朱 艷 石振明 盧耀如 彭 銘

(①中船第九設(shè)計研究院工程有限公司， 上海 200090， 中國) (②上海市海洋工程和船廠水工特種工程研究中心， 上海 200090， 中國) (③同濟大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系， 上海 200092， 中國) (④同濟大學(xué)地下及巖土工程教育部重點實驗室， 上海 200092， 中國)

0 引 言

海岸帶是海洋和陸地相互交接、相互作用的地帶，也是我國人口密集程度最高、經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)。隨著海洋和海岸資源開發(fā)利用，海岸帶工程建設(shè)面臨超高水壓和涌浪、復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境、海水強腐蝕性等問題也日漸突出，給大型擋水結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和防滲性帶來巨大挑戰(zhàn)(鄭繼民， 1994； 游美歌， 2009; 伍法權(quán)等， 2016； 劉曉磊等， 2017)。鋼板樁作為一種綠色環(huán)保建筑材料，同時兼有擋土、止水功能，在海岸帶工程建設(shè)、搶修中越來越受關(guān)注。由于鋼板樁受到場地工程地質(zhì)條件影響較大，其使用效果和經(jīng)濟性也與工程地質(zhì)條件直接相關(guān)。本文對我國應(yīng)用鋼板樁支護的海岸帶工程案例進行搜集、整理和分析，評價其在不同工程地質(zhì)條件下的適用性。

鋼板樁在海岸帶淤泥地層、砂性地層、巖層中均有應(yīng)用。早在20年前，一些學(xué)者和工程師通過一些工程實際發(fā)現(xiàn)，海岸工程中采用鋼板樁作為水工建筑物的主體較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土重力式結(jié)構(gòu)形式好，施工簡單，工期短，造價省(劉幼如等， 2001)。雙排鋼板樁圍護結(jié)構(gòu)可以有效降低土體液化帶來的沉降和流動，最大限度地降低大地震、大海嘯、洪水等自然災(zāi)害造成的危害程度(陳國主， 2014)。隨著生態(tài)地質(zhì)工程交叉學(xué)科的不斷發(fā)展，沿海城市綠色、韌性水工建筑物的需求大幅提升，鋼板樁作為綠色環(huán)保，韌性強的建筑材料將越來越多地用于工程建設(shè)的各個領(lǐng)域(尚彥軍等， 2013； 科技部高新司， 2021)。研究鋼板樁對于海岸帶工程地質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)性具有重要的實際意義。

鋼板樁嵌巖施工問題是影響鋼板樁地層適應(yīng)性的關(guān)鍵因素之一，通過水下巖層開槽和水下混凝土封閉的施工工藝，可以提高鋼板樁的適用性，使其在中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層中都能夠適用(牟行勇等， 2019； 楊泉勇， 2021)。鋼板樁的止水性能是影響其適用性的關(guān)鍵因素之一，特別是用于海岸帶高滲透性土層中尤其突出。鋼板樁滲漏以鎖口滲漏和開孔處滲漏最為常見。保證垂直度和及時安裝磁性止水條是防止鎖口滲漏的有效手段，在沿海細砂-粉細砂地層的陸域基坑中取得了較好的應(yīng)用效果(官兆根， 2021)。拉桿開孔處由于拋石碰撞或拉桿受力可導(dǎo)致墊片松散，當(dāng)遇拉桿位置較低，粉細砂含量較高時，應(yīng)采取堵漏措施，降低滲漏量。歐飛圍墾工程中雙排鋼板樁圍堰在拉桿孔、鎖口以及鋼板樁上下接縫處均發(fā)生了滲漏。其中拉桿孔和鎖口的滲漏量最高，對外排鋼板樁的拉桿孔通過堵漏王實施封堵，取得了明顯效果(謝龍， 2018)。腐蝕性也是影響鋼板樁在海岸帶工程適用性的關(guān)鍵因素之一，腐蝕性也與工程地質(zhì)環(huán)境有關(guān)，高溫、高鹽的環(huán)境中往往腐蝕性更強，海岸圍堰較河口圍堰腐蝕性影響大，砂性地層較淤泥地層腐蝕性影響大，此外，沖刷也可能導(dǎo)致原來埋設(shè)在土層中的無防腐涂料段暴露于海水環(huán)境。常見的防腐措施有混凝土外包，陰極保護，防腐涂料，其中以防腐涂料應(yīng)用最為廣泛和便捷。早在1991年葛洲壩工程建設(shè)中，就曾在格型鋼板樁中采用了環(huán)氧重防腐涂料，取得了良好的效果(周厚貴， 1991)； 防腐涂層常見的受損原因主要有導(dǎo)向架施工，焊接施工，沉樁鎖口摩擦，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件合理選擇和調(diào)整施工工藝，減少涂層損傷(韓文禮等， 2009； 王黎， 2017)。此外，鋼板樁還存在多種組合形式，以適應(yīng)不同的地質(zhì)條件。雙排鋼板樁圍堰與基坑支護組合的支護形式可用于基礎(chǔ)開挖深度較大的情況，如橋墩、錨碇基礎(chǔ)(Kang et al.，2020;Xiao et al.，2020)，也可用于地層起伏較大的情況，如跨海、越江通道(黃修平等， 2020； 王歡， 2020； 羅毅等， 2021)。單排鋼板樁與土工材料包裹的砂肋軟體排組合的臨時圍堤可大幅節(jié)省工程造價，降低清障難度(劉銘祎， 2018)，雙排鋼板樁與土工材料包裹的砂肋軟體排組合的臨時圍堤可大幅節(jié)省工程造價，降低清障難度(龔偉， 2019)。日本學(xué)者開展了雙排鋼板樁加固海堤模型實驗，對鋼板樁-土體和拉桿傳力受力有了初步認識(Furuichi et al.，2015; Mitobe et al.，2016; Fujiwara et al.， 2017)。現(xiàn)有研究大多針對單一工程地質(zhì)條件開展研究，對雙排鋼板樁在不同地質(zhì)條件下的適用性和對工程設(shè)計的約束性尚未進行深入探討。

海岸帶從工程地質(zhì)特性分主要有巖質(zhì)海岸帶、砂質(zhì)海岸帶和淤泥質(zhì)海岸帶。在不同的海岸帶地質(zhì)條件上均有開展雙排鋼板樁工程案例應(yīng)用，但效果不盡相同，且存在各式各樣的問題。本章搜集了我國海岸帶幾種特殊地質(zhì)條件下的工程案例(左其華等， 2014)，以樁端土性分類，主要包括巖溶發(fā)育的巖質(zhì)海岸，高透水性的砂質(zhì)海岸和深厚軟土的淤泥質(zhì)海岸。選取幾個典型工程的典型斷面開展二維有限元數(shù)值模擬并搜集了有關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析和總結(jié)海岸帶工程中雙排鋼板樁對于不同地層的適應(yīng)性。

1 巖基工程案例

大連造船新廠30萬噸船塢圍堰(姚慕期等， 1993)，也有文獻中取名為大連造船新廠20萬噸船塢圍堰(葉國良等， 1995)，實為同一個項目采用了不同的評定方法，大連造船新廠6萬噸船塢圍堰(王海濱， 2000)，均坐落于相同的地質(zhì)條件而采用了不同的施工工藝。該處工程地質(zhì)條件的典型特征和難點為巖溶發(fā)育的巖質(zhì)地基(周振球， 2000)。其中30萬噸船塢圍堰采用排鋼板樁圍堰的干法施工工藝，而6萬噸船塢未采用臨時圍堰，采用水下預(yù)填礦石骨料升漿混凝土底板的濕法施工工藝。下面詳細介紹其中30萬噸采用雙排鋼板樁的船塢圍堰工程。

1.1 大連30萬噸船塢圍堰工程概況

大連造船新廠30萬噸船塢長365 m，寬80 m，深12.75 m，圍堰位于大連灣東北角水域灘地，圍堰外周總長1.544 km，東西向長550 m，南北向長232 m。其中灘地水上部分采用雙排鋼板樁圍堰，灘地陸上部分采用單排鋼板樁止水。圍堰工程開始于1989年3月，至1990年12月年合攏，由于地質(zhì)條件極其復(fù)雜，又經(jīng)過1年多時間圍堰加固，止水處理后， 1992年3月結(jié)束抽水，開始施工船塢主體工程。設(shè)計單位為中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，施工單位為第一航務(wù)工程局。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

該場地為震旦系南關(guān)嶺組灰?guī)r夾泥巖。土層特性自上而下見表 1(姚慕期等， 1993； 葉國良等， 1995)，回填土性能列入表 1 最后。水文條件見表 2。

表 1 大連造船新廠30萬噸船塢圍堰工程地質(zhì)條件Table 1 Engineering geological conditions of cofferdam for 300 000 DWT/200 000 DWT dock of Dalian New Shipyard

表 2 大連造船新廠30萬噸/20萬噸船塢圍堰工程水文條件Table 2 Engineering hydrologic conditions of cofferdam for 300 000 DWT/200 000 DWT dock of Dalian New Shipyard

1.3 典型斷面

大連30萬噸船塢圍堰東、北側(cè)水域部分采用雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)，西、南側(cè)陸域部分采用單排鋼板樁止水，形成封閉的環(huán)形區(qū)域，平面示意圖見圖 1。北側(cè)和東側(cè)海域雙排鋼板樁圍堰部分的典型斷面如圖 2 所示(其中：北側(cè)內(nèi)、外排鋼板樁均較東側(cè)短1 m)，平面圖中標記的C2和C6為北側(cè)雙排鋼板樁上的測斜管，C3和C4分別為東側(cè)雙排鋼板樁上的測斜管，樁端位于礫砂層和巖層交界面。

圖 1 大連30萬噸船塢圍堰測斜點平面布置示意圖Fig. 1 Plan layout of inclinometer for cofferdam of Dalian 300 000 DWT dock

圖 2 大連雙排鋼板樁圍堰典型斷面圖Fig. 2 Typical section of Dalian cofferdam

1.4 計算分析

大連30萬噸船塢雙排鋼板樁圍堰的建造年代距今已有30年，當(dāng)時的手工計算書如今已經(jīng)難以查閱到。本文按照現(xiàn)行規(guī)范《港口航道與水文設(shè)計規(guī)范》JTS145-2015(交通運輸部， 2015)，利用Plaxis巖土有限元軟件，對該工程的典型斷面進行重新復(fù)核計算。計算工況根據(jù)施工過程(姚慕期等， 1993)設(shè)定，設(shè)計條件包括高水位情況下的波峰、波谷以及低水位下的開挖工況，分別計算堰體填筑至+ 5.0 m，抽水至- 5.0 m，基坑開挖至- 8.0 m，如圖 3。典型斷面計算結(jié)果見圖 4 至圖 6。提取設(shè)計高水位基坑開挖至- 8.0 m的最不利計算工況結(jié)果，計算外排樁最大位移為388.4 mm，計算最大變形/擋水高度=3.14%。

圖 3 雙排鋼板樁圍堰計算工況圖Fig. 3 Step of double steel sheet pile cofferdama. 原狀地基； b. 兩側(cè)拋石； c. 拋石中間回填砂； d. 施工雙排鋼板樁、 拉桿及樁間回填土； e. 低水位疊加波谷吸力； f. 低水位無風(fēng)浪時內(nèi)側(cè)開挖； g. 開挖后遇極端高水位疊加波峰壓力； h. 開挖后極端高 水位疊加波谷吸力

圖 4 開挖工況土體水平方向變形圖(單位： m)Fig. 4 Horizontal deformation diagram of soil under excavation condition(unit: m)

圖 5 開挖工況鋼板樁水平方向變形圖(單位： m)Fig. 5 Horizontal deformation diagram of steel sheet pile under excavation condition(unit: m)

圖 6 開挖工況鋼板樁彎矩圖(單位： (kN · m)·m-1)Fig. 6 Bending moment diagram of steel sheet pile under excavation condition(unit： (kN · m)·m-1)

1.5 工程實測與反演分析

圍堰東斷面和圍堰北斷面兩排鋼板樁測斜的監(jiān)測變形曲線如圖 7 所示(葉國良等， 1995)。拉桿位置的變形監(jiān)測值分別為C6測斜管187.91 mm， C2測斜管123.31 mm， C4測斜管170.07 mm， C3測斜管124.92 mm； 用有限元軟件計算的拉桿處的外排樁為308.5 mm，內(nèi)排樁為340.9 mm (圖 5)。產(chǎn)生誤差的原因主要是計算采用的極端波高在工程實測中并未出現(xiàn)。監(jiān)測報告所反映的平均波高僅為1.1 m，周期5.5 s，計算得到平均波長42.5 m，均小于原設(shè)計采用值。按照監(jiān)測報告中的波浪要素重新計算，得到外排拉桿高度處的板樁變形為185.55 mm，內(nèi)排拉桿高度處的板樁變形為207.38 mm (圖 8、圖 9)。外排樁的反分析計算變形與監(jiān)測數(shù)值非常接近，而內(nèi)排樁變形計算值仍然偏大，主要原因是，實際工程中樁間土在受力變形過程中會發(fā)生有效應(yīng)力、密實度等的改變，軟件仍然把樁間土當(dāng)成主動土過高地計算了內(nèi)排樁上分擔(dān)的土壓力。

圖 7 雙排鋼板樁圍堰斷面鋼板樁變形圖(單位：mm)Fig. 7 Bending moment diagram of steel sheet pile under excavation condition(unit： mm)

圖 8 開挖工況土體水平方向變形圖(按實測波浪重算)(單位：m)Fig. 8 Horizontal deformation diagram of soil under excavation condition(measured wave)(unit： m)

圖 9 開挖工況鋼板樁水平方向變形圖(按實測波浪重算)(單位：m)Fig. 9 Horizontal deformation diagram of steel sheet pile under excavation condition(measured wave)(unit： m)

1.6 巖性地基案例總結(jié)

大連30萬噸船塢雙內(nèi)排鋼板樁圍堰案例位于巖溶發(fā)育的震旦系南關(guān)嶺組灰?guī)r夾泥巖地層，地質(zhì)條件非常復(fù)雜。雙排鋼板樁的樁端位于礫砂層和巖層交界面，大部分未嵌入巖層，少部分巖面較高的位置破除巖層。計算和實測均表明，巖質(zhì)基床上的雙排鋼板樁變形較小，最大變形僅為擋水高度的2%～3%。但實際工程中發(fā)現(xiàn)，樁端漏水情況嚴重，采取了長達一年多的注漿堵漏和加固措施?？梢姡瑤r溶地區(qū)采用鋼板樁的工程，即使樁端未穿越巖溶區(qū)，也應(yīng)當(dāng)考慮地層的局部連通性，在設(shè)計階段即充分考慮樁端注漿的必要性。

一般地，樁間回填砂均采用中粗砂。但考慮到當(dāng)?shù)赝膺\成本非常高，通過研究采石場的廢棄石渣的工程特性，發(fā)現(xiàn)石渣可以達到與中粗砂相當(dāng)?shù)膬?nèi)摩擦角指標。因此，該項目大膽地提出了采用廢棄石渣作為回填料，回填約10萬立方米，極大地節(jié)約了工程成本。

該工程案例是一個巖性地基上非常特殊的地質(zhì)條件案例。此外，還有很多常規(guī)巖性地基上的雙排鋼板樁工程案例，本文則不再贅述，從設(shè)計計算的角度出發(fā)，嵌巖鋼板樁的變形控制非常好。遇到的主要問題是，實際施工中，直接打入鋼板樁的施工方法非常困難，鋼板樁的垂直度不易控制、打樁效率低且造價高。但如不嵌巖，遇巖面較高的情況圍護樁的插入深度不能夠滿足穩(wěn)定性要求。此時，就需要首先在基巖上開槽，然后置入鋼板樁，再進行水下混凝土封底(楊泉勇， 2021)。由此帶來的工程措施費和工期也是應(yīng)當(dāng)在設(shè)計階段予以充分考慮的。

此外，前述提及的大連6萬噸船塢，由于規(guī)模較小，直接采用了濕法施工，未建設(shè)圍堰，通過升漿技術(shù)，直接采取水下灌混凝土施工船塢塢墻，以完成的塢墻永久結(jié)構(gòu)做圍堰，再進行干施工，得到了較好的應(yīng)用效果。特別是在巖溶發(fā)育的地基，避免了多次樁基施工引起的滲漏，大大縮短了工期。缺點是對塢墻永久結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力要求高，設(shè)計時需要考慮塢墻在尚未形成船塢整體時承擔(dān)側(cè)向荷載的問題。

綜上所述，對于巖溶發(fā)育的巖性地層應(yīng)綜合考慮工程規(guī)模、體量，工程地質(zhì)條件對工期、環(huán)境等的影響，選擇合理的工法。

2 砂性地層工程案例

2.1 新加坡大士南船廠船塢圍堰工程概況

新加坡大士南船廠1#、2#船塢工程(江杰， 2011)采用雙排鋼板樁大圍堰干施工方法建造，整座船塢坐落于吹填砂性地基上(馬永平等， 2019)。海側(cè)鋼板樁部分穿越砂層進入硬質(zhì)黏土層，但硬質(zhì)黏土層的下臥土仍然為砂性硬質(zhì)黏土； 陸側(cè)鋼板樁未穿越砂層，樁端位于細砂-中粗砂層。

表 3 工程地質(zhì)條件Table 3 Engineering geological conditions of cofferdam for Singapore Shipyard

2.2 工程地質(zhì)及水文條件

該場地原為海域，經(jīng)吹填30 m砂層厚形成現(xiàn)有陸域場地，吹填砂的透水性極強，滲透系數(shù)室內(nèi)試驗測得為3×10-2cm · s-1，實測滲透系數(shù)約為室內(nèi)試驗的2倍。自上而下總體地層分布為吹填砂，松散砂，中密-密實中粗砂，黏土(淤泥，硬黏土)，粉土或粉質(zhì)砂土。土層特性自上而下見表 3(江杰， 2011)，土層計算彈性模量參考文獻(馬永平等， 2019)，取標貫擊數(shù)的1.7倍，回填土性能列入表 3 最后。水文條件見表 4。

表 4 工程水文條件Table 4 Hydraulic conditions of Singapore Shipyard

2.3 典型斷面

新加坡大士南船廠船塢雙排鋼板樁圍堰的典型斷面如圖 10 所示。構(gòu)件材料參數(shù)見表 5～表 7。

圖 10 新加坡大士南1#、2#船塢圍堰典型斷面圖Fig. 10 Typical section of Singapore cofferdam

表 5 工程材料參數(shù)及標準Table 5 Engineering material parameters and standards

表 6 鋼板樁設(shè)計計算參數(shù)Table 6 Calculation parameters of steel sheet piles

表 7 拉桿設(shè)計計算參數(shù)Table 7 Calculation parameters of tie rod

2.4 計算分析與工程實測

圍堰采用有限元Plaxis進行計算，計算變形559.30 mm(馬永平等， 2019)。由于工程實測點是在圍堰完成后，尚未開挖前安裝的，測量變形僅為開挖階段引起的變形，計算開挖階段的變形為305 mm，實測變形170 mm，實測較計算偏小。按照開挖階段的監(jiān)測位移等比例反算包括施工期變形在內(nèi)雙排鋼板樁變形為311 mm。按設(shè)計高水位計擋水高度(開挖標高- 13.5 m)情況下，計算最大變形/擋水高度=1.88%，小于新加坡2%的變形控制標準。

2.5 砂性地基案例總結(jié)

新加坡大士南船塢工程位于整片由吹填砂形成的陸地和海岸交界的新岸線地帶。砂層滲透性非常大，對鋼板樁的止水性能是極大的考驗。該高透水砂性地層雙排鋼板樁圍堰工程的成功實施給了我們?nèi)缦聠⑹荆?/p>

(1)砂性地層中對于雙排鋼板的變形計算，直接用地勘報告提供的壓縮模量計算是不準確的，與工程實測的誤差非常大。而應(yīng)結(jié)合標貫擊數(shù)，通過對實測變形的監(jiān)測，及時修正模量的取值方法，采取動態(tài)更新計算文件的方式更為準確地預(yù)測變形。

(2)高透水性的砂性地層中，采用雙排鋼板樁圍堰的關(guān)鍵是控制圍堰的止水，如僅從變形控制角度出發(fā)，變形尚非常小，但在高透水性的砂性地基中，非常小的變形也足以引起鎖口滲漏，從而引起滲流潛蝕和沖刷，破壞圍堰的整體穩(wěn)定性。

(3)在高滲透的砂性地層地質(zhì)條件下，要提高鋼板樁的垂直度控制標準，同時，宜適度提高圍堰變形控制指標，避免由于圍堰變形引起的次生破壞。

3 淤泥地層工程案例

3.1 中船長興船塢圍堰工程概況

中船長興二期3#、4#船塢工程采用雙排鋼板樁大圍堰干施工方法建造，整座船塢坐落于深厚軟土地基上。3#、4#兩座船塢均為特大型船塢，采用雙排鋼板樁大圍堰，外排鋼板樁平面總長度510 m，內(nèi)排鋼板樁平面總長度454 m。雙排鋼板樁圍堰的兩端和防汛大堤相連，將兩座船塢的主體結(jié)構(gòu)包圍在內(nèi)，實現(xiàn)干施工。圍堰內(nèi)排鋼板樁距塢口前沿線20 m，其內(nèi)側(cè)采用SMW三軸水泥土攪拌樁地基加固。3、4號塢塢口突出原有海堤60～80 m，修建圍堰時，拆除船塢區(qū)現(xiàn)有大堤，將圍堰兩端接入現(xiàn)有永久海堤，因此，該圍堰工程在施工期間充當(dāng)了臨時海堤。平面圖見圖 11。

圖 11 中船長興3#、4#船塢圍堰平面圖Fig. 11 Plan of Changxing 3# and 4# cofferdam

3.2 工程地質(zhì)及水文條件

擬建場地標高約- 73.10 m以上深度范圍內(nèi)的地基土均屬第四系上更新統(tǒng)Q3至全新統(tǒng)Q4沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成，一般具有成層分布特點。按其沉積時代，成因類型及其物理力學(xué)性質(zhì)的差異可劃分為6層，其中第①、②、⑤層又可根據(jù)土性和工程特性的差異分成若干個亞層。各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標參加文獻(侯永茂等， 2009)。

根據(jù)長興潮位站(121°40′9″E， 31°22′9″N)1970～1980年實測潮位資料統(tǒng)計，潮位特征值見表8。設(shè)計高水位4.13 m， 50年一遇極端高水位5.79 m，上海市防汛主管部門確定的200年一遇防汛水位6.22 m。

表 8 長興工程潮位特征表Table 8 Tidal level characteristics of Changxing Shipyard

擬建工程附近無長期實測波浪資料。根據(jù)所在位置，由于其東側(cè)為橫沙島及橫沙東灘，東南向為體積龐大的江亞心灘及九段沙，南側(cè)為長江南岸邊灘，因而可能出現(xiàn)大浪的方位為W～SW和SE(ESE～SSE)，且以SE(ESE～SSE)為控制方向。

根據(jù)華東師范大學(xué)提供的《長興島造船基地前沿圈圍工程及碼頭工程設(shè)計波浪要素計算》報告，碼頭工程50年一遇風(fēng)速和50年一遇高潮位的設(shè)計波要素及設(shè)計波浪的各頻率波高換算見表 9。

表 9 50年一遇風(fēng)速和50年一遇高潮位的波浪設(shè)計要素Table 9 Wave design elements of 50 year return wind speed and 50 year return high water level

3.3 典型斷面

長興船塢3#、4#雙排鋼板樁大圍堰的典型斷面如圖 12 所示(高加云等， 2009)。樁身穿越近20 m淤泥質(zhì)土，樁端進入老黏土，兩排鋼板樁間距15.0 m，海側(cè)采用AU23型，陸側(cè)在3#塢和4#塢選用了不同的樁型，分別為AU25和PU32，設(shè)一道直徑60 mm的圓鋼拉桿。圍堰內(nèi)側(cè)采用雙軸攪拌樁加固淤泥質(zhì)土層，內(nèi)側(cè)最大開挖標高為3#塢- 11.85 m(最大擋水高度17.64 m)， 4#塢- 13.45 m(最大擋水高度19.24 m)，泵房- 15.9 m(最大擋水高度21.69 m)。

圖 12 中船長興3#、4#船塢圍堰典型斷面圖Fig. 12 Typical section of Changxing cofferdam

施工工況為：抽水至原始泥面——清淤疏浚、坑內(nèi)加固——大面積開挖至- 8.0 m標高——開挖泵房至底標高，施工泵房底板——開挖3#、4#塢口至底標標高，施工塢口底板(侯永茂等， 2009)。

3.4 設(shè)計計算與工程實測

圍堰采用Abaqus有限元進行計算，土體采用修正的劍橋模型本構(gòu)，一般位置的標準斷面，考慮加固土體作用的土體最大變形為1.269 m( 圖 13)，外排樁計算最大變形1.137 m，內(nèi)排樁計算最大變形0.982 m。計算最大值較實測值略大1.7%～3.4%(侯永茂等， 2009)。計算變形曲線較實測變形曲線彎曲變形偏小，傾斜變形偏大，計算偏于安全。

圖 13 土體變形云圖(開挖到底，單位： m)Fig. 13 Horizontal deformation of soil(unit: m)

本文另搜集了該圍堰更多的測斜監(jiān)測數(shù)據(jù)，點位布置和實測值分別見 圖 14、 圖 15。其中QX3～QX6( 圖 15a～圖15d)布置于外排樁，QX9和QX12( 圖 15e～ 圖15f)布置于內(nèi)排樁。QX4位于圍堰長軸中部計算變形較大，最大約2.15 m。QX5位于4#塢塢口，開挖深度較大，且朝向波浪荷載控制方向，開挖期間的最大變形約1.8 m。另外，從水文看，波浪主方向為SE(南東)方向，QX5和QX6從平面布置上受波浪荷載影響大，但由于QX6布置在轉(zhuǎn)角處，受到轉(zhuǎn)角鋼板樁約束，變形較QX5明顯減小。內(nèi)排樁QX12位于3#塢口，QX9位于轉(zhuǎn)角處，同樣地，由于受到轉(zhuǎn)角鋼板樁的限制，QX9較QX12變形明顯減小。對比位于同一斷面的3#塢塢口附近的QX3和QX12，可見，外排樁變形較內(nèi)排樁大。

圖 14 中船長興3#、4#船塢圍堰深層位移測斜管點位圖Fig. 14 The location of deep displacement inclinometer for Changxing cofferdam

圖 15 鋼板樁實測變形Fig. 15 Measured deformation of steel sheet pile

3.5 軟土地基案例總結(jié)

長興3#、4#船塢工程位于深厚軟土地基上，雙排鋼板樁在該工程中得到了成功應(yīng)用，該項目擋土擋水高度、圍堰軸線跨度之大都達到了當(dāng)時世界工程設(shè)計之最，難度非常大。盡管圍堰內(nèi)側(cè)做了大量攪拌樁加固，兩塢口附近鋼板樁最大變形仍然達到了2.0 m左右，按照極端高水位+ 5.79 m計算，約為最大擋水高度的9.36%～12.19%。遠超出了《船廠水工構(gòu)筑物工程鋼板樁技術(shù)規(guī)范》(中華人民共和國國家標準編寫組， 2017)建議控制的最大擋水高度的5%。采取了雙排鋼板樁每隔一定距離增加一個橫向隔倉的方式提升空間效應(yīng)，控制整體變形(李小軍等，2009)。

該項目的成功應(yīng)用也突破了我們對雙排鋼板樁的認識，在滲透系數(shù)相對較低的軟土地層中，盡管雙排鋼板樁圍堰變形非常大，但圍堰整體仍然是穩(wěn)定的，這與砂性地層和巖性地層有著明顯區(qū)別。也就是說軟土地基中的雙排鋼板樁柔性體系發(fā)揮得更充分。該項目也給了我們重要啟示，就是在軟土地基中采用雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當(dāng)預(yù)留柔性變形的空間，適度放松變形控制指標。

4 討 論

本文通過調(diào)查研究以及案例分析，總結(jié)了雙排鋼板樁在海岸帶特殊地質(zhì)條件下的適用性。得到以下認識：

(1)海岸帶工程由于其擋土、擋水、止水的要求較一般陸地工程更高，又受到波浪周期性荷載的長期作用，同時，可能遭受多個臺風(fēng)期的海洋災(zāi)害影響，通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，海岸工程中采用鋼板樁作為水工建筑物的主體較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土重力式結(jié)構(gòu)形式韌性更好，施工便捷，工期短，造價省。

(2)大量的研究和實踐表明，鋼板樁在巖層、砂性地層、淤泥地層中均有應(yīng)用。除了能夠用于常規(guī)的巖性地層、砂性地層、黏性地層，本文搜集了海岸帶船塢雙排鋼板樁在3種特殊地層中應(yīng)用的典型案例，分別是巖溶發(fā)育的巖性地基、高透水的砂性地基以及深厚軟土地基。在特殊土層中施工困難或無法施工的問題大都可以通過施工技術(shù)的優(yōu)化來解決，針對巖性，砂性，淤泥3種特殊地層存在的問題和解決方案如下：

①在一般巖性地基中，直接打入鋼板樁的方式容易造成樁身垂直度差，進而導(dǎo)致鎖口止水性能劣化，而且打入深度難以控制。通過采取先在基巖上用沖擊鉆沖出溝槽，再置入鋼板樁的方式可以很好地控制樁身垂直度，同時樁端需要實施混凝土封底，以保證樁端嵌固。

對于特殊巖性地基，鋼板樁也能夠適用，但存在諸多限制條件。例如本文所述的案例1，為巖溶發(fā)育的巖性地基，一般應(yīng)通過增加雙排樁的寬度，盡量減小樁身長度，但遇巖面較高時仍然需要破除部分巖面嵌巖。不論是否嵌巖，在巖溶發(fā)育的地層中，應(yīng)重視工程地質(zhì)勘察的可靠性，在施工中再次實時勘察，充分預(yù)判和及時發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r地層的連通性，預(yù)先設(shè)計樁端注漿等防止?jié)B漏的措施。此外，在巖溶發(fā)育的地層中，不宜盲目采用鋼板樁或任何形式的樁基，首先應(yīng)充分從工程規(guī)模、地質(zhì)條件、工期等多因素論證不同工法的可行性，對于巖溶發(fā)育的特殊巖性地層，工法的選擇比鋼板樁的適用性更為重要。

②鋼板樁大范圍穿越砂性地基時，松散砂往往滲透性高，對鋼板樁的止水性能是巨大的考驗，除了鎖口止水，還應(yīng)控制樁身垂直度和變形，同時采用油膏類柔性止水材料嵌縫，避免流砂； 密砂中打入鋼板樁往往遇到鋼板樁鎖口摩擦力過大，宜選擇鎖口較松的樁型，必要時采取水沖的方式，邊沖邊打入。

③鋼板樁在深厚軟土地基中適用性較高，經(jīng)濟性較好，無論是打入樁施工還是樁身止水性能都能夠得到較好的保證。唯一的不足是樁身變形大，應(yīng)將圍堰設(shè)在離開挖范圍較遠的地方，預(yù)留充分變形的空間，同時，應(yīng)考慮內(nèi)側(cè)坑底加固以避免踢腳穩(wěn)定性破壞。

(3)通過雙排鋼板樁在不同地層中的設(shè)計計算以及工程實測的對比發(fā)現(xiàn)：在巖性地層中的變形最小，砂性地層次之，軟土地基最大； 但同時，在3種地層中變形的控制指標也應(yīng)區(qū)別對待，應(yīng)當(dāng)是巖性地基最小，砂性地基次之，軟土地基最大?，F(xiàn)有規(guī)范中未區(qū)分地層，采用統(tǒng)一變形監(jiān)測指標進行控制，不盡合理。

5 結(jié) 論

本文重點搜集和調(diào)查了國內(nèi)外海岸帶工程中使用雙排鋼板樁的工程案例，分別針對巖溶發(fā)育的巖性地基，高滲透性的砂性地基和深厚淤泥質(zhì)軟土地基對雙排鋼板樁的性能影響和設(shè)計約束進行分析，得到如下結(jié)論：

(1)海岸工程中采用鋼板樁作為擋土止水結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土重力式結(jié)構(gòu)形式抗變形能力更強、韌性更好、施工便捷、工期短。

(2)在巖溶發(fā)育地層施工雙排鋼板樁容易造成樁身垂直度差，進而導(dǎo)致鎖口止水性能劣化，而且打入深度難以控制。通過采取先在基巖上用沖擊鉆沖出溝槽，再置入鋼板樁的方式可以很好地控制樁身垂直度。需要充分勘查巖溶地層的連通性，預(yù)先設(shè)計樁端注漿等防止?jié)B漏的措施。

(3)鋼板樁大范圍穿越砂性地基時，松散砂往往滲透性高，對鋼板樁的止水性能是巨大的考驗，除了鎖口止水，還應(yīng)控制樁身垂直度和變形，同時采用油膏類柔性止水材料嵌縫，避免流砂。

(4)鋼板樁在深厚軟土地基中適用性較高，經(jīng)濟性較好，無論是打入樁施工還是樁身止水性能都能夠得到較好的保證。唯一的不足是圍堰變形大，應(yīng)將圍堰設(shè)在離開挖范圍較遠的地方，預(yù)留充分變形的空間，同時，應(yīng)考慮內(nèi)側(cè)坑底加固以避免踢腳穩(wěn)定性破壞。