熊昊翔

（深中通道管理中心，廣東 中山 528400）

0 引言

圍堰形式由前期較為傳統(tǒng)的木樁圍堰、土方圍堰、拋石圍堰逐步發(fā)展為鋼結(jié)構(gòu)圍堰[1]。其中，又以鋼板樁圍堰在實(shí)際工程中應(yīng)用較多[2-4]。相比于傳統(tǒng)圍堰，鋼板樁圍堰具有施工速度較快、容許變形能力大、占用水域面積小、對生態(tài)環(huán)境影響及破壞弱等優(yōu)勢[5-7]。近年來，隨著基坑深度及圍堰規(guī)模的增加，單排鋼板樁圍堰頂部水平位移大、抗彎能力差的缺點(diǎn)進(jìn)一步凸顯[8]，此時(shí)雙排鋼板樁便應(yīng)運(yùn)而生，應(yīng)用也越來越普遍。由于雙排鋼板樁受力情況復(fù)雜，目前國內(nèi)外對其研究主要集中在穩(wěn)定性分析方面[9-10]，而針對鋼板樁施工過程中的工序安排、精度控制、合龍方法等關(guān)鍵技術(shù)的探討較少，在濱海地區(qū)進(jìn)行雙排長懸臂鋼板樁的施工研究則更為鮮見[11]。

深中通道采用在主線設(shè)置堰筑段的方式，解決了鋼殼沉管隧道與東人工島主線隧道（含匝道）變寬段對接問題[12]。本文以深中通道堰筑段圍堰施工實(shí)例為依托，結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對在近岸區(qū)域雙排寬幅鋼板樁施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)，以期對類似施工環(huán)境下擬采用類似方案的工程設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況及周邊環(huán)境

深中通道主線堰筑段位于深圳寶安機(jī)場南側(cè)約2 km 處，緊鄰福永碼頭[13]。東側(cè)與深中通道東人工島相接，西端與沉管隧道對接，如圖1 所示。

圖1 臨時(shí)圍堰平面布置圖Fig.1 Layout plan of temporary cofferdam

堰筑段圍堰采用雙排鋼板樁圍堰方案，圍堰軸線長度約1.39 km，為施工臨時(shí)建筑物，等級5 級，里程樁號K6+511.5—K7+072。雙排鋼板樁間距10 m，采用鋼拉桿（+2.0 m）連接，堰體內(nèi)側(cè)鋼板樁標(biāo)頂高+3.00 m，外側(cè)鋼板樁頂標(biāo)高+6.00 m，樁長27～35 m。鋼板樁型號為冷彎U 型750 mm×225 mm×14.5 mm 鋼板樁，鋼材為Q390BZ。

堰體下方存在大量的淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。堰體內(nèi)自海床面以下≥8 m 范圍內(nèi)分層清除表層淤泥、換填中粗砂，并用機(jī)械振密。圍堰外側(cè)采用拋石保護(hù)，圍堰內(nèi)側(cè)≥6 m 范圍內(nèi)分層換填中粗砂。原設(shè)計(jì)典型橫斷面圖如圖2 所示。

圖2 臨時(shí)圍堰原設(shè)計(jì)典型橫斷面圖Fig.2 Typical cross section of the original design of temporary cofferdam

1.2 水文地質(zhì)條件

本工程場地地質(zhì)和水文條件復(fù)雜，工程左右線土層分布不均，巖面起伏較大[14]。地表水主要為海水，位于珠江入?？冢c外海聯(lián)通，海水深度受潮汐影響較大，設(shè)計(jì)高潮位（+2.85 m）與低潮位（-1.28 m）水位差超過4 m。場區(qū)海水退潮到漲潮的時(shí)間間歇較短，約1 h，漲潮與退潮持續(xù)時(shí)間相對較長，約為4～5 h。鋼板樁打設(shè)區(qū)域海床面-3～-5 m，由上至下依次為淤泥（-4～-10 m）、黏土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（-10～-18m）、殘積粉質(zhì)黏土（-18～-21 m）、全風(fēng)化花崗巖（-21～-25 m）、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（-25～-38 m）。

1.3 工程制約條件及難點(diǎn)

1.3.1寬幅超長懸臂精度控制

本項(xiàng)目鋼板樁幅寬75 cm，相比傳統(tǒng)的鋼板樁（45 cm）寬度增加了66.7%，設(shè)計(jì)樁長27～35 m，插入原狀海床面（-3～-5 m）以下12～17 m，懸臂長度15～18 m。寬幅、長懸臂特征導(dǎo)致打設(shè)過程中產(chǎn)生縱向偏移后采用傳統(tǒng)方式修正較難。此外，導(dǎo)向架拆除后、堰體填筑前鋼板樁超長懸臂在外海環(huán)境下隨波浪擺動(dòng)較大。

1.3.2機(jī)場航空限高及近岸水深限制

由于東人工島毗鄰深圳寶安國際機(jī)場，受機(jī)場航線及飛機(jī)起降的影響，施工允許最大高度為35 m。同時(shí)，受近岸水深（1～5 m）限制，如采用大噸位級船舶施工需專門疏浚航道，代價(jià)過大。不得不放棄需使用大型、超大型設(shè)備的工藝。

1.3.3毗鄰運(yùn)營碼頭

福永碼頭島壁基本平行于堰筑段北側(cè)堰體，直線間距最近約50 m，最遠(yuǎn)約75 m。高速客輪航線與堰筑段北側(cè)堰體平行，船行波對鋼板樁打樁船穩(wěn)定性、鋼板樁打設(shè)精度會產(chǎn)生影響。

2 施工工藝及設(shè)備

2.1 工藝流程

本項(xiàng)目鋼板樁以施工船舶作為工作平臺，打設(shè)流程與傳統(tǒng)方式類似，見圖3。

圖3 鋼板樁施工流程圖Fig.3 Construction flow chart of steel sheet pile

2.2 設(shè)備配備及終錘原則

2.2.1鋼板樁吊運(yùn)

根據(jù)工期計(jì)劃要求，配備3 艘作業(yè)母船，分3 個(gè)工作面同步組織施工，每艘母船上配備1 臺130 t 履帶吊進(jìn)行鋼板樁吊運(yùn)。

2.2.2鋼板樁插打

根據(jù)工作面地質(zhì)情況，為滿足鋼板樁插打及工期需求，3 艘作業(yè)母船分別配置90 kW 電動(dòng)振動(dòng)錘、120 kW 電動(dòng)振動(dòng)錘+機(jī)械手、135 kW 電動(dòng)振動(dòng)錘+機(jī)械手。

2.2.3終錘原則

原設(shè)計(jì)要求鋼板樁沉樁以樁尖設(shè)計(jì)高程作為主要控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)場出現(xiàn)的樁間插打出現(xiàn)火花、鋼板樁上部發(fā)生輕微撓曲等實(shí)際情況，補(bǔ)充終錘。補(bǔ)充終錘的原則為：持續(xù)振動(dòng)30 s 樁尖深度無變化時(shí)停止施工，如距離設(shè)計(jì)高程小于2 m，直接割除；大于2 m，各方現(xiàn)場復(fù)核后再作決策。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工工序

3.1.1原施工工序

原設(shè)計(jì)中對圍堰主要施工工序明確如下：表層清淤→打設(shè)雙排鋼板樁→分層同步拋填迎水側(cè)塊石、換填堰體內(nèi)及圍堰內(nèi)中粗砂→施工反壓土坡→安裝鋼拉桿。

3.1.2調(diào)整后施工工序

為滿足特殊氣象條件下施工安全的需求，對圍堰設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了調(diào)整。主要調(diào)整內(nèi)容為：

1）堰體外側(cè)拋石調(diào)整為回填中粗砂后拋填塊石，塊石厚度為1 m；

2）堰體內(nèi)側(cè)壓腳塊石采用中粗砂替代；

3）土工膜鋪設(shè)的位置由清淤面～+3 m 調(diào)整為原海床面～+3 m。調(diào)整后堰體典型橫斷面如圖4所示。

圖4 臨時(shí)圍堰調(diào)整后典型橫斷面圖Fig.4 Typical cross section of temporary cofferdam after adjustment

同時(shí)，對施工工序進(jìn)行了細(xì)化和調(diào)整。具體調(diào)整為：

表層清淤→換填中粗砂至原海床面→打設(shè)雙排鋼板樁→外排鋼板樁外側(cè)砂肋軟體排、袋裝碎石和袋裝土護(hù)頂、200～300 kg 塊石拋填及內(nèi)外排鋼板樁之間土工膜鋪設(shè)→安裝鋼拉桿→同步分層回填堰體內(nèi)中粗砂至標(biāo)高-2.0～+1.0 m→根據(jù)土層情況，加固堰體下方軟弱下臥層→回填堰體至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.2 鋼板樁糾偏

3.2.1測量定位

采用RTK-GPS 定位系統(tǒng)，在鋼板樁打設(shè)前測定導(dǎo)向架位置；在鋼板樁打設(shè)過程中，根據(jù)測量控制點(diǎn)坐標(biāo)，將控制點(diǎn)引測至鋼板樁縱向軸線附近福永碼頭上，在福永碼頭控制點(diǎn)設(shè)置全站儀，采用前方交會，用全站儀十字絲測量樁的垂直度。

3.2.2橫向糾偏

橫向偏差主要是由測量誤差以及鋼板樁入水后樁尖偏離原定位置所導(dǎo)致。在本項(xiàng)目中，采用在鋼板樁軸線上設(shè)置導(dǎo)向架的方式對鋼板樁進(jìn)行橫向糾偏。

導(dǎo)向架立柱樁采用4 根長24 m，直徑609 mm、壁厚12 mm 的鋼管，打入土層約8 m；導(dǎo)向架采用[ 400、長12 m 型鋼，在母船甲板加工廠制作、組裝成整體，兩側(cè)橫梁與鋼管立柱采用焊接方式連接。

導(dǎo)向架安裝示意圖如圖5 所示。

圖5 導(dǎo)向架安裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of guide frame installation

3.2.3縱向糾偏

逐根打設(shè)時(shí)，以第一根鋼板樁為垂直導(dǎo)向。由于鋼板樁為單側(cè)受力，一側(cè)存在摩擦，一側(cè)無約束，兩側(cè)受力不均易導(dǎo)致鋼板樁向無約束側(cè)傾斜。因此，用鋼筋將已插打鋼板樁上部懸臂區(qū)焊接成一個(gè)整體，防止鋼板樁鎖扣部位松脫。同時(shí)，往一個(gè)方向施工一段時(shí)間后，采取反方向新開工作面施工，以對整體垂直度進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)鋼板樁沿圍堰軸線方向產(chǎn)生過大傾斜時(shí)，通常采用楔形板樁進(jìn)行調(diào)整，傳統(tǒng)方案如下：

方案一：采用2 根鋼板樁，將鋼板樁一側(cè)翼板割除，割除后鋼板樁重新搭接焊，一端搭接多一端搭接少，重新焊接鋼板樁為上小下大。鋼板樁內(nèi)、外側(cè)采用角焊縫滿焊。

方案二：采用2 根鋼板樁，將鋼板樁一側(cè)翼板割除并在凸面加焊厚1.5 cm 的梯形鋼板，焊接成上小下大的鋼板樁。

本項(xiàng)目鋼板樁長度超過27 m、幅寬75 cm，采用傳統(tǒng)糾偏方式存在角度難以精確預(yù)加工、橫向焊縫易拉裂等難題。創(chuàng)新性地采取方案三“鎖口鋼管樁+水下不擴(kuò)散混凝土”的方式（圖6）進(jìn)行縱向糾偏。即采用直徑630 mm、壁厚10 mm 的鋼管樁，一側(cè)開口一側(cè)焊接半邊鋼板樁，將傾斜鋼板樁包入鋼管樁內(nèi)，鋼管樁內(nèi)自樁頂至原海床面澆筑水下不擴(kuò)散混凝土，鋼管樁外采用縱向鋼搭板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)連接，自海床面至樁底在堰體形成后施作止水措施，以形成有效咬合確保結(jié)構(gòu)整體受力及止水。

圖6 異形樁施工圖Fig.6 Construction drawing of special-shaped pile

3.3 合龍方案

相比于內(nèi)湖施工，濱海環(huán)境水位直接受漲落潮影響，在特殊天氣條件下，考慮浪高時(shí)項(xiàng)目所在地日內(nèi)水位差超過6 m。同時(shí)，堰體鋼板樁長懸臂直接為臨水狀態(tài)，無法采用傳統(tǒng)的“鋼板樁縱向搭接+旋噴止水”方案。因而，對合龍時(shí)機(jī)及合龍方案的選擇均提出了較高的要求。

3.3.1合龍時(shí)機(jī)選擇

根據(jù)水文觀測情況，落潮到漲潮間隔時(shí)間短，漲潮到落潮間隔時(shí)間相對較長，為減少因水位變化帶來的瞬時(shí)壓力差而引起樁頂水平位移，在鋼板樁打設(shè)至合龍口后，結(jié)合海洋氣象預(yù)報(bào)信息，選擇漲潮到落潮的時(shí)間區(qū)間進(jìn)行合龍鋼板樁施工。同時(shí)，考慮堰體設(shè)計(jì)為鋼板樁外高內(nèi)低+內(nèi)側(cè)設(shè)反壓土坡的形式，為避免合龍后因退潮導(dǎo)致堰內(nèi)水位高于堰外，對鋼板樁堰體產(chǎn)生側(cè)向壓力，最后合龍時(shí)機(jī)原則上選擇低潮位進(jìn)行合龍?zhí)庝摪鍢斗饪凇?/p>

3.3.2合龍具體操作

在封口鋼板樁打設(shè)時(shí)，鋼板樁兩側(cè)鎖口有平行、不平行等多種情況，需采取針對性措施。

1）合龍口兩側(cè)鋼板樁軸線及接口均平行時(shí)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)預(yù)判鋼板樁最后合龍時(shí)的狀態(tài)，通過測量合龍口長短的方式?jīng)Q定封口鋼板樁的寬度。

2）鋼板樁懸臂較長，在風(fēng)浪作用下出現(xiàn)兩側(cè)接口輕微不平行的狀況，此時(shí)需通過外力使鋼板樁小角度偏轉(zhuǎn)，促使兩側(cè)鋼板樁平行后進(jìn)行合龍。

3）若鋼板樁軸線及接口均不平行，同時(shí)又存在縱向傾斜的情況時(shí)，采用異形鋼管樁（方案三）進(jìn)行合龍。

3.4 監(jiān)控量測

3.4.1測量方案

受限于近岸水上作業(yè)，鋼板樁軸線偏差測量以人工手持RTK 沿鋼圍檁走道板進(jìn)行測量。

鋼板樁水平位移過程變形采用在鋼板樁頂板安裝小棱鏡等措施進(jìn)行測量。測點(diǎn)布設(shè)水平間距約為20 m，部分區(qū)域測點(diǎn)加密至約10 m。主要對鋼板樁頂部位移進(jìn)行測量。

3.4.2測量數(shù)據(jù)

測量數(shù)據(jù)反映出鋼板樁打設(shè)過程在導(dǎo)向架控制下，實(shí)測軸線與設(shè)計(jì)軸線偏差基本控制在10 cm 以內(nèi)。但在合龍口、堰體成型過程中及臺風(fēng)前后，鋼板樁長懸臂受潮水變化、回填順序及軟弱地層影響明顯，樁頂出現(xiàn)較大的水平位移。

1）合龍口監(jiān)測數(shù)據(jù)。受圍堰封閉時(shí)內(nèi)外海水落差、合龍時(shí)吸力及合龍口自由端擺動(dòng)影響，合龍口附近鋼板樁在合龍后呈現(xiàn)樁頂明顯向堰內(nèi)傾斜的特征。其中內(nèi)排鋼板樁頂部向內(nèi)傾斜最大位移約56 cm，外排鋼板樁頂部向內(nèi)傾斜最大位移超過1 m，此后基本穩(wěn)定保持該傾斜狀態(tài)。

2）堰體形成期間監(jiān)測數(shù)據(jù)。自鋼板樁打設(shè)完成至圍堰外側(cè)反壓、雙排鋼板樁間填砂完成，該階段絕大部分區(qū)域鋼板樁頂部位移小于10 cm，但局部淤泥層較厚且未進(jìn)行完全清淤的地層軟弱區(qū)域鋼板樁變形較為明顯，鋼板樁頂部水平位移最大達(dá)到45 cm。

3） 臺風(fēng)前后變形數(shù)據(jù)。在鋼板樁實(shí)施過程中，臺風(fēng)“山竹”（14 級）對施工區(qū)域造成直接影響，臺風(fēng)登陸前，鋼板樁完成約70%，且受海砂供應(yīng)及工序制約，部分區(qū)域未形成完整堰體。臺風(fēng)前，已完成鋼板樁與設(shè)計(jì)軸線偏差在10 cm 以內(nèi)；臺風(fēng)后，未形成堰體區(qū)域在風(fēng)浪流等多重因素影響下，鋼板樁長懸臂端出現(xiàn)撓曲，頂部最大位移超過1 m。

4 結(jié)語

深中通道堰筑段采用雙排寬幅、長懸臂鋼板樁圍堰筑島，采取一系列技術(shù)措施解決了精度控制、縱橫向糾偏、合龍等技術(shù)難題，對施工工序進(jìn)行了優(yōu)化及總結(jié)，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，可知：

1）雙排鋼板樁堰體容許變形能力強(qiáng)，在濱海區(qū)域鋼板樁圍堰受潮位及風(fēng)浪影響顯著，施工運(yùn)營周期長時(shí)需重點(diǎn)考慮臺風(fēng)等不利氣象因素并采取針對性措施，如在堰體中增設(shè)橫向隔斷形成子圍堰或采用剛度更大的臨時(shí)圍堰方案，如鋼管樁圍堰。

2）采用“清淤后先回填砂再打設(shè)鋼板樁”方案替代“清淤后直接打設(shè)鋼板樁”，減小了鋼板樁自由端長度，較好地控制水平位移。因此，建議在后續(xù)采用類似工法的工程中優(yōu)先選用“先填筑后打樁”的施工方案。同時(shí)，堰體回填過程受多種因素影響，局部仍發(fā)生了較大的初始水平位移，原則上應(yīng)對下臥淤泥完全清除。

3）鋼管樁糾偏異型樁，可有效解決鋼板樁傾斜及合龍問題，保證鋼板樁垂直度的同時(shí)避免鎖扣出現(xiàn)撕裂情況。

4）合龍口鋼板樁易受圍堰封閉時(shí)潮水吸力、內(nèi)外海水落差及合龍口自由端擺動(dòng)影響，產(chǎn)生較大的位移，合龍時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在潮位變化平緩的時(shí)段。