變形量值，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗，具體建議為圍堰出土高度的3%～5%。

2.2.3 整體穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定分析

圍堰外擋內(nèi)排，在內(nèi)外水頭差作用下，存在整體穩(wěn)定性問題和滲透穩(wěn)定性問題，設(shè)計不當(dāng)可能導(dǎo)致圍堰的整體失穩(wěn)。根據(jù)上海市的地質(zhì)條件，常規(guī)插入深度范圍內(nèi)，在滿足抗傾覆安全性的前提下，一般圍堰的整體穩(wěn)定和基坑抗?jié)B流穩(wěn)定均滿足，故宜優(yōu)先計算圍堰的抗傾覆穩(wěn)定性，鋼板樁圍堰整體穩(wěn)定安全系數(shù)見表3 所列。

表3 鋼板樁圍堰整體穩(wěn)定安全系數(shù)表

3 堤防鋼板樁圍堰的施工要點

鋼板樁圍堰的施工流程按照施工準(zhǔn)備、定位放樣、防撞樁施打、鋼板樁沉打、導(dǎo)梁加固拉桿聯(lián)結(jié)、鋪設(shè)土工布和粘土填實順序?qū)嵤Ｔ谑┕し矫妫写嬖卺槍π詷?biāo)準(zhǔn)缺失和施工過程不規(guī)范等問題。具體體現(xiàn)為圍堰施工過程以個人經(jīng)驗為主導(dǎo)，擅自改變圍堰結(jié)構(gòu)以降低工程費用；圍堰擋水期警示標(biāo)志不完善、安全意識不強導(dǎo)致工程事故；圍堰拆除樁基拔除處理不當(dāng)、棄土外運不規(guī)范造成河道二次污染，影響行洪排澇能力。

3.1 施工準(zhǔn)備

在鋼板樁沉樁前，應(yīng)該作充分調(diào)查和全面準(zhǔn)備，具體包括制定和動態(tài)優(yōu)化施工組織計劃。調(diào)查包括：場地周邊建筑、地下管道現(xiàn)狀，場地鋼板樁堆放及運輸?shù)臈l件、施工設(shè)備及水電供應(yīng)及作業(yè)氣象或海象條件。同時，減小鋼板樁施工所造成的通航及環(huán)境影響措施也應(yīng)提前考慮。更為重要的是，鋼板樁施工前，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求，復(fù)核圍堰尺寸、鋼板樁數(shù)量、打入位置、入土深度和樁頂高程等[5]。

3.2 沉樁方法

鋼板樁沉樁方法分為陸上沉樁和水上沉樁兩種。沉樁方法應(yīng)綜合考慮多種因素選擇，包括場地地質(zhì)條件、平整度、垂直度，以及沉樁設(shè)備的可靠性、造價等。鋼板樁宜采用插打式、屏風(fēng)式沉樁或錯列式沉樁的方法。鋼板樁施工應(yīng)從上游依次向下游插打。對受潮水影響的河道，應(yīng)根據(jù)實際情況制訂施工方案和安全防護措施，設(shè)置警示標(biāo)志和安全警示標(biāo)語。

3.3 圍堰拆除

圍堰拆除應(yīng)選擇在水位較低時實施，理想施工條件為內(nèi)外水位差不超過1 m。雙排圍堰先拆除內(nèi)側(cè)支撐，再拆除外部圍囹，應(yīng)從中間開始到結(jié)構(gòu)邊緣。樁基拔除往往會留下多個土孔，不及時回填會造成周邊建、構(gòu)筑物或管線土體位移或沉降。土孔回填材料可選用砂、水泥與水玻璃，以及水泥砂漿?；靥罘椒刹捎谜駝臃āD密法及注入法等?；靥顣r，應(yīng)注意密實性，避免漏填及少填，同時滿足堤防安全、環(huán)境保護、水土保持及通航安全要求。

3.4 安全監(jiān)測

自圍堰施工開始至圍堰拔除，應(yīng)設(shè)置固定的觀測點對鋼板樁的變形和滲流進行定期觀測，做好定期檢查和維護工作[6]。圍堰安全監(jiān)測應(yīng)考慮變化速率和累計變化值，頻次和報警值應(yīng)滿足設(shè)計要求。對于監(jiān)測頻率，不同施工階段的監(jiān)測頻率存在差異，如在堤防土方及樁基施工期間，頻率為至少每天1 次，而在其完成后一周內(nèi)，頻率可調(diào)整為每3 天1 次，以后逐步降低頻次[7]；當(dāng)無明確要求時，報警值可參考表4 所列。

表4 圍堰安全監(jiān)測報警值一覽表

4 關(guān)于鋼板樁圍堰應(yīng)用的探析與展望

圍堰兼顧擋水和擋土功能，從功能應(yīng)用角度看，通過提高圍堰頂高程和增加樁長，能夠使得鋼板樁圍堰兼?zhèn)渑R時防汛墻功能；通過增加圍堰寬度，能夠使其兼?zhèn)涫┕け愕拦δ堋?/p>

4.1 鋼板樁圍堰兼臨時防汛墻功能

臨時防汛墻是上海地區(qū)堤防工程中常見的臨時建筑物，常用于因建設(shè)施工需要需臨時拆除防汛墻或在防汛墻上開缺的涉堤建設(shè)項目，其主要功能是與開缺段兩端永久防汛墻形成封閉臨時擋水，避免臺風(fēng)、暴雨、高潮位、洪水影響期間江（河）水倒灌。

4.1.1 基本要求

兼臨時防汛墻功能時，圍堰工程級別應(yīng)在圍堰設(shè)計級別與臨防級別中取高值（臨防級別一般不低于圍堰級別），相應(yīng)的圍堰安全系數(shù)根據(jù)對應(yīng)的級別選??；圍堰標(biāo)高應(yīng)在圍堰設(shè)計標(biāo)高與臨防要求標(biāo)高中取高值（臨防標(biāo)高一般不低于圍堰標(biāo)高）。根據(jù)《上海市防汛指揮部關(guān)于修訂調(diào)整黃浦江防汛墻墻頂標(biāo)高分界及補充完善黃浦江、蘇州河非汛期臨時防汛墻設(shè)計規(guī)定的通知》[8]，黃浦江和蘇州河段汛期臨時防汛墻設(shè)防水位及墻頂標(biāo)高同永久性防汛墻一致，非汛期（10 月21 日至次年5 月31 日）臨時防汛墻的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、工程級別和墻頂標(biāo)高按照表5 確定。同時，圍堰應(yīng)與上、下游堤防可靠連接，共同組成完備的封閉體系，并嚴(yán)格按照臨時防汛墻的允許安全系數(shù)進行整體穩(wěn)定復(fù)核。對于通航河道，還需按照《航道通航條件影響評價審核管理辦法》及相關(guān)管理要求，做好安全論證工作。

表5 非汛期臨時防汛墻設(shè)防等級與墻頂標(biāo)高一覽表

4.1.2 兼臨時防汛墻功能的鋼板樁圍堰的適用條件

傳統(tǒng)臨時防汛墻常布置于永久性防汛墻后約10 m 的陸域側(cè)，采取袋裝土交錯疊壓或直立式磚砌結(jié)構(gòu)[9]。若墻后地坪高程滿足標(biāo)高要求，也可不設(shè)置臨時防汛墻。鋼板樁圍堰布置于水域側(cè)，如需兼臨時防汛墻功能，其堰頂高程應(yīng)滿足臨時防汛墻要求。本節(jié)重點討論兼臨時防汛墻功能鋼板樁圍堰的適用條件。

在作業(yè)空間方面，鋼板樁圍堰和磚砌臨時防汛墻作為臨時建筑物，在建設(shè)過程中都需為后續(xù)施工留出盡量充足的施工作業(yè)面。當(dāng)鋼板樁圍堰兼做臨時防汛墻時，因設(shè)置在水域側(cè)，河道過水?dāng)嗝娑虝r期減小，同時將占用部分通航面積。磚砌或袋裝土臨時防汛墻因需設(shè)置在開缺段墻體后10 m 處，對墻后腹地寬度要求較高，同時需留出施工便道，對陸域側(cè)的影響將持續(xù)整個施工期。即兼臨時防汛墻的鋼板樁圍堰適用于墻后腹地較窄、通航要求不高的非汛期施工工程。

在投資及形象方面，鋼板樁圍堰雖相比于其他類型圍堰具備一定的優(yōu)勢，但相比于傳統(tǒng)磚砌臨時防汛墻，其工程投資相對較大。鋼板樁圍堰是由密排鋼板樁相互咬合形成的整體，造型相對美觀。同時，鋼板樁圍堰可實現(xiàn)模塊化預(yù)制組裝化施工，有利于在成熟運用后推行規(guī)?；少彛?guī)范統(tǒng)一設(shè)備及材料選型。即兼臨時防汛墻的鋼板樁圍堰適用于鋼板樁供應(yīng)充足，運輸條件良好，鋼板樁圍堰費用可以有效降低的情況，或工程形象要求高的堤防工程。

在施工影響方面，鋼板樁圍堰施工期間，樁基施打是造成不良環(huán)境影響的主要因素。一般情況下，可采取振動法施工以減小對周邊環(huán)境影響。而對傳統(tǒng)臨時防汛墻而言，其原材料土方運輸會造成不可避免的環(huán)境影響。特別是市區(qū)段堤防工程無法就地取土?xí)r，周邊場地塵土污染風(fēng)險大大增加。鋼板樁圍堰在后期拔除后仍可再次回收利用，一定程度上免除傳統(tǒng)防汛墻拆除后建筑垃圾的清運負(fù)擔(dān)。即兼臨時防汛墻的鋼板樁圍堰適用于環(huán)境保護要求高或有重要保護對象的堤防工程。

4.2 鋼板樁圍堰兼施工便道功能

圍堰兼施工便道功能可以有效改善施工區(qū)域的作業(yè)環(huán)境，但這也對圍堰提出更高的要求。為了確保施工便道正常功能，圍堰需在寬度、剛度和防護措施方面滿足以下條件：圍堰寬度不小于施工機械行駛所需的行駛寬度，一般不少于3 m；圍堰剛度方面，圍堰兼施工便道需考慮施工荷載的影響，針對于鋼板樁剛度不足的情況，施工荷載可能導(dǎo)致圍堰的臌脹，影響圍堰的自身安全；同時施工機械在圍堰頂部行駛，頂部需采取必要的路面硬化處理，確保路面具備一定的剛度。防護措施方面，需考慮施工機械和施工人員的自身安全，因圍堰臨水側(cè)為河道，背水側(cè)為基坑存在一定的高差，因此需采取必要的防護措施。鋼板樁圍堰兼施工便道時，荷載變動范圍較大，工程費用較高，如若圍堰兼施工便道，建議應(yīng)進行專門設(shè)計。

5 結(jié)語

鋼板樁圍堰在上海市黃浦江和蘇州河堤防工程中具有顯著優(yōu)勢。本文基于鋼板樁圍堰在設(shè)計、施工中存在的主要問題，指出圍堰設(shè)計要求和施工要求，同時討論了鋼板樁圍堰兼臨時防汛墻和施工便道功能的適用條件，為鋼板圍堰的設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)化提供了參考標(biāo)準(zhǔn)，為鋼板樁圍堰的應(yīng)用拓展指明方向。