張 軼, 楊光輝, 鐘鏵煒, 陳臺(tái)禮, 陳睿杰

(1 上海城建市政集團(tuán)有限公司，上海 200065；2 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；3 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

0 概述

越江海隧道的常用施工方法一般有盾構(gòu)法[1]與沉管法[2]以及礦山法等,其中盾構(gòu)法在國內(nèi)外跨江、跨海隧道中最為常用。作為全機(jī)械化的施工方法,盾構(gòu)法在中長距離隧道工程中具有較大優(yōu)勢(shì),但是由于其造價(jià)、設(shè)備復(fù)雜性及管片結(jié)構(gòu)的特殊性,在越江隧道的建設(shè)中也會(huì)遇到諸多施工問題與風(fēng)險(xiǎn)[3]。沉管隧道雖在國內(nèi)起步較晚,但由于其具有結(jié)構(gòu)與防水質(zhì)量高、施工速度快及土建工程量小等優(yōu)勢(shì),近十年在國內(nèi)得到了較大發(fā)展;其應(yīng)用主要受限于海床(河床)回淤、潮汐等不利因素[4]。礦山法因其經(jīng)濟(jì)實(shí)用在國內(nèi)仍有廣大應(yīng)用市場(chǎng)[5],但一般只適用于堅(jiān)硬土層或巖石地層。隨著目前國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)向內(nèi)陸廣大區(qū)域的延伸與擴(kuò)展,出現(xiàn)了較多對(duì)航道要求不高的跨越河流湖泊的隧道工程,此時(shí)若采用盾構(gòu)法或沉管法進(jìn)行施工,時(shí)間和成本都較高,則圍堰明挖法成為一個(gè)重要選擇。

圍堰明挖法在過去幾年里被廣泛用于水下隧道的建設(shè)中,如武漢東湖通道[6]、珠海橫琴島澳門大學(xué)海底隧道[7]、太湖隧道[8]以及金雞湖隧道[9]等,這些隧道主要建設(shè)在內(nèi)陸湖泊等靜水環(huán)境。而在江河海等動(dòng)水環(huán)境下的應(yīng)用還較少,相關(guān)設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)不足,尤其動(dòng)水條件及基坑開挖卸荷作用下圍堰的變形與穩(wěn)定性,會(huì)構(gòu)成工程重要施工風(fēng)險(xiǎn)[10]。因此,本文將以海南省?？谖拿鳀|越江通道工程為背景,結(jié)合其一期圍堰明挖法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究基坑開挖過程中鋼板樁圍堰及基坑的變形特性,提出設(shè)計(jì)及施工合理化建議。

1 工程概況

1.1 整體概況

?？谖拿鳀|越江通道項(xiàng)目西起文明東路白龍路交叉口,沿文明東路往東走行,在美苑路以西約300m及以東約350m處設(shè)置敞開段,然后下穿濱江西路、南渡江至江東新區(qū)東橫二路,終點(diǎn)位于東橫二路瓊山大道交叉口。項(xiàng)目全長4380m,其中隧道段全長2720m,接線道路全長1660m,江中段約1000m。此項(xiàng)目建設(shè)過程中工期尤其緊張,開工時(shí)間為2019年3月,2020年完成隧道主體建設(shè),并在2020年8月20日完成通車。工期內(nèi)經(jīng)歷?？诒┯甓喟l(fā)季節(jié),另外由于南渡江多發(fā)風(fēng)暴潮,兩者的共同作用可能導(dǎo)致迅猛的洪水[11],給施工帶來額外風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過多種隧道施工方案的比選[3],最終決定采用圍堰明挖法施工隧道江中段,并按照防洪要求分為如圖1所示兩期施工。

圖1 圍堰施工平面布置圖/m

1.2 施工方法

?？谖拿鳀|越江通道圍堰工程采用膜袋混凝土結(jié)合鋼板樁的方法施工組合圍堰,利用膜袋不透水的性能,在膜袋內(nèi)吹砂充泥后形成堰體擋水帶。因其具有一定的自重,自然沉降穩(wěn)定后能與河道緊密貼合,形成穩(wěn)定的擋水堰體,為鋼板樁施工提供作業(yè)環(huán)境;利用履帶吊配合振動(dòng)錘或機(jī)械手兩種方式打設(shè)鋼板樁,其中樁長≤18m鋼板樁采用履帶吊配合機(jī)械手插打方式,樁長>18m鋼板樁采用履帶吊配合振動(dòng)錘插打方式。在充泥管袋形成的堰體上進(jìn)行施工,形成內(nèi)外雙層鋼板樁圍堰阻水構(gòu)筑物;利用充泥管袋堰體作為便道,進(jìn)行膜袋混凝土施工,在充泥管袋內(nèi)側(cè)鋪設(shè)一層膜袋混凝土護(hù)坡,至此充泥管袋-膜袋混凝土與鋼板樁形成完整的圍堰結(jié)構(gòu)。

圍堰施工流程圖如圖2所示,完成鋼板樁的插打后,形成了圖1(a)所示封閉的施工平臺(tái),抽除堰體內(nèi)的水后,繼續(xù)開展基坑的開挖與后續(xù)隧道結(jié)構(gòu)的施工。

圖2 圍堰施工流程圖

圖3為一期圍堰施工鳥瞰圖,圖中所處施工階段為圍堰及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成,尚未進(jìn)行首層土開挖;顯然通過前期的處理已經(jīng)在水上形成了較好的施工平臺(tái),便于后期基坑開挖與隧道施工。

圖3 一期圍堰施工鳥瞰圖

圖4為組合圍堰的橫截面形式,該圍堰為充泥管袋結(jié)合鋼板樁圍堰,其特點(diǎn)為在鋼板樁內(nèi)部施工防滲土工膜等防滲水措施。

圖4 典型圍堰橫截面

1.3 南渡江水文概況

(1) 暴雨特征

南渡江流域的暴雨常發(fā)生在4-11月,個(gè)別年份在3月或12月曾發(fā)生暴雨,較集中的發(fā)生時(shí)間為5-10月。一次降雨過程3d左右,最長可達(dá)13d,其中暴雨歷時(shí)1～3d,最長5d。本工程工期內(nèi)歷經(jīng)南渡江暴雨期,由于圍堰為閉合結(jié)構(gòu),頻繁降雨不但影響江水水位,還可能導(dǎo)致圍堰內(nèi)積水,基坑施工過程中需要采用強(qiáng)降水措施。

(2) 潮汐

1)天文潮。南渡江河口段受潮汐影響,潮汐類型為混合潮。根據(jù)?？谡?952-1997年潮位資料統(tǒng)計(jì),?？谡径嗄昶骄罡叱蔽?.00m,多年平均最低潮位-0.68m。海口站實(shí)測(cè)最高潮位3.28m,實(shí)測(cè)最低潮位-0.99m。非洪水期,潮流界可上行至鐵橋,潮區(qū)界可達(dá)更遠(yuǎn)些;洪水期潮流界和潮區(qū)界都有所下移,河口落潮淡水或沖淡水可擴(kuò)散至口外10～15m水深海域。

2)風(fēng)暴潮。南渡江河口是風(fēng)暴潮的多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū),一年四季都可能發(fā)生,但由熱帶風(fēng)暴或臺(tái)風(fēng)引發(fā)的風(fēng)暴潮增水高,危害大,由強(qiáng)風(fēng)引發(fā)的風(fēng)暴潮較弱,一般不在海岸或河口成災(zāi)。南渡江地區(qū)臺(tái)風(fēng)增水一般1.0m高,最大3.0m高以下,實(shí)測(cè)最大增水2.49m高。1948年以來,南渡江河口地區(qū)發(fā)生3.0m高以上的風(fēng)暴潮三次。海口潮位站實(shí)測(cè)資料表明,1948年9月27日潮位最高,為3.28m;1963年9月7日次之,為3.18m;1980年7月22日第三,為3.11m。

綜合來看,暴雨和潮汐的作用會(huì)導(dǎo)致南渡江水位的上升,并且潮汐的作用可能對(duì)鋼板樁圍堰產(chǎn)生動(dòng)水壓力,影響鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性,進(jìn)而影響內(nèi)部基坑開挖和隧道施工的安全,所以設(shè)計(jì)中必須考慮水文因素對(duì)水上圍堰明挖法施工的影響。

1.4 圍堰區(qū)域地質(zhì)情況

場(chǎng)地區(qū)域主要有兩種特殊性巖土和普通巖土,特殊性巖土為填土和軟土,普通巖土包括砂土與黏土。

(1) 人工填土

場(chǎng)區(qū)的填土主要有①2素填土和①5填砂。填土層具有強(qiáng)度低、不均勻性大等特點(diǎn),廣泛分布于陸域連接江邊的岸堤區(qū)域,揭示厚度較小。

(2) 軟土

場(chǎng)區(qū)的軟土主要為②1淤泥和②2淤泥質(zhì)土,上述兩層軟土廣泛分布于勘察區(qū),揭示厚度較大,具有含水量高、強(qiáng)度低、壓縮性高的工程特征。

(3) 一般土層

場(chǎng)地的普通巖土主要包括砂土、黏土以及③4碎石,砂土主要為②4粉細(xì)砂、②5中砂、③1中砂以及③2粉細(xì)砂,砂層散落地分布于地層中;黏土主要為②3黏土、③3黏土以及④1～④3粉質(zhì)黏土,其中④1～④3粉質(zhì)黏土廣泛分布于深層地層中。

(4) 巖土層縱斷面分布

圖5為圍堰所處地層的縱斷面巖土層分布情況。根據(jù)鋼板樁圍堰的嵌固深度,北側(cè)的鋼板樁大部分深入至③1中砂和④1粉質(zhì)黏土,部分位于③2粉細(xì)砂;南側(cè)的鋼板樁大部分嵌固于③1中砂和④1粉質(zhì)黏土,部分位于③2粉細(xì)砂和③4碎石。

圖5 圍堰典型巖土層縱斷面分布及鉆孔點(diǎn)平面布置

(5) 主要地層物理力學(xué)性質(zhì)

綜合巖土的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及原位測(cè)試成果,圍堰區(qū)域砂土層主要物理力學(xué)指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)值見表1。圍堰區(qū)域黏土層主要物理力學(xué)指標(biāo)推薦值見表2。

表1 圍堰區(qū)域砂土層主要物理力學(xué)指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)值

表2 圍堰區(qū)域黏土層主要物理力學(xué)指標(biāo)推薦值

1.5 施工過程中的防水措施及效果

(1) 結(jié)構(gòu)措施

如圖4所示的典型圍堰橫截面,本工程總體上采用鋼板樁圍堰防水,結(jié)合充泥管袋以及膜袋混凝土用以加強(qiáng)整體穩(wěn)定性,并在鋼板樁圍堰內(nèi)側(cè)布置防滲土工膜及反濾土工布用以增強(qiáng)圍堰的防滲漏效果,在施工過程中未發(fā)現(xiàn)鋼板樁滲漏,總體上隔絕了江水向施工區(qū)域的流動(dòng)。

(2) 降排水措施

鋼板樁圍堰打設(shè)完成并待堰體沉降完成后,需通過排水泵將施工區(qū)域的水抽至江水中,確保施工區(qū)域內(nèi)能夠讓施工車輛運(yùn)行。

施工區(qū)域準(zhǔn)備完畢后,在基坑區(qū)域內(nèi)按照設(shè)計(jì)要求布置降水井,在進(jìn)行基坑開挖前需將地下水位降至每層基坑下約0.5m,施工過程中未出現(xiàn)基坑測(cè)斜過大或踢腳等表征過度滲流情況,整體上較好地阻擋了滲流。

2 基坑開挖過程中圍堰及基坑受力變形分析

2.1 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)說明

針對(duì)圍堰和基坑的受力變形,工程現(xiàn)場(chǎng)布置了第三方數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn),用以采集基坑施工過程中圍堰和基坑的相關(guān)變形數(shù)據(jù),由于西側(cè)圍堰大部分位于陸地,故僅研究東側(cè)圍堰。圖6為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的平面布置圖。各基坑區(qū)域的開挖起始時(shí)間見表3。

表3 各基坑區(qū)域開挖起始時(shí)間

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位平面布置圖

2.2 圍堰的水平變形與沉降分析

(1) 圍堰水平變形

圖7為基坑開挖階段(2019年7月24日基坑基本完成底板封閉)圍堰的水平變形曲線(其中正值表示向北側(cè)變形,負(fù)值表示向南側(cè)變形)。結(jié)果表明,圍堰的水平變形均向基坑側(cè);圍堰在基坑開挖的過程中產(chǎn)生了較大的變形,這是由于土體的卸荷作用,導(dǎo)致基坑周圍的土體向基坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生明顯變形,土體帶動(dòng)鋼板樁整體向基坑內(nèi)側(cè)變形;從均值上看,南側(cè)圍堰的變形量整體略大于北側(cè)圍堰(南側(cè)圍堰穩(wěn)定變形量為30～45mm,北側(cè)圍堰的穩(wěn)定變形量為15～40mm,且北側(cè)存在水平變形量在10mm內(nèi)的測(cè)點(diǎn)),由于江水由南至北入海,水流作用導(dǎo)致南側(cè)鋼板樁受到的動(dòng)水壓力可能略大于北側(cè)鋼板樁,同時(shí)鋼板樁嵌固深度所在的地層對(duì)其側(cè)向變形量也應(yīng)存在影響。

圖7 圍堰水平變形

(2) 圍堰沉降變形

基坑的開挖會(huì)導(dǎo)致圍堰體發(fā)生整體沉降,圖8為基坑開挖階段圍堰的豎向變形曲線(其中正值表示沉降,負(fù)值表示隆起)。從該圖看出,圍堰整體豎向變形特征與水平變形有相似的規(guī)律,但與水平變形相比會(huì)有較大的波動(dòng)。這是因?yàn)閲叩乃阶冃沃饕獊碓从诨觽?cè)土體變形帶動(dòng)圍堰整體側(cè)移,而豎向變形還可能與水文因素有關(guān)?；油馊斯そ邓胧┛赡軐?dǎo)致圍堰所處地層內(nèi)的土體有效應(yīng)力發(fā)生變化;而由于江水與土層間有水力聯(lián)系,海口6-7月的高頻率降雨同樣可能導(dǎo)致地層內(nèi)土體有效應(yīng)力的變化;上述兩項(xiàng)因素疊加影響基坑開挖,導(dǎo)致圍堰出現(xiàn)隆起、沉降反復(fù)變化。

圖8 圍堰豎向變形

2.3 圍堰明挖基坑的整體分析

(1) 圍堰變形與基坑變形的關(guān)聯(lián)性

選取2019年7月24日即大部分基坑完成底板封閉的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),繪制圍堰與基坑的水平變形平面分布圖,如圖9所示。從變形擬合線上看,圍堰的北側(cè)變形曲線為多折形,圍堰的南側(cè)變形曲線為類拋物線形;從穩(wěn)定性的角度分析,多折形的變形特征更容易導(dǎo)致圍堰失穩(wěn),所以需要研究圍堰水平變形的關(guān)聯(lián)性,以便在設(shè)計(jì)或施工階段采取一定的措施減小圍堰水平變形,保證圍堰整體穩(wěn)定性。

圖9 圍堰與基坑水平變形的平面分布

根據(jù)圖9所示,圍堰與基坑水平變形有較高相似性,基坑北側(cè)水平變形與圍堰北側(cè)相同,呈現(xiàn)多折形,且出現(xiàn)拐點(diǎn)的位置相近;基坑南側(cè)水平變形為拋物線形,總體變形與圍堰南側(cè)類似,較為平均。這進(jìn)一步證明基坑開挖是導(dǎo)致圍堰發(fā)生水平變形的主要因素。

(2) 典型基坑開挖斷面變形分析

為了研究同一橫斷面上基坑與圍堰變形的相關(guān)性,選取測(cè)點(diǎn)CX-11所在的橫斷面,該橫斷面涉及測(cè)點(diǎn)ZQS-4/C-4、ZQS-8/C-8、CX-11、CX-45、DB-7以及DB-24的相關(guān)變形數(shù)據(jù)。

圖10為上述橫斷面開挖至底板封閉過程中測(cè)點(diǎn)CX-11與CX-45的側(cè)向變形。由圖可知,基坑的側(cè)向變形呈現(xiàn)拋物線形,最大側(cè)向變形約為18mm,大致出現(xiàn)在淤泥質(zhì)土層中,其變形規(guī)律與一般陸地上的基坑類似。這表明:通過圍堰阻擋水流,內(nèi)部基坑開挖的變形形態(tài)與陸上施工基本一致,圍堰起到了較好的隔斷滲流的作用。

圖10 基坑測(cè)斜變形曲線

圖11為基坑開挖過程中測(cè)點(diǎn)CX-11所在橫斷面樁頂豎向變形與地表測(cè)點(diǎn)DB7-1(距離基坑邊緣7.4m)與DB7-2(距離基坑邊緣12.4m)的豎向變形,其中正值為隆起,負(fù)值為沉降。由于缺失2019年6月26日至2019年7月18日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),無法確定基坑周邊土體豎向變形的峰值;但是總體來看,樁頂?shù)呢Q向變形規(guī)律為先隆起后沉降,這是因?yàn)榛娱_挖過程中坑底發(fā)生隆起,帶動(dòng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊小部分區(qū)域發(fā)生整體向上運(yùn)動(dòng),而在底板封閉后基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生少量的沉降;測(cè)點(diǎn)DB7-1和DB7-2豎向變形則均呈現(xiàn)為先沉降后隆起的變形規(guī)律,與大部分基坑變形規(guī)律一致。

圖11 基坑周邊豎向變形

結(jié)合基坑測(cè)斜數(shù)據(jù)與地表沉降數(shù)據(jù),可得到該橫截面基坑變形與地表變形關(guān)系,如圖12所示。根據(jù)李廣信[12]的研究,基坑的影響范圍約為基坑開挖深度的2倍,本工程中圍堰已位于2倍基坑開挖深度之外,理論上圍堰的變形受基坑開挖的影響較小,而實(shí)際監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示同一橫斷面的鋼板樁圍堰的沉降變形為5.7～25.4mm,說明圍堰明挖基坑開挖的影響范圍比常規(guī)基坑開挖要大得多。

圖12 圍堰及基坑變形橫斷面分析

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及其他學(xué)者的相關(guān)研究,針對(duì)此差異現(xiàn)象進(jìn)行以下分析。

(1) 根據(jù)何世秀等[13]和林志彬等[14]針對(duì)滲流作用對(duì)基坑周邊土體沉降的研究,滲流作用會(huì)明顯地增大基坑對(duì)周邊土體沉降的影響范圍。盡管圍堰有效阻隔了江水及部分滲流,但根據(jù)地勘報(bào)告,鋼板樁圍堰的長度不足以隔斷部分弱承壓水層,故在深層土體中江水與土層之間仍不可避免存在一定的水力聯(lián)系,土體內(nèi)存在穩(wěn)定滲流作用,可能導(dǎo)致基坑開挖影響范圍的增大;

(2) 根據(jù)莊鈴強(qiáng)等[15]的研究,基坑外降水對(duì)基坑周圍地表沉降產(chǎn)生影響;本工程中降水井位于基坑與鋼板樁圍堰之間,降水不僅會(huì)影響基坑周邊土體的水位,同時(shí)還會(huì)影響圍堰所在土層水位,可能導(dǎo)致圍堰所在土體發(fā)生沉降。

3 結(jié)論及建議

以?？谖拿鳀|越江通道工程為背景,選取一期圍堰明挖法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論與建議:

(1) 基坑開挖過程中,圍堰會(huì)發(fā)生向基坑側(cè)的變形,其中南側(cè)(江水側(cè))的變形較大且均勻,穩(wěn)定變形量在30～45mm;北側(cè)變形較小且不均勻,整體變形形態(tài)呈現(xiàn)為多折形,穩(wěn)定變形量在15～40mm。

(2) 基坑開挖導(dǎo)致圍堰會(huì)發(fā)生沉降變形,在主要的開挖階段過后,圍堰的豎向變形會(huì)發(fā)生波動(dòng),說明除了基坑開挖的因素外,特殊的動(dòng)水環(huán)境也會(huì)對(duì)圍堰沉降產(chǎn)生擾動(dòng)。

(3) 盡管圍堰與基坑相距較遠(yuǎn)且結(jié)構(gòu)形式不同,但兩者變形曲線有極高的相似度,說明圍堰明挖對(duì)基坑工程的變形影響較遠(yuǎn)較強(qiáng)。

(4) 在圍堰的保護(hù)作用下,典型橫斷面基坑最大側(cè)向變形約為18mm,出現(xiàn)在淤泥質(zhì)土層中,與陸地上基坑開挖具有類似的變形特征,說明圍堰能有效地阻隔江水和部分滲流,提供干燥的施工環(huán)境,確保圍堰明挖基坑工程的安全。

(5) 圍堰明挖基坑開挖的影響范圍大于常規(guī)基坑(2倍開挖深度),說明圍堰及水上施工環(huán)境對(duì)基坑及圍堰產(chǎn)生了較大影響。其中,滲流、坑外降水及頻繁降雨天氣等因素對(duì)圍堰的影響具有較大不確定性和風(fēng)險(xiǎn),建議在未來類似工程中應(yīng)更加關(guān)注水文條件變化對(duì)圍堰的影響。