汉江堤防护镇闸深基坑抢险方案的实践

刘万浩，李 婷，翁朝晖

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070)

护镇闸是一座穿汉江堤防的箱涵式排水闸，发生险情后同时受到诸多制约因素影响：其属汉江堤防重点工程必须要在当年的枯水期完成，为保证防汛安全，工期极紧；原闸建设年代久远，原施工质量无法评估。这些因素导致险情的深基坑支护[1]处理无法采用常见的基坑全断面回填、地下连续墙、预应力锚索等支护方式，经研究后采取的分两期应急抢险方案，一期方案保证临时稳定为二期方案实施赢得宝贵时间，二期方案保证永久稳定并继续施工，顺利的排除了险情并最终顺利完成工程建设任务，据此给今后同类型险情处理提供了一些可借鉴的思路。

1 工程概况

护镇闸闸址位于湖北省云梦府河右堤，属湖北省汉江堤防加固重点工程(府澴河段)，桩号39+942，设计方案为穿堤箱涵式排水闸。新护镇闸为3级建筑物，由进口护砌段、穿堤箱涵、闸室、出口消力池及海漫组成，全长131.0 m，设计流量为65 m3/s。闸室底板高程为18.58 m，闸孔尺寸：5.0 m×4.5 m(宽×高)，二孔；穿堤箱涵实施阶段共设置5节，前3节每节长16.0 m，第4节长9 m，第5节箱涵长10.0 m；进出口消力池采用钢筋砼扶壁挡土墙结构形式；闸基及箱涵基础采用粉喷桩进行处理，粉喷桩桩径50 cm、桩长12 m，桩间距1.0 m。

闸址处出露地层自地表向下依次为第四系全新统人工堆积填土(Q4s)、第四系全新统冲积作用形成的壤土(Q4al)、第四上更新统冲积作用形成的中粗砂、砾砂(Q3al)，闸基础座落在壤土层上，基土与砼间摩擦系数f=0.25，中粗砂层为闸基础持力层，承载力特征值建议值fak=300 kPa；穿堤箱涵处壤土力学指标：C=25 kPa，Ф=11°。

现状府河堤防涢水侧堤内平台处有一座35 kV高压电线塔，紧邻拟新建的4号箱涵，塔底地面高程约26.66 m，塔底部基座距离原闸渠道坡顶最近处仅约2.70 m，该侧边坡原设计有悬臂式混凝土挡墙,墙顶在3～5号箱涵范围高程约23.31～23.39 m。拆除重建护镇闸平面布置及高压电线塔位置如图1。

图1 拆除重建护镇闸平面布置图

2 实施阶段险情及原因分析

护镇闸施工前，考虑到原水闸渠道底板需拆除，建基面高程约16.75 m，为避免对高压电线塔的影响，设计采取如下项措施：将箱涵轴线进行适量平移，但鉴于渠道另一侧建筑限制，轴线仅能偏移2.0 m；要求拆除底板时分段分区拆除，分段支护回填跟进，尽可能保持原有平衡状态，减少对墙体及其上部高压电线塔的扰动；要求现场每日定时对设置于挡墙和高压电线塔的观测点进行观测。

实际施工时，因种种原因，现场将原渠道底板沿水流方向进行整体拆除，仅留渠道最中心处宽约3.0 m部分作为其交通通道。次日观测数据显示，墙体发生了厘米级的位移，位移速率变化具体数据如表1。

表1 观测位移变化速率统计表 mm/h

经设计分析，原护镇闸在建成运行时，渠道挡墙在其设计工况下是处于稳定状态；高压电线塔在后期建设时，相对挡墙新增的荷载(包括其新填土的荷载)通过原渠道左右岸挡墙及渠道底板形成的整体均衡分摊，故同样达到一个稳定的状态，但此时已不是原设计工况；现底板拆除后，渠道两岸挡墙与底板形成的整体平衡被打破，高压电线塔建设后增加的荷载全由墙体承担，其无法满足原设计的平衡状态，故而向基坑侧发生位移。

3 应急抢险一期方案

险情发生后，设计连同各参建方进行认真研究讨论之后，确定了以阻止墙体继续位移为目的，但能兼顾后期施工的的一期方案，连夜进行钢结构[2]支护的应急处理措施，具体方案如下：

1)高压电线塔挡墙与现存水闸底板之间拆除的部位，靠近现存底板处打设4.0 m深槽钢，槽钢间距5.0 m，底板抵靠密实；采用D300 mm钢管进行横向支撑，钢管间距5.0 m，钢管一端在挡墙底板部位，一端则与底板处槽钢点焊焊接。

2)在横向支撑完成后，每一道横撑断面均设置斜向支撑槽钢，预先在原挡墙上锚固一片钢板，距离底板约2 m，斜撑两端分别与钢板和底板处槽钢焊接。

3)在横向支撑与斜向支撑系统施工完成后，立刻开始按原设计要求进行填土覆盖，填土应碾压密实。

4)高压电线塔周围现有地面下挖1.0 m减载后，将裸露坡面立即采用彩条布覆盖，同时要求现场对高压电线塔附近车辆限速限载。

应急支护措施示意如图2。

图2 应急支护措施示意图

施工现场照此方式支护之后，次日观测的相对位移值已经处于毫米级，达到一期方案控制墙体位移的目的，为二期支护方案的实施赢得宝贵时间，现场观测位移速率见表1。

4 应急抢险二期方案

一期抢险方案实施后，墙体位移得到了有效控制，但是如何继续进行水闸施工确又成了一个难题，面临的主要问题有：①现存作为交通的原渠道底板如何拆除；②支撑结构在原渠道底板拆除后如何保持稳定；③基础粉喷桩何时、如何施工；④现状仅仅时临时控制了墙体位移，需进一步落实能与临时方案结合的永久支护方案。

为解决这些难题，保证护镇闸汛前顺利施工完成并安全度汛。设计考虑了以下三个方案：

1)地下连续墙支护方案[3]。在墙体顶部与高压电线塔之间打设一排地下连续墙，代替现有挡土墙作为支护结构：该方案的优势是原挡土墙可直接拆除，依靠连续墙支护结构一劳永逸的解决高压电线塔的稳定问题；但其施工空间极为有限，且距离高压电线塔和挡墙均太近，施工安全存在隐患，故而首先被排除。

2)锚索方案[4]。在现有墙体上打设2道预应力锚索，通过套管分段进钻至土体底部基岩之上，通过灌浆将其头部于基岩锚固，通过锚索的反作用力将挡墙硬性固定：该方案结合地质资料来看，基岩埋深较深难以锚固，且锚索反向张拉力太大，加之现有墙体是约40年前施工完成，墙体是否能承受该反力无法判断。

3)预填土逐节施工方案。①首先在一期抢险方案基础上，原挡墙范围内(3～5号箱涵段)基坑全断面回填土至20.0 m高程，同时施工底部已经拆除部位的粉喷桩；②考虑到粉喷桩达到强度需要时间，为节约工期和增加基础抗剪强度，在粉喷桩间隙增设松木桩[5-6]；③之后在已固结基坑内，对高压电线塔对应的4号箱涵处剩余底板上覆土进行掏槽开挖，拆除该部分底板，施工该部位粉喷桩；④开挖4号箱涵底板部位覆土浇筑底板，之后在适当放坡开挖后浇筑4号箱涵涵身，将一期抢险支护的钢结构浇筑在箱涵混凝土结构之中，⑤此后利用4号箱涵自身作为永久支护支撑原渠道挡墙，全面开挖基坑填土，施工其余部分箱涵。

最终选择的方案3在实施过程中观测变形稳定(墙底4处观测点在填土措施实施后被埋没，无法观测)，基坑险情已排除，后期施工均未发现相关险情。现场观测位移速率见表1。

5 计算验证

从发生险情到应急抢险一二期方案拟定，设计对墙体的稳定进行抗滑、抗倾覆等复核，复核过程如下。

5.1 设计工况

笔者对拆除底板发现险情、一期支护措施实施后、二期支护措施是实施后三种设计工况进行计算复核，包括抗滑计算、抗倾覆计算等，各工况荷载条件如下：

1)拆除底板后工况：墙体单独承受其自重、墙后土重、墙后土压力等荷载。

2)一期支护措施实施后工况：墙体除承受工况①的荷载外，还承受横向钢支撑提供的水平荷载、斜向钢支撑提供的水平荷载与竖向荷载；其中，钢支撑作用于墙体的作用力可通过分析预留底板承受的反力推算。

3)二期支护措施是实施后工况：墙体在承受工况②荷载基础上，还需承受基坑内侧3.25 m厚(建基面16.75 m，填土至20.0 m高程)填土的土压力，此时由于剩余底板需拆除，为安全计不考虑钢支撑作用。

5.2 主要计算参数与公式[7]

根据地质勘察报告资料，挡墙背后碎石土的物理力学参数为：天然容重19.7 kN/m3，饱和容重22 kN/m3，c=25 kPa，φ=11.0°。

抗滑稳定按抗剪强度公式计算：

式中：Kc为按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f为墙体与基础接触面的抗剪摩擦系数，取0.25；∑W为作用于边墙上的全部竖向荷载，kN；∑P为作用于边墙上的全部水平荷载，kN。

抗倾覆稳定计算公式：

式中：Ko为抗倾稳定安全系数；∑My为作用于墙体的荷载对墙前趾产生的稳定力矩，kN·m；∑Mo为作用于墙体的荷载对墙前趾产生的倾覆力矩，kN·m。

5.3 主要计算结论

各工况的计算结论见表2。

表2 各工况计算数据统计

根据表2中各项数据统计，工况1)结论显示原渠道底板拆除后墙体不满足抗滑稳定要求；工况2)结论显示墙体在增加钢支撑后，虽然抗滑稳定安全系数未能完全达到标准值，但大为改善了挡墙受力状态，起到了临时支护的目的，为二期支护措施赢得了宝贵时间，也便于工程后续的实施；工况3)结论则显示彻底解除了险情。本计算数据结论也通过表1的位移数据统计得到印证，截至笔者总结此文时止，护镇闸已顺利完工并已投入运行使用，证明设计拟定的分两期的支护方案是安全有效的。

6 结 语

随着水利工程建设项目的逐年增多，施工现场会出现各种不同情况的突发险情，即使同类型险情其面临的制约条件也不尽相同，对于各类型险情的处理，应因地制宜抓全局治根本，既要及时可靠也需统筹考虑，例如本工程发现险情时，直接基坑全断面填土即可保证安全，但其后期水闸则难以在有限的工期和有限的投资条件下继续施工；本次抢险过程中采取的钢结构、松木桩等能提供“即战力”的措施或方法，大量减少了其他一些支护方案需要的调配机械、物资和人员的时间，也大量节省了一些支护方案需要等待混凝土龄期的时间。随着水利工程各类经验的积累，“采用即时性材料和工艺”的抢险思路以其见效快、施工便捷、经济合理性等优点，必将广泛地应用于险情治理中。