钢管桩在模袋砂围堰加固施工中的应用

曹正喜

(中铁隧道集团有限公司杭州分公司，杭州 310030)

0 引言

围堰是在河道、港口、码头、隧道、桥梁等工程的建设过程中修建的临时性围护结构，其作用是防止水和土进入围堰内部，除作为正式建筑物的一部分外，围堰一般在用完后拆除［1－2］。在不同的边界条件下，需要采用不同的围堰形式，以期达到安全、稳定、快速和经济的目的。模袋砂围堰作为一种适应性较强的围堰形式被经常采用［3－7］。钢管桩能起到围水、围土、围砂等作用，具有结构简单、使用方便、搭接容易和密封性好的优点［8］，但在围堰面积较大时，将钢管桩与模袋砂结合使用较少。沈家门港海底沉管隧道工程北岸出入口地处繁华的滨港路，周边环境复杂，交通流量大，施工场地狭小，为保证沉管隧道出入口的顺利修建，需要在海中修建模袋砂围堰作为主体结构施工平台，但因各种原因，无法成型，经过对该围堰变形因素的分析及加固方案比选，采用刚度较大的双排钢管桩对围堰进行加固，在实际施工中对增强围堰的稳定性起到了很好的作用，保证了基坑主体结构的顺利施工。

1 工程概况

1.1 工程介绍

舟山市普陀区沈家门港海底沉管隧道工程北起沈家门滨港路轮渡码头，南至鲁家峙岛客运大楼，隧道全长256.70 m，工程由隧道沉管段、北岸段、南岸段和干坞组成。

北岸出入口因场地条件限制，需要在海里形成围堰，在围堰内清淤回填后，施作围护结构和主体结构，海下地质情况复杂，施工难度大。

1.2 工程地质及水文地质

1)工程地质。场地勘察范围内地基土可划分为9层，自上而下依次为:粉质黏土(mlQ4、)、淤泥)、砂砾、al+)、粉质黏土()、粉质黏土(l+、)、粉质黏土()、含黏性土角砾(al+)、黏土(l+)和含黏性土角砾(dl+)。

2)水文地质。工程场地地表水主要是沈家门港中的海水。沈家门港海水50 a一遇，极端高水位标高3.43 m、极端低水位标高－2.71 m，海水均对混凝土结构无腐蚀性，对混凝土中的钢筋长期浸水具有弱腐蚀性、干湿交替时具有强腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性。

松散岩类孔隙潜水分布于工程场地陆域段内表层土中，受海水补给和排泄影响，水质和海水一致，水位埋深随海水涨落潮而变化，孔隙潜水对混凝土结构无腐蚀性，对混凝土中的钢筋长期浸泡时无腐蚀性、干湿交替时具有中等腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性。

松散岩类承压水水位埋深2.42～2.75 m，位于靠鲁家峙岛海域及其海岸带，含水层厚度较小，一般厚度0.40～1.9 m，含水层渗透系数较大，赋水性较差，含水量有限，与地表水无水力联系。

3)不良地质状况。滨港路现地面标高为2.38～2.48 m，滨港路属填海而成，表层填筑厚度一般在5.0 m左右，主要为块石、碎石，其粒径较大，透水性好，对沿岸钻孔灌注桩、水泥搅拌桩、旋喷桩及预制混凝土桩的施工有一定影响，施工中须及时清理。

由于填筑层具有较大的透水性，对基坑开挖有很大影响，在围护结构施工中应保证施工质量并采取切实可靠的防水或止水措施。表层以下为淤泥、淤泥质(粉质)黏土，埋深可达16.0 m，具有高压缩性、低渗透性和物理力学性质较差等特征，对基坑围护结构施工有很大影响。

2 模袋砂围堰

2.1 模袋砂围堰定义

模袋砂防护技术一般适用于沿海风浪较小区域，它的原理是将砂与水按一定比例混合后加压冲填至土工纺织袋中，经脱水固结，靠自身的重力抵御风浪的冲击及防护围堤内回填土的流失，以达到稳固路基、减少沉降的作用［4］。其中，土工纺织袋的作用与模板相似，它使松散的砂集结为整体，避免填筑的砂流失。

2.2 围堰范围及形状

根据沈家门港区内的工程地质及水文地质情况，原设计采用模袋砂形成围堰，围堰呈品字型布置，总长度为239 m，具体围堰范围及形状见图1。

图1 原设计模袋砂围堰平面图Fig.1 Plan of originally-designed sandbag cofferdam

2.3 模袋砂围堰结构

模袋砂围堰高8m，顶宽5m，共分15层，其中围堰底垫层为2层，底宽29m;护坡模袋砂13层，每层高度均为0.5 m，围堰结构如图2所示。

图2 围堰典型纵断面设计图(单位:mm)Fig.2 Typical longitudinal profile of cofferdam(mm)

2.4 模袋砂围堰施工

原设计采用模袋砂进行围堰施工，其施工工艺为:放线定位—清淤—基槽回填—松木桩基础施工(间距2.0 m，梅花形布置)—铺设高密度(HDPE)聚乙烯双向土工格栅—大砂袋定位—人工泵灌大砂袋(充填料为粉细砂)—排水填筑内围堰—模袋混凝土护面—抛石反压或者砂包护脚。

2.5 模袋砂围堰的沉降、位移

施工中，中央突出部位在第10层填筑完成后开始出现突然下沉现象，经过监控量测(沉降、位移)分析，围堰体基本趋于稳定。又在中央突出部位施工了1层模袋(作为找平层)，在该找平层上方施工了第11层模袋。监控量测时发现中央突出部位局部向外位移0.2～1.97 m，沉降达 0.24 ～0.649 m。图 3 为围堰沉降位移。

3 模袋砂围堰变形的原因及处理措施

3.1 围堰变形原因分析

从围堰形式适应性、基础处理情况及港区内潮流特点等方面进行分析。

1)地质情况复杂，地基承载力不均，局部不足。模袋砂围堰处于淤泥质土上，虽进行了基础加固，但在模袋砂围堰的西侧存在一地下冲沟，局部承载力不足，造成承载力不均而发生沉降与位移。

2)沈家门港海水涨落潮水流速度快，冲刷严重，水位变化影响大。沈家门海域为不规则半日潮，多年来潮差最大为3.67m，潮流呈往复流，最大流速为3节左右，即1.54 m/s，流速很大，对于模袋砂冲刷严重。

3)模袋砂围堰刚性不能满足要求，当出现破损时，极易发生沉降与位移。模袋砂为分层施工，层与层之间靠模袋砂自重产生的摩擦力接触，未有效连接，且在施工模袋砂时，设计的模袋混凝土未浇筑，不能有效预防冲刷，在涨潮时，模袋砂易上浮，在流速大时易产生位移。

3.2 加固思路及方案比选

3.2.1 加固思路

为进一步摸清模袋砂水下部分情况，采用潜水员水下探摸形式。结果显示，在模袋的西侧沉降位移最大处，存在一地下冲沟，虽然出现沉降位移，但模袋的层数依旧清晰，说明模袋砂对于此种软弱地层还是具有一定的适应性。为此，在围堰加固施工思路上，应针对性采取措施。

1)考虑到工程经济性要求，保留原有基础较好、沉降位移小部分，即位于靠岸侧两端的模袋砂，采用模袋混凝土对围堰进行防护，以防止海潮对既有模袋砂的冲刷。

2)对于沈家门港海水涨落、潮水流速度快、冲刷严重、围堰存在时间长等因素，采用刚度大的临时支护结构对围堰进行加固。

3)对模袋砂围堰基底进行加固。

3.2.2 技术方案比选

根据对模袋砂围堰沉降的原因分析，并结合加固思路，对钢管桩、三轴搅拌桩、地下连续墙等技术措施及方案进行比选，如表1所示。

表1 各技术方案可行性比选Table 1 Comparison and contrast among different consolidation options

通过比选，确定采用钢管桩对模袋砂进行加固。

3.3 围堰加固施工方案

1)采用C20模袋混凝土对围堰进行防护，以防止海潮对模袋砂的冲刷。

2)经过施工技术方案及经济比较，采用刚性较大的双排钢管桩对围堰进行加固，形成格栅体，外侧钢管桩径1.4m，内侧管径1.2m，并在格栅内吹填模袋砂，形成重力式挡墙，与原保留模袋砂连接形成整体，保证围堰形成后，基坑开挖施工的安全与稳定。

3)鉴于基底为淤泥质粉质黏土，采用塑料排水板对围堰基底的淤泥质粉质黏土进行重力自排水固结，以保证较好的加固效果。

钢管桩加固模袋砂围堰施工图如图4所示。

4 钢管桩加固模袋砂围堰施工

4.1 钢管桩施工工艺流程

如图5所示。

4.2 钢管桩围堰基础处理

因本围堰位于淤泥质土中，承载力差，采用塑料排水板进行加固，依靠塑料排水板中的空隙，使淤泥中的水分依靠双排钢管桩间模袋砂预压排除，且可以通过排水板空隙释放淤泥质土中的孔隙水压力，达到有效加固地层的效果。

4.3 钢管桩围堰内填筑

钢管桩沉桩完成后，在±0标高处采用φ50高强螺杆对拉，在钢管桩顶采用钢筋混凝土施作冠梁，形成格栅。因本围堰处于海港内，为半日潮型，潮汐作用很明显，为保证围堰内施工基坑的稳定性及安全性，需要在围堰内充填结构物，形成重力式挡墙。钢管桩围堰形成后，采用模袋砂及黏土进行分层填筑，每层1.0 m，分层填筑至2.0m标高;然后采用黏土分2层填筑，每层0.5 m，填筑至3.0 m标高;最后采用混凝土浇注，与冠梁连接成整体。

4.4 施工效果

围堰形成后，对围堰体的沉降与位移及钢管桩的变形进行了严密监测，基本处于可控状态。围堰体累计沉降最大为5.6 cm，累计位移最大为7.2 cm，变形速率小于1.5cm/d，钢管桩累计位移最大为3.2cm。围堰未发生较大变形，处于较为稳定状态，且经受住了2011年的台风影响，施工效果较好。目前岸上主体结构已基本封顶。

图5 钢管桩施工流程图［9］Fig.5 Construction flowchart of steel pipe piles

5 结论与建议

沈家门港海底隧道工程北岸出入口是工程的重要组成部分，因受周边环境的影响，没有足够的条件形成基坑。采用模袋砂围堰形式进行施工空间的拓展，但受到地质及水文影响，模袋砂围堰发生了较大变形与位移，无法满足使用要求。采用钢管桩对模袋砂围堰加固这种新型围堰形式在以前工程中未被采用过，此形式既可以发挥模袋砂施工工艺成熟、机械化程度高，又可以发挥双排钢管桩的整体性好、刚度大、抗变形能力强等优点，与其他围堰形式区别在于柔性与刚性体的很好结合，取得了较好的经济和社会效益。需要注意的是，在模袋砂围堰施工中，需要切实做好地质勘查和水文观测，切实做好围堰基础处理工作，以保证模袋砂围堰在吹填过程中，减少因勘查、基础处理不到位造成的围堰变形和位移等问题。

［1］ 颜宏亮，于雪峰.水利工程施工［M］.郑州:黄河水利出版社，2009.

［2］ 付俊雄.云南李仙江居甫渡水电站施工技术［M］.昆明:科技出版社，2009.

［3］ 陈参军.模袋砂围堰在京杭运河张楼地涵工程中的应用［J］.科技促进发展，2010(8):53，64.

［4］ 卢尧夫，王立忠.深水中土工模袋砂土围堰的设计与施工［J］.浙江水利水电专科学校学报，2002(3):39 －40.(LU Yaofu，WANG Lizhong.Designandconstructionofthe geomembrane bag with sand soil cofferdam in deep water［J］.Journal of Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College，2002(3):39 －40.(in Chinese))

［5］ 苏战军，吴晓强.水下模袋混凝土护坡护底施工技术［J］.浙江水利科技，2003(5):15－18.

［6］ 郑万勇，吴韵侠，郭立杰.应用混凝土模袋防护黄河堤脚的研究［J］.中国水利，2004(3):22－23.

［7］ 王宏江，朱永庚，张彤宇.模袋混凝土技术在水利建设中的应用［J］.天津市科学技术，2006(8):20－22.

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［9］ GB 50286—98堤防工程设计规范［S］.北京:中华人民共和国建设部，1998.