臨江復雜條件下的閘泵排水箱涵設計施工方案對策優(yōu)化與實踐

何華軍，陳千富，傅理文，路漫漫

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.瑞安市水利工程建設中心，浙江 瑞安 325200；3.杭州市交通運輸局，浙江 杭州 310005；4.杭州市交通運輸行政執(zhí)法隊，浙江 杭州 310005）

1 問題的提出

近年來，浙江省大力開展沿海平原防洪排澇工程，位于城區(qū)的大、中型排澇泵站及水閘不斷增多，基坑開挖深度和面積隨之增加。受場地周邊基礎設施等鄰近建筑物影響，部分城區(qū)的水工建筑物無法沿用常規(guī)無支護開挖的設計及施工經驗，基坑設計、施工難度及建設成本大幅增加。尤其部分沿海鄰近堤防的閘泵出口建筑物施工，不僅需要考慮周邊環(huán)境（道路管線、民房設施、堤防構筑物等）、場地條件（地質、水文）等常規(guī)因素對基坑設計的影響[1]，還需考慮潮位、汛期等因素影響，設計、施工難度劇增。故在臨江復雜條件下的排澇工程建設中，閘泵關鍵部位合適的設計、施工方案對于安全、經濟、高效地開展工程建設有著重要意義。

常規(guī)水工建筑物圍堰施工條件（周圍環(huán)境、地質條件）尚可[2]，且供參考的實例應用較多；部分臨江建筑物施工[3-4]，非依水而建，具備基坑支護干地施工條件，無需考慮度汛要求（防汛、防臺、洪潮等直接影響）；橋墩圍堰[5]四面環(huán)水，施工圍堰與周邊現(xiàn)有建筑物銜接干擾相對較少，其對水工建筑物施工的借鑒性較為局限。

本文以緊鄰飛云江防洪墻的某沿江閘泵排水箱涵施工方案為例，結合工程布置及場地條件，考慮工程度汛要求，分析施工條件，提出箱涵結構優(yōu)化分段、施工時段合理選擇、利用相鄰既有結構作為基坑圍護的施工方案，工程施工順利。

2 工程概況

2.1 工程簡介

工程位于溫州瑞安市城區(qū)，由閘泵主體、交通橋、出水池、出水箱涵等組成。閘泵出水經由出水池，通過箱涵穿越濱江大道和防洪堤排入飛云江；排水箱涵段總長29.00 m，總寬18.20 m，結構頂高程4.88 m，墊層底高程-0.90 m（建基面）。閘泵出水箱涵平面及周邊環(huán)境見圖1。

圖1 工程平面及周邊環(huán)境圖

箱涵出口所至的現(xiàn)狀外江框架堤背水側防洪墻為扶壁式鋼筋混凝土擋墻結構，墻頂高程4.70 m，底板頂高程0.80 m，底板厚0.80 m，墻前拋石回填，具體結構見圖2。

圖2 外江框架堤防洪墻剖面圖

2.2 地質條件

建設場地位于深厚軟土地基，按土的沉積年代、成因類型及物理力學特性，自上而下共劃分為9 個主要土層，各土層物理力學性質指標見表1。場地土層滲透性弱，地下水水位2.80～3.42 m。根據(jù)鄰近場地的瑞安市水文站資料，設計高潮位5.31 m，平均高潮位2.61 m，汛期5 a 一遇水位4.50 m，非汛期5 a 一遇水位3.91 m，設計平均低潮位-1.72 m。

表1 場地土層分布及物理力學參數(shù)表

3 工程特點及難點分析

3.1 施工空間狹小

閘泵出口箱涵段依江而建，與既有防洪墻（飛云江側）相貼，施工場地局促，箱涵布置及基坑圍護施工難度極大。根據(jù)現(xiàn)場查勘，外江側框架堤與防汛墻之間的頂蓋板難以打開，外江圍堰及防滲設施無法布置，故基坑支護需結合圍堰設計要求綜合考慮。此外，箱涵主體結構受防汛墻底板及其樁基礎等影響，結構布置障礙多、難度大。箱涵的設計、施工應充分考慮防洪墻現(xiàn)狀結構與新建箱涵及開挖基坑之間的相互影響。

3.2 建設約束條件多

基坑施工為臨時工程，資金投入有限，建設進度要求高。箱涵基坑及主體結構方案需綜合考慮制約因素影響，在滿足結構安全、功能完整的條件下，盡可能從經濟合理的角度去探究優(yōu)化。

3.3 周圍環(huán)境復雜、地形地質不確定因素多

閘泵出口箱涵建設區(qū)域較長、穿越沿江主干道，交通斷流對社會影響大；歷史防洪堤和沿江道路下可能存在拋填塊石，河岸灘涂不斷沖淤變化，工程建設不確定因素多，設計、施工難度增加。

4 箱涵設計、施工方案對策優(yōu)化

設計方案直接影響施工質量、工程造價及工程進度；根據(jù)箱涵施工的建設條件，優(yōu)化設計方案，保障施工質量的同時盡量控制施工成本，實現(xiàn)效益最大化。方案對策總體思路如下：

一是方案設計施工前全面調查放樣，施工期密切監(jiān)測關鍵部位特征參數(shù)，減少外界不確定因素影響（水文、地質、天氣、相鄰構筑物等），增加設計可靠度，使工程得以順利實施。二是按照“設計、施工一體化”的原則，優(yōu)化箱涵結構及基坑圍護設計方案，避免過大的結構安全儲備，提高施工材料、設備的重復利用。三是合理安排箱涵施工時序，將對道路交通及相鄰防洪堤的影響減小到最低程度，同時也降低外江潮汛對基坑施工的安全風險。

4.1 箱涵主體結構設計方案優(yōu)化

4.1.1 分段設計

閘泵下游連接段包含出水池、排水箱涵，箱涵順水流向與規(guī)劃濱江大道基本同寬，原箱涵設計自內河向外江分為3 段（8.0 m、11.0 m、10.0 m）?？紤]原箱涵設計出口段較長，其基坑開挖和主體施工工期相應較長，且該段箱涵直接受相鄰框架堤銜接影響，布置受限；同時考慮外江潮汛、圍堰施工及基坑支護條件較差，工期加長容易增加安全風險。因而，根據(jù)箱涵總體長度，結合箱涵不同區(qū)段荷載特點、水力流態(tài)、防洪墻銜接段現(xiàn)狀條件，對箱涵分段設計施工方案分析如下。

4.1.1.1 外荷條件

箱涵外載主要包含自重及交通荷載。本工程排水箱涵頂部分別對應空置場地、市政道路、人行道及景觀綠化，各段結構盡可能布置于相同外載對應部位，減少荷載差異對同一結構段受力的影響。

4.1.1.2 水流流態(tài)

根據(jù)不同外江水位條件下的閘泵排水工況，箱涵內部呈現(xiàn)無壓流（外江水位低于箱涵內部頂高程）或淹沒壓力流（外江水位高于箱涵內部頂高程）；在閘、泵運行工況下，排澇水流自出水池匯集至排水箱涵，其內部水力流態(tài)基本平順，內水壓力沿程變化不大，其對結構分段影響較小?？紤]箱涵各孔均勻泄流，可在閘泵出水池中增設導流隔墩（也可增設整流裝置），使得閘泵出水水流過渡平順。

4.1.1.3 相鄰結構銜接及基礎優(yōu)化

出口箱涵段布置長度需考慮新建箱涵段樁基與既有防洪墻基礎的協(xié)調性，以及上部結構劃分段落對基礎設計的影響，具體見4.1.3 小節(jié)。

此外，相近條件下的結構分縫不宜過多，且長度盡可能均勻劃分，以減少箱涵不均勻沉降及滲漏接頭的潛在風險。綜合箱涵各區(qū)段特點，確定將箱涵分為4 段（由內河至外江依次劃分為7.90 m+10.0 m+6.05 m+5.30 m，見圖3）。

圖3 閘泵排水箱涵剖面圖 單位：cm

4.1.2 孔徑優(yōu)化

根據(jù)閘、泵設計排澇流量及運行工況確定排水箱涵總凈寬14.20 m，結合閘泵布置及工程規(guī)模，原設計箱涵孔徑凈寬為4.50 m+4.85 m+4.85 m（依次對應泵站出口和雙孔水閘閘孔）。依據(jù)現(xiàn)場框架堤墩柱測量定位，原設計箱涵布置孔徑正對框架堤墩柱，考慮避開水流對框架堤墩柱的直接沖刷，減小閘泵出水對現(xiàn)狀框架堤的影響，設計根據(jù)框架防洪堤墩柱間距布置排水箱涵孔徑，使空箱中墩與現(xiàn)狀框架堤墩柱銜接，排水箱涵孔徑優(yōu)化布置凈寬為3.50 m+4.25 m+3.45 m+3.00 m。

4.1.3 基礎優(yōu)化

考慮箱涵出口段（4 號箱涵）布置于現(xiàn)狀防洪墻樁基礎部位，作為既有地下障礙結構，不利于新建結構基礎施工；且該區(qū)段對應人行道，樁基所受箱涵結構附加荷載較原址防洪墻墻背填土荷載略有減少。經復核，直接利用現(xiàn)有防洪墻樁基作為4 號箱涵結構的基礎，并將4 號箱涵與3 號箱涵采用植筋錨固，剛性連接，減少4 號箱涵結構對現(xiàn)狀下部樁基的偏心影響，提高整體結構的安全度（見圖4）。

圖4 4號箱涵施工支護剖面圖 單位：cm

4.2 箱涵施工時序及支護方案

4.2.1 施工時間選擇

浙江省每年4 月15 日至10 月15 日為汛期，汛期受梅雨、臺風影響，降雨量較大，容易引起基坑邊坡地下水位變化，給基坑施工安全造成威脅；考慮排水箱涵出口段基坑臨路臨江，基坑支護施工條件不佳，施工支護需結合圍堰設計要求綜合考慮。故結合工程總體施工組織，1～4 號箱涵整體施工段利用非汛期；其中，出口段4 號箱涵安排在枯水期（12 月—次年2 月），同時結合潮水預報擇期組織施工，以降低基坑開挖、施工作業(yè)的風險。

根據(jù)天文潮位，大潮為農歷初一、十五，小潮為初八、廿三；依據(jù)瑞安市潮位站在箱涵施工期間的觀測資料，大潮、小潮高潮時間約為9 h，大潮、小潮低潮時間約為18 h；每日潮位滯后時間約為1 h；漲潮歷時約6 h，落潮歷時約6 h。故出口段4 號箱涵基坑開挖、底板澆筑等相對不利的工序，盡可能利用小潮期（初五至十二；廿十至廿七），每日施工時間選擇06 點至18 點（結合考慮后文所述本工程支護圍堰工作條件），以策安全。圖5 為箱涵施工期間某工作日的潮位過程圖。

圖5 典型潮位歷時趨勢圖（瑞安站）

4.2.2 施工工序安排

1 號箱涵與出水池相連，2 號、3 號箱涵穿越沿江道路，4 號箱涵與外江側防洪堤相接。結合箱涵所在場地條件劃分施工段落：Ⅰ期施工1 號箱涵與出水池，保持道路通行，同時為后續(xù)道路施工中涉及的綜合管線銜接預留結構廊道；Ⅱ期施工2號、3 號箱涵，交通分流至沿江西路及1 號箱涵所在場地；Ⅲ期施工4 號箱涵。分期施工可減少箱涵施工對周圍環(huán)境的影響。

4.2.3 施工支護方案

1 號箱涵位于濱江大道臨路側，1 號箱涵與相鄰出水池合并一期，整體支護施工；2 號、3 號埋地箱涵穿越濱江大道，考慮路基下部可能存在回填拋石，采用表層放坡開挖與常規(guī)鋼板樁支護的組合形式進行支護。

4 號箱涵緊鄰飛云江，該節(jié)箱涵的基坑支護、圍堰安全是施工安全的核心要素。根據(jù)現(xiàn)場條件，4 號箱涵基坑施工機械進出困難，支護樁施工極為不易。綜合考慮施工進度、工程造價等建設控制要求，設計采用永臨結合方案：箱涵兩側采用素混凝土重力式擋土墻作為基坑支護，兼做箱涵邊墩。

同時，利用現(xiàn)狀防洪墻作為4 號箱涵臨江側基坑支護兼做擋水圍堰?？紤]防洪墻底板部分拆除，原樁基作為基坑支護（防洪墻）底部的約束效果削弱，且防洪墻外江側存在土體淤積、潮水漲落等不利因素影響，故防洪墻與已建3 號箱涵之間采用2 道型鋼支撐支護，增加防洪墻（臨時支護）的穩(wěn)定性、安全性，作為應對可能出現(xiàn)超標準洪水等不利條件下的施工措施。同時，為避免支撐拆除引發(fā)施工安全事故，型鋼支撐保留整體澆入箱涵隔墩內部。

此外，加強施工期安全巡視和監(jiān)測措施，為工程安全、順利施工打下良好基礎。

各節(jié)箱涵施工時序及支護方案布置見表2。

表2 閘泵排水箱涵施工方案匯總表

5 實施效果

5.1 結構方案可行

箱涵結合既有結構改造方案（即箱涵單體間植筋錨固連接、箱涵主體嵌錨原結構樁基的優(yōu)化設計）可行；箱涵主體各段結構有序施工，通過驗收。重力式擋墻、現(xiàn)狀防洪墻作為箱涵施工的基坑支護及支撐結構，滿足基坑穩(wěn)定、變形控制要求；結合防洪墻局部墻體填補加固，實現(xiàn)圍堰擋水，出口段箱涵施工順利。根據(jù)施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)（2 號、3 號箱涵施工），各測點均未出現(xiàn)異常，基坑地表累計沉降量為2～5 mm，支撐軸力約為68 kN，均小于設計值。考慮箱涵施工方案需應對可能極端不利工況，故適當提高設計安全度，可在一定程度上降低施工風險，減輕安全生產管理壓力。

5.2 施工進度提前

箱涵單體各期施工較原方案計劃工期有所提前：鋼板樁、鋼管樁、鋼支撐的應用節(jié)省了鋼筋、模板的加工時間，同時也節(jié)省了混凝土支撐構件的澆筑、養(yǎng)護、拆除時間；通過分段施工，利用相鄰施工區(qū)段的支護結構，避免拆樁打樁，節(jié)省工序；同時，直接利用現(xiàn)狀防洪墻作為基坑圍堰，減小外江圍堰施工難度，且無需候潮，提高箱涵的施工效率。

箱涵整體實施順利。通過箱涵優(yōu)化分段、與現(xiàn)狀結構及主體結構結合設計（即箱涵側壁兼做支護結構、現(xiàn)狀防洪墻作為臨時圍堰擋水）后的施工時間可較原設計方案計劃工期縮短31 d。表3 為箱涵施工方案對比表。

表3 箱涵基坑方案工期數(shù)據(jù)表 d

5.3 節(jié)能效果良好

永臨結合（箱涵重力式擋土墻側壁作為基坑支護及外江側圍堰支撐結構）、結合既有建筑物（防洪墻現(xiàn)狀樁基）作為箱涵基礎的施工對策，減少混凝土、鋼筋、土方圍堰等建筑材料的消耗，節(jié)省相應部位工程投資約20%，有益于節(jié)能環(huán)保。

6 結 論

（1）臨江復雜條件下的建筑物施工歷時長、影響范圍廣，設計施工前應充分收集現(xiàn)場資料（相鄰建筑物、管線）、分析場地和環(huán)境條件（氣象、水文、地質、交通），與建設各方積極溝通、密切合作，有助于解決技術可靠性與施工可行性之間的銜接問題、落實設計施工方案，創(chuàng)造良好的社會效益和經濟效益。

（2）臨江穿路的建筑物施工應結合不同施工部位結構特點、外部環(huán)境、度汛條件，適當減小基坑規(guī)模，分期分段施工，由此緩解施工作業(yè)對環(huán)境的影響，同時，也可降低設計施工難度，有益于安全生產管控。此外，箱涵施工可結合現(xiàn)場作業(yè)條件，通過結構裝配（箱涵底板、墩墻、頂板優(yōu)化連接）、合理安排施工順序，控制建設成本、加快工程進度。

（3）緊鄰既有建筑物的結構設計施工過程中，合理地利用、改造相鄰既有構筑物（適當提高整體結構設計富余量，作為施工期和運行期不確定因素及不利工況條件下既有結構功能折減下的安全儲備），發(fā)揮既有結構的功能特點（如基礎承載、擋水防浪、支護支撐等），減少施工對周圍環(huán)境的影響，避免出現(xiàn)因作業(yè)條件困難影響施工質量、減弱設計效果的可能。

（4）先后施工的銜接部位、與既有結構連接部位設計過程中，新舊結構的連接節(jié)點是工程結構的核心受力部位，通常也是維持功能連續(xù)的關節(jié)；故完整可靠的連接節(jié)點設計是發(fā)揮結構功能的關鍵，應予以重視。

（5）永臨結合（施工期、運行期的結構兩用）是加快施工進度、節(jié)省投資、實現(xiàn)綠色環(huán)保施工的有效途徑。因地制宜選擇合適的基坑支護型式兼顧水工建筑物利用（常用的包含雙排樁、成品鋼筋混凝土板樁、重力式擋墻）是結構設計優(yōu)化的研究重點。