顧曉彬，龔濟(jì)平，胡小波，李寶枝

（1.中交第三航務(wù)工程局 南京分公司，江蘇 南京 210011；2.中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032）

引 言

作為超長超寬（10.79 km）的明挖法水上公路隧道施工項(xiàng)目，其穿越的太湖梅粱湖域，局部廣泛分布深厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層。根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)環(huán)境保護(hù)的要求，雙排鋼板樁圍堰內(nèi)填料必須使用湖中原有的土料以減小對相關(guān)湖域生態(tài)環(huán)境的影響，而湖域取土點(diǎn)多為粘土或淤泥質(zhì)粘土，缺乏砂性土。軟弱地基和軟弱填料的雙重影響，加之當(dāng)?shù)仨?xiàng)目施工現(xiàn)場經(jīng)歷了罕見的多次臺(tái)風(fēng)的正面襲擊，雙排鋼板樁圍堰經(jīng)受了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，也引發(fā)出對設(shè)計(jì)施工中一些問題的思考。

1 工程概況

蘇錫常南部高速公路常州至無錫段工程路線全長43.90 km，采用隧道方式越過太湖梅梁湖，隧道全長10.79 km，太湖隧道隧址區(qū)大部分位于為太湖湖蕩平原區(qū)，地勢低洼，水網(wǎng)稠密，由西南向東北微傾，陸域段地面高程為0～3.50 m，湖域段湖底高程在-0.85 m左右。

CX-WX2標(biāo)段全長5.6 km。路線自西向東依次跨越六里河、下穿陸馬公路、東環(huán)堤河和太湖大堤，包括路基工程、隧道工程、橋梁工程和房建工程，其中隧道全長5.4 km，包括太湖隧道敞口段290 m，暗埋段5 120 m。

本工程標(biāo)段在馬山側(cè)岸邊，主要涉及的道路有陸馬公路和十里明珠堤沿湖道路。馬山側(cè)主要河道有六里河、東環(huán)堤河。太湖隧道峒口位于東環(huán)堤河西側(cè)，接地點(diǎn)位置位于六里河附近。

2 水文地質(zhì)

太湖隧道線路經(jīng)過的主要河流為太湖，屬太湖水網(wǎng)系，地表水系發(fā)育，隧道經(jīng)過太湖梅梁湖段長約 10.8 km，勘察期間陸域鉆孔揭示地下水穩(wěn)定水位埋深0.90～2.30 m，穩(wěn)定水位高程為1.95～2.80 m。湖區(qū)段地表水勘察期間高程為1.65～3.45 m，地下水位與地表水基本一致。據(jù)太湖局水文資料顯示，太湖防汛水位為3.50 m，多年平均水位在3.05 m。太湖梅梁湖區(qū)域生態(tài)環(huán)境敏感，直接影響項(xiàng)目的可實(shí)施性。

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水，主要由第四系全新統(tǒng)沖積～洪積層和湖沼沉積層含水層組。前者分布在湖西地區(qū)，由灰、灰黃、淺黃色粉質(zhì)粘土、粉土和粉細(xì)砂所組成，厚度由南向北自5 m至20 m左右；后者分布在太湖以北及湖東地區(qū)，巖性為灰、灰黃、青灰色粉土、粉砂及粉質(zhì)粘土薄層，底板埋深一般＜6 m。

本標(biāo)段屬太湖湖蕩平原區(qū)及山間平原亞區(qū)，表層局部段落分布1-2層淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，上部為2-1層硬可塑粉質(zhì)粘土和2-2層可塑的黏性土層，其下連續(xù)分布2-3層粉土，中上部個(gè)別段落揭示2-4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，向下依次為3-1層硬可塑狀、3-2層軟塑狀、4-1層硬塑狀黏性土層。地區(qū)揭示地層主要為全新統(tǒng)黏性土層及上更新統(tǒng)黏性土、粉土、粉砂層，局部地段淺部堆積人工填土層，太湖東側(cè)岸邊下部揭示泥盆系五通組砂巖，總體上，主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)自西向東逐漸變好。其中對工程影響較大的為 1-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和2-4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，根據(jù)施工現(xiàn)場揭露情況，其原狀土土質(zhì)均勻，有機(jī)質(zhì)含量較低，干燥后較堅(jiān)硬。

3 水上雙排鋼圍堰

太湖隧道工程項(xiàng)目湖中第三、四、五倉圍堰共長約1.5 km，寬度約為150～200 m，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告該段落湖底表面廣泛分布1-2層淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，分布厚度約為6～10 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與地質(zhì)分布縱斷面情況如圖1所示。

圖1 太湖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地質(zhì)剖面

初步設(shè)計(jì)中該段落圍堰采用 SP-IVw型鋼板樁、[32a型鋼鋼圍檁、精軋螺紋鋼32@1.2 m拉錨，鋼板樁樁長18 m，單側(cè)圍堰寬度為7 m，圍堰內(nèi)回填由湖中土質(zhì)較好區(qū)域取出的粘性土。圍堰斷面及平面布置如圖2所示。

圖2 湖中第三倉平斷面示意

4 雙排鋼板樁圍堰局部問題分析

在第三倉鋼板樁合攏且填土作業(yè)基本完成后，無錫太湖地區(qū)2018年8月罕見的遭遇了多次大臺(tái)風(fēng)的正面襲擊，施工中發(fā)現(xiàn)局部鋼板樁向兩側(cè)傾斜，且伴隨對拉螺桿繃斷的情況。

圖3 鋼板樁變形

針對現(xiàn)場局部出現(xiàn)的情況，業(yè)主會(huì)同設(shè)計(jì)施工監(jiān)理等單位第一時(shí)間分析尋找原因。我部首先對現(xiàn)場進(jìn)行反復(fù)踏勘，搜集現(xiàn)場資料，針對出現(xiàn)問題的區(qū)段進(jìn)行研究分析。首先通過有限元對全區(qū)段圍堰結(jié)構(gòu)形式及軟土層變形規(guī)律進(jìn)行研究，選取軟土最為深厚的斷面進(jìn)行分析，模型中土體單元均設(shè)置為兩維孔壓排水模型，網(wǎng)格局部加密。計(jì)算圍堰各部分的穩(wěn)定性和內(nèi)力，綜合分析結(jié)構(gòu)的整體變形趨勢，經(jīng)過計(jì)算變形后手動(dòng)擴(kuò)大的網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 有限元模型及網(wǎng)格

結(jié)合工序內(nèi)位移云圖，分析雙排鋼圍堰變形特點(diǎn)，填土工況下圍堰整體變形呈現(xiàn)豎向沉降+側(cè)向鼓脹的現(xiàn)象，水平位移最大的點(diǎn)發(fā)生在雙排鋼圍堰與原狀淤泥的交點(diǎn)偏下位置，豎向位移最大點(diǎn)為雙排鋼圍堰填土中心向周圍擴(kuò)散。

圖5 堰整體位移

通過分析超靜孔隙水壓力云圖，雙排鋼圍堰內(nèi)原狀淤泥在填土荷載的作用下產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力，且由于缺乏排水通道，超孔壓消散緩慢，原狀淤泥土的有效應(yīng)力處于較小的狀態(tài)，導(dǎo)致原狀淤泥的強(qiáng)度進(jìn)一步降低，其側(cè)壓力也進(jìn)一步增大，對鋼圍堰側(cè)邊產(chǎn)生非常大的壓力。由于環(huán)保要求，不能換填圍堰內(nèi)填料，只能回填消化湖域內(nèi)粘土，因此雙排鋼圍堰的拉桿和板樁強(qiáng)度需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

在有限元對雙排鋼圍堰的變形情況進(jìn)行分析后，選取單側(cè)鋼板樁進(jìn)行理論計(jì)算分析，圖6為理論計(jì)算模型。

圖6 理論計(jì)算模型

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：抗傾覆力矩總值為27 168 kN·m，其中持力層 2-1層抗傾覆力矩為17 519 kN·m，持力層3 m的貢獻(xiàn)了約65 %的抗傾覆力矩，說明樁下部的土層性質(zhì)對抗傾覆影響很大，樁的抗傾覆性能受持力層厚度影響很大。在有些局部位置，1-2層比較深厚，很可能會(huì)發(fā)生 2-1層厚度不足，抗傾覆力矩驟然變小導(dǎo)致抗傾覆穩(wěn)定不足的情況，板樁在這種情況下應(yīng)有足夠的插入深度以防止這種情況發(fā)生，因此設(shè)計(jì)的雙排鋼圍堰的長度應(yīng)該加長。

拉桿在實(shí)際使用情況下，其受力狀態(tài)比較復(fù)雜，綜合承受拉力、剪力。拉桿的設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足拉桿拉力設(shè)計(jì)值外，尚應(yīng)滿足抗剪切等要求，以抵抗因?yàn)椴ɡ撕团_(tái)風(fēng)等不利因素引起的鋼板樁鎖扣上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切力。并且應(yīng)具有足夠的延性以滿足雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)拉力不均衡時(shí)拉桿拉力重分布的特性以防止發(fā)生脆性破壞。拉桿設(shè)計(jì)應(yīng)該有充分的冗余度以滿足復(fù)雜受力時(shí)的要求。在土較差、較深厚時(shí)，更應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以彌補(bǔ)土體本身抗力的不足。而初步設(shè)計(jì)的鋼拉桿抗力富余量不足且延性不夠。

5 對初步設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

通過有限元與理論計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)：雙排鋼板樁圍堰鋼板樁、土體、拉桿，是一個(gè)相互影響的結(jié)構(gòu)體系，共同發(fā)揮作用承受抗力。我部與項(xiàng)目部經(jīng)過充分的準(zhǔn)備，并配合局成立專家組，通過與業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理和咨詢單位的多輪溝通，最后將事故主要原因總結(jié)為：無錫太湖地區(qū)2018年夏天1個(gè)月之內(nèi)罕見的遭遇了多次大臺(tái)風(fēng)的正面襲擊；局部土層分布情況超出勘察鉆孔布置發(fā)生了突變；設(shè)計(jì)的鋼板樁插入深度不足，鋼拉桿型號和直徑富余量不足。替代解決設(shè)計(jì)施工方法如下：

1）從有利于圍堰受力的角度，建議拉桿下移50 cm。

2）拉桿在實(shí)際受力時(shí)，受力情況較復(fù)雜，可能發(fā)生彎剪破壞，從安全儲(chǔ)備的角度，建議鋼板樁圍堰拉桿直徑不小于50 mm。

3）根據(jù)復(fù)核計(jì)算，建議鋼管樁圍堰鋼圍檁適當(dāng)加強(qiáng)，以和圍護(hù)樁與鋼拉桿強(qiáng)度相協(xié)調(diào)。

4）建議增加橫向隔艙，間距為 2～3倍圍堰寬度，以增加圍堰整體剛度和穩(wěn)定性。

5）如采用一般粘性土作為圍堰回填料，應(yīng)充分考慮填料水下填筑、壓實(shí)不宜等對填筑質(zhì)量的影響，建議在設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)取值時(shí)，應(yīng)充分考慮由此帶來的影響，并選取符合實(shí)際情況的計(jì)算參數(shù)。

6）軟土分布的區(qū)域，建議在抽水結(jié)束后，在圍堰內(nèi)側(cè)坡腳堆填一定量的挖方棄土，形成反壓，作為安全儲(chǔ)備。

7）為了盡量減少拉桿受力不均勻?qū)哒w結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，建議給出詳細(xì)的圍堰結(jié)構(gòu)及內(nèi)部填土施工工序，及明確可行的施工要求。

8）增加圍堰拉錨監(jiān)測和測斜監(jiān)測等措施。最終優(yōu)化修改完成的三～五倉設(shè)計(jì)施工方案斷面如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的三～五倉設(shè)計(jì)施工方案斷面

最終在業(yè)主、施工、設(shè)計(jì)、監(jiān)測等多方共同努力下，最終將三～五倉共計(jì)約1 km長度的鋼板樁改為鋼管樁，并采取了先清部分淤后合圍開挖的思路，這一變更最終為項(xiàng)目節(jié)省接近半年的工期，扭轉(zhuǎn)了項(xiàng)目的被動(dòng)局面。

6 替換法拉桿軸力檢測技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場情況，第三倉鋼板樁圍堰樁底處于軟弱土層中，回填期間導(dǎo)致鋼板樁變形較大，并且拉桿軸力增加；為確保圍堰安全，要求對鋼拉桿進(jìn)行軸力監(jiān)測，分析拉桿在施工各個(gè)工況下的受力情況。

由于之前未有拉桿軸力監(jiān)測項(xiàng)目，鋼板樁圍堰內(nèi)均已填土，拉桿軸力未知；故采用替換法拉桿軸力檢測技術(shù)，具體流程如圖9所示。

先用中空千斤頂對拉桿進(jìn)行張拉至螺絲松動(dòng)，記下千斤頂張拉應(yīng)力，再卸下拉桿螺絲、安裝錨索計(jì)，儀器安裝結(jié)束，按照之前的張拉應(yīng)力再次進(jìn)行張拉，擰緊儀器后的螺絲，測讀儀器讀數(shù)，計(jì)算拉桿軸力。軸力監(jiān)測點(diǎn)在后續(xù)測量過程中工作狀態(tài)良好。

圖8 鋼板樁圍堰拉桿軸力監(jiān)測點(diǎn)安裝示意

圖9 監(jiān)測儀器安裝流程

7 結(jié) 語

本文通過對軟弱地基及填料條件下水上雙排鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)施工技術(shù)應(yīng)用的研究，分析了雙排鋼圍堰的作用體系受力和工作模式，針對工程區(qū)域表層分布深厚軟弱土層、缺少砂性土填料和在圍堰內(nèi)回填粘性土料對雙排鋼圍堰產(chǎn)生的一系列問題提出相應(yīng)的解決方法，最終將研究成果應(yīng)用于設(shè)計(jì)施工并且順利實(shí)施，得到如下結(jié)論：

1）超長水上明挖法雙排鋼圍堰由于填土、拉桿松緊程度、土層分布的差異，導(dǎo)致其縱向受力存在較大的不均勻性，因此板樁長度和拉桿及相應(yīng)受力結(jié)構(gòu)的選取需考慮不均勻受力帶來的安全系數(shù)的儲(chǔ)備；

2）通過對現(xiàn)場實(shí)際情況的分析，在軟弱地基及填料條件下，可考慮對控制拉桿位置、拉桿直徑、圍檁尺寸、橫向隔艙等進(jìn)行加固優(yōu)化；

3）如采用一般粘性土作為雙排鋼圍堰回填料，應(yīng)充分考慮填料水下填筑、壓實(shí)不宜等對填筑質(zhì)量的影響，建議在設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)取值時(shí)，應(yīng)充分考慮由此帶來的影響，并選取符合實(shí)際情況的計(jì)算參數(shù)；

4）為了盡量減少拉桿受力不均勻?qū)哒w結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，建議在施工中給出詳細(xì)的圍堰結(jié)構(gòu)及內(nèi)部填土施工工序，及明確可行的施工要求，并在圍堰內(nèi)側(cè)坡腳堆填一定量的挖方棄土，形成反壓，作為安全儲(chǔ)備；

5）對于已經(jīng)安裝好并受力的雙排鋼圍堰，可以通過替換法對鋼拉桿進(jìn)行檢測。

項(xiàng)目最終成功解決現(xiàn)場實(shí)際問題，研究成果投入應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。