環(huán)保條件下的圍堰鋼板樁拆除工藝研究

劉佩， 邱子義

（1.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430000；2.中建三局集團(tuán)有限公司，武漢 430000）

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，各類水上或水下的大型結(jié)構(gòu)工程層出不窮。而在水中結(jié)構(gòu)施工，一般需要設(shè)置相應(yīng)的臨時(shí)圍擋工程，圍堰即為其中較為常見的結(jié)構(gòu)之一［1-3］。對(duì)于圍堰結(jié)構(gòu)受力特性及拆除工藝的研究亦是當(dāng)今熱點(diǎn)問題之一［4-7］。當(dāng)圍堰工程完工的時(shí)候，還需對(duì)臨時(shí)圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除工作。在實(shí)際工程中，針對(duì)不同的圍堰類型，其拆除方法亦各不相同［8-10］，總體可分為爆破拆除法及機(jī)械拆除法兩大類。

武漢市東湖通道為全國(guó)最長(zhǎng)城中湖隧道，位于武漢市5A級(jí)風(fēng)景區(qū)—東湖風(fēng)景區(qū)內(nèi)，施工環(huán)保要求極高，而圍堰的拆除工藝選擇是否得當(dāng)，將直接影響工程對(duì)東湖環(huán)境的影響程度。因此，選擇合適的拆除工藝，對(duì)東湖的環(huán)境保護(hù)尤為重要。

1 圍堰拆除方法比選

東湖通道工程采用雙層鋼板樁土芯組合圍堰隔絕湖水，采用明挖法進(jìn)行隧道的主體結(jié)構(gòu)施工，圍堰鋼板樁采用拉森鋼板樁，圍堰凈寬7m。堰體采用粘性土填筑。圍堰鋼板樁典型橫斷面如圖1所示。

圖1 圍堰鋼板樁布置橫斷面

圍堰常見的兩種拆除方法為爆破法和機(jī)械拆除法，其特點(diǎn)如表1所示。

表1 圍堰爆破法和機(jī)械拆除法比較

東湖通道圍堰地處東湖風(fēng)景區(qū)，故拆除作業(yè)必須盡可能減小對(duì)環(huán)境的影響，且其圍堰類型為鋼板樁-土石圍堰。爆破法拆除圍堰有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)就是對(duì)周圍影響較大，與此次拆除工作的一個(gè)重要限定條件不相符合。其次，東湖湖底淤泥層深厚，爆炸引起的沖擊波對(duì)淤泥結(jié)構(gòu)性將產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，大幅降低其強(qiáng)度，不僅使東湖水質(zhì)受到污染，而且鋼板樁的穩(wěn)定性亦得不到保障。因此，東湖通道鋼板樁圍堰的拆除選擇機(jī)械拆除法進(jìn)行。

2 拆除工藝原理及流程

從文中的分析可知，東湖通道圍堰拆除的方法應(yīng)選擇機(jī)械拆除法，而拆除工藝流程中，主要需考慮的兩個(gè)要素為：其一，拆除過程中需保證圍堰整體穩(wěn)定性；其二，圍堰的拆除不會(huì)引起東湖水質(zhì)及周邊環(huán)境急劇惡化。所以，針對(duì)上述兩點(diǎn)，圍堰拆除工作制定的拆除工藝流程如圖3所示。

由圖2可知，拆除的基本工藝流程分為圍堰內(nèi)清理、預(yù)挖堰芯土置換溝槽、圍堰回水、堰芯土置換、湖底標(biāo)高復(fù)核及湖面恢復(fù)6個(gè)步驟。而在上述6個(gè)步驟中，對(duì)于圍堰穩(wěn)定性及環(huán)保性的控制要點(diǎn)說明如下。

圖2 圍堰拆除工藝流程

2.1 圍堰內(nèi)清理

該步驟中主要包括內(nèi)容為：圍堰范圍內(nèi)垃圾清理、子圍堰土方外運(yùn)。主要目的是完成圍堰拆除前的準(zhǔn)備工作。通過對(duì)圍堰內(nèi)垃圾的清理，對(duì)堰內(nèi)湖底標(biāo)高進(jìn)行初步恢復(fù)，以滿足拆除過程中及拆除后的環(huán)保性要求。需特別注意的是，對(duì)湖底進(jìn)行恢復(fù)時(shí)，要求標(biāo)高不得高于原湖底標(biāo)高。子圍堰是在圍堰頂迎水面?zhèn)仍O(shè)置的袋裝土子圍堰，利用工程器械將之外運(yùn)至制定位置即可。

2.2 預(yù)挖堰芯土置換溝槽

該步驟主要包括堰內(nèi)施工便道破除、預(yù)挖堰芯土溝槽。其中，預(yù)挖堰芯土溝槽是圍堰拆除過程中為達(dá)到環(huán)保要求的主要措施，也是環(huán)保要求與圍堰穩(wěn)定性要求的主要矛盾點(diǎn)。其原因在于，圍堰內(nèi)的兩鋼板樁間的堰芯土挖除是在圍堰回水之后進(jìn)行。所以，挖掘工作僅能采用水上挖掘機(jī)進(jìn)行，在充分考慮環(huán)保條件下，挖出的土方外運(yùn)存在困難。故最佳的處理方式是，將挖除的堰芯土直接回填到圍堰內(nèi)湖底，而為了恢復(fù)湖底標(biāo)高，圍堰內(nèi)必須預(yù)先開挖溝槽來容納堰芯土。但圍堰內(nèi)溝槽的開挖，將引起開挖應(yīng)力釋放，對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性存在不利影響，故需對(duì)圍堰的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。算例取自DHTDK1+260斷面，工程情況：湖底地面高程H1=17.4m，水面高程取近期監(jiān)測(cè)平均水位H2=19.70m，格體內(nèi)填料高度為H3=20.0m（即圍堰土方清理至拉桿高程）。圍堰寬度B=7m，格體內(nèi)填料的浮重度γ=8.5kN/m3，濕重度取γsat=18.5kN/m3，土體的內(nèi)摩擦角φ=18°，粘聚力c=10kPa。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，計(jì)算可得等效內(nèi)摩擦角為φ'=47.1572°，水容重γ1=10kN/m3。假定格體內(nèi)的水位浸潤(rùn)高度為總填筑高度的一半。后續(xù)章節(jié)的穩(wěn)定性計(jì)算均取自此案例。

2.2.1 抗剪穩(wěn)定性計(jì)算

填料土的土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值：

板樁鎖扣產(chǎn)生的抵抗力矩：

內(nèi)部填料產(chǎn)生的抵抗力：

水壓力：Fa=25.921kN；力臂：Ha=0.767m；水壓力力矩：Ma=Fa×Ha=19.87kN·m

考慮鎖扣產(chǎn)生的抵抗彎矩，抗剪安全系數(shù)：

不考慮鎖扣產(chǎn)生的抵抗彎矩，抗剪安全系數(shù)：

故從上述計(jì)算結(jié)果可知，圍堰的抗剪切穩(wěn)定性遠(yuǎn)滿足要求。

2.2.2 圍堰整體穩(wěn)定性計(jì)算

圍堰的整體穩(wěn)定性包括抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定性兩方面。整體計(jì)算采用天漢計(jì)算軟件水泥土擋墻模型計(jì)算，墻體頂標(biāo)高取圍堰拉桿標(biāo)高20.0m，墻體的高度取土方標(biāo)高到迎水面樁底的長(zhǎng)度13.0m。水泥土擋墻背后水體采用土體參數(shù)模擬輸入，取內(nèi)摩擦角0.01°，粘聚力0kPa。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 圍堰整體穩(wěn)定性計(jì)算模型圖（單位：mm）

軟件計(jì)算結(jié)果為抗傾覆穩(wěn)定性K3=3.44>1.35，滿足要求；抗滑移穩(wěn)定性K4=2.05>1.20，亦滿足要求。

2.2.3 圍堰被動(dòng)區(qū)抗力系數(shù)計(jì)算

背水面樁體計(jì)算采用天漢計(jì)算軟件撐錨模型計(jì)算，墻體頂標(biāo)高取圍堰拉桿標(biāo)高20.0m，支撐高度為20.0m。計(jì)算模型圖如圖4所示。

圖4 被動(dòng)區(qū)抗力系數(shù)計(jì)算模型圖（單位：mm）

軟件計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5中可知，被動(dòng)區(qū)抗力系數(shù)K4=1.276＞1.2，滿足安全系數(shù)要求。但計(jì)算所得抗力系數(shù)僅僅略大于規(guī)范要求，若圍堰受到土方開挖或其他外界不良影響時(shí)，圍堰存在失穩(wěn)破壞的危險(xiǎn)。

圖5 被動(dòng)區(qū)抗力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)文中對(duì)圍堰DHTDK1+260斷面的計(jì)算結(jié)果，被動(dòng)區(qū)抗力系數(shù)K4=1.276，僅僅略大于要求值1.2。故在預(yù)留溝槽開挖時(shí)，需采取一定的防護(hù)措施，來保證圍堰的整體穩(wěn)定性。堰芯土預(yù)留溝槽開挖的具體實(shí)施方案，如圖6所示。

圖6 預(yù)留溝槽開挖示意圖

由圖6中標(biāo)示，L1為預(yù)留溝槽到圍堰的距離，L2為溝槽寬度。為了確保圍堰在溝槽開挖時(shí)的穩(wěn)定性，并同時(shí)滿足預(yù)留溝槽可以容納對(duì)應(yīng)的堰芯土，溝槽開挖的條件為L(zhǎng)1≥5m，L2根據(jù)圍堰到通道主體結(jié)構(gòu)的距離長(zhǎng)度，定為8～9m或12～15m，溝槽的深度固定為2m。

此外，圍堰內(nèi)混凝土便道的破除工作對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性亦有不利影響，所以，對(duì)于緊鄰圍堰5m范圍內(nèi)的便道磚渣采用邊挖邊換填的方式清理，邊挖邊回填時(shí)采取分隔、分段的間隔破除法。距離圍堰5m以上便道以及距離圍堰較遠(yuǎn)便道則清除混凝土板塊及磚渣，作為堰芯土預(yù)留溝槽。

2.3 圍堰回水

該步驟主要是回水至湖泊水位，保持內(nèi)外水位平衡，確保圍堰鋼板樁拔除過程的安全。此過程中的重點(diǎn)要素是圍堰穩(wěn)定性，所以，需要注意的是控制抽水速度，保證內(nèi)外水壓的動(dòng)態(tài)平衡。在圍堰回水前，對(duì)背水面鋼板樁的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，為回水速率的確定提供參考。

圍堰背水面鋼板樁穩(wěn)定性計(jì)算。背水面鋼板樁樁體計(jì)算采用《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》錨碇結(jié)構(gòu)計(jì)算，樁長(zhǎng)為18m。

（1） 錨碇墻前被動(dòng)土壓力計(jì)算?；靥盍匣蛲恋闹囟圈?=18.5kN/m3，錨碇墻（板）底端的埋深th=14.4m；填料或土與墻（板）面之間的摩擦角δ=6°；拉桿間距bk=0.8m。

考慮墻（板）頂以上土體不全部參加工作的系數(shù)：ρ=0.78，可得錨碇墻（板）前被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：

（3） 拉桿拉力水平分力標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)原圍堰設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果，支撐軸力設(shè)計(jì)值P=223kN/m，RAX=110.12kN

（4） 碼頭地面均布荷載產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力計(jì)算。

（5） 分項(xiàng)、組合系數(shù)。主動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù)γE=1.35，拉桿拉力分項(xiàng)系數(shù)γRA=1.35，作用組合系數(shù)ψ=0.7，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0'=1.0

（6） 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算。

背水面鋼板樁的穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于要求，故控制圍堰內(nèi)水位變化值不大于0.5m/d。

2.4 堰芯土置換

該步驟包括兩方面內(nèi)容，一是內(nèi)側(cè)鋼板樁拔除；二是將堰芯土填筑至溝槽內(nèi)。對(duì)于此兩項(xiàng)作業(yè)，僅需利用相關(guān)機(jī)械，完成施工操作即可。但對(duì)于各工區(qū)預(yù)留溝槽土方容量和堰芯土土方量不完全匹配，需對(duì)堰芯土進(jìn)行調(diào)配。在環(huán)保性要求方面，需做到堰芯土土質(zhì)檢測(cè)，對(duì)于重金屬含量超標(biāo)的土，不可回填之溝槽內(nèi)，而是運(yùn)輸至圍堰外指定位置處。

2.5 湖底標(biāo)高復(fù)核

在堰芯土回填完成后，進(jìn)行湖底標(biāo)高復(fù)核。主要采用水下雷達(dá)對(duì)圍堰范圍內(nèi)湖底標(biāo)高進(jìn)行掃描。所以，主要是為控制要素中的環(huán)保性而擬定的一項(xiàng)步驟。

2.6 湖面恢復(fù)

該步驟主要包括圍堰內(nèi)水質(zhì)凈化、檢測(cè)，拆除外側(cè)鋼板樁，恢復(fù)湖面。其中，在迎水面鋼板樁拔除前，有兩項(xiàng)環(huán)保性工作需進(jìn)行，一是在鋼板樁外側(cè)，利用長(zhǎng)松木樁制作臨時(shí)防污染圍擋；二是圍堰內(nèi)水質(zhì)檢測(cè)。待水質(zhì)檢測(cè)合格后，拔除外側(cè)鋼板樁。

迎水面鋼板樁穩(wěn)定性計(jì)算。迎水面鋼板樁樁體計(jì)算采用《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》錨碇結(jié)構(gòu)計(jì)算。樁長(zhǎng)為15m。

（1） 錨碇墻（板）前被動(dòng)土壓力計(jì)算。墻前回填料或土的重度：γ2=18.5kN/m3，錨碇墻（板）底端的埋深th'=10.4m，填料或土與墻（板）面之間的摩擦角δ'=6°；拉桿間距bk'=0.8m。

可得錨碇墻（板）前被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：

錨碇墻后土體產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力計(jì)算：土層厚度h'=2.6m。

（2） 拉桿拉力水平分力標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)原圍堰設(shè)計(jì)天漢計(jì)算結(jié)果，支撐軸力設(shè)計(jì)值P'=223kN/m，R'AX=110.12kN

（3） 碼頭地面均布荷載產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力計(jì)算。

（4） 分項(xiàng)、組合系數(shù)。主動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù)γE=1.35，拉桿拉力分項(xiàng)系數(shù)γRA=1.35，作用組合系數(shù)ψ=0.7，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ'0=1.0。

（5） 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算。

迎水面鋼板樁的穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于要求。故在迎水面鋼板樁拔除過程中，重點(diǎn)在于確保湖底平整，恢復(fù)原湖底標(biāo)高。最后，對(duì)湖面的漂浮物進(jìn)行清理，保證湖面干凈無雜物。

3 拆除工藝實(shí)施效果

文中所述的拆除工藝目前已成功運(yùn)用于東湖通道工程圍堰拆除。采用此種方法進(jìn)行圍堰拆除，將堰芯土就地開挖至預(yù)留溝槽，不需大量外運(yùn)，采用就地消納的方法，減少了外運(yùn)、翻曬消納的費(fèi)用，不占用外部大量翻曬場(chǎng)、土方堆場(chǎng)，節(jié)約了淤泥處理、翻曬等費(fèi)用，產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)效益。

在環(huán)保方面，提前破除便道滿足湖底生態(tài)環(huán)保要求，開挖堰芯土后再拆除背水面鋼板樁，能夠有效隔絕湖水，在鋼板樁形成的封閉區(qū)域內(nèi)進(jìn)行堰芯土倒運(yùn)，避免對(duì)外部湖水產(chǎn)生污染。

4 結(jié)語

通過對(duì)東湖通道圍堰穩(wěn)定性的計(jì)算分析，結(jié)合在5A級(jí)風(fēng)景區(qū)施工中的環(huán)保要求，制定了東湖通道圍堰拆除的綠色環(huán)保工藝，并得出如下結(jié)論：

（1） 通過預(yù)挖堰芯土溝槽的圍堰拆除工藝，成功完成了東湖通道圍堰拆除，有效減少了工程施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，達(dá)到綠色環(huán)保要求

（2） 圍堰內(nèi)的開挖及便道破除工作在圍堰穩(wěn)定性富余不足時(shí)，預(yù)留溝槽到圍堰的距離L1≥5m，圍堰到主體結(jié)構(gòu)的距離L2取8～9m或12～15m，溝槽的深度固定取2m可有效保障圍堰拆除的穩(wěn)定性。

（3） 在安全系數(shù)較為充足的條件下，東湖通道控制圍堰內(nèi)水位變化值不大于0.5m/d，有效保障了圍堰鋼板樁的穩(wěn)定性。