海口文明东越江通道施工及变形实测分析*

张 轶, 杨光辉, 钟铧炜, 陈台礼, 陈睿杰

(1 上海城建市政集团有限公司，上海 200065；2 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；3 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

0 概述

越江海隧道的常用施工方法一般有盾构法[1]与沉管法[2]以及矿山法等,其中盾构法在国内外跨江、跨海隧道中最为常用。作为全机械化的施工方法,盾构法在中长距离隧道工程中具有较大优势,但是由于其造价、设备复杂性及管片结构的特殊性,在越江隧道的建设中也会遇到诸多施工问题与风险[3]。沉管隧道虽在国内起步较晚,但由于其具有结构与防水质量高、施工速度快及土建工程量小等优势,近十年在国内得到了较大发展;其应用主要受限于海床(河床)回淤、潮汐等不利因素[4]。矿山法因其经济实用在国内仍有广大应用市场[5],但一般只适用于坚硬土层或岩石地层。随着目前国内基础建设向内陆广大区域的延伸与扩展,出现了较多对航道要求不高的跨越河流湖泊的隧道工程,此时若采用盾构法或沉管法进行施工,时间和成本都较高,则围堰明挖法成为一个重要选择。

围堰明挖法在过去几年里被广泛用于水下隧道的建设中,如武汉东湖通道[6]、珠海横琴岛澳门大学海底隧道[7]、太湖隧道[8]以及金鸡湖隧道[9]等,这些隧道主要建设在内陆湖泊等静水环境。而在江河海等动水环境下的应用还较少,相关设计施工经验不足,尤其动水条件及基坑开挖卸荷作用下围堰的变形与稳定性,会构成工程重要施工风险[10]。因此,本文将以海南省海口文明东越江通道工程为背景,结合其一期围堰明挖法监测数据,研究基坑开挖过程中钢板桩围堰及基坑的变形特性,提出设计及施工合理化建议。

1 工程概况

1.1 整体概况

海口文明东越江通道项目西起文明东路白龙路交叉口,沿文明东路往东走行,在美苑路以西约300m及以东约350m处设置敞开段,然后下穿滨江西路、南渡江至江东新区东横二路,终点位于东横二路琼山大道交叉口。项目全长4380m,其中隧道段全长2720m,接线道路全长1660m,江中段约1000m。此项目建设过程中工期尤其紧张,开工时间为2019年3月,2020年完成隧道主体建设,并在2020年8月20日完成通车。工期内经历海口暴雨多发季节,另外由于南渡江多发风暴潮,两者的共同作用可能导致迅猛的洪水[11],给施工带来额外风险。经过多种隧道施工方案的比选[3],最终决定采用围堰明挖法施工隧道江中段,并按照防洪要求分为如图1所示两期施工。

图1 围堰施工平面布置图/m

1.2 施工方法

海口文明东越江通道围堰工程采用膜袋混凝土结合钢板桩的方法施工组合围堰,利用膜袋不透水的性能,在膜袋内吹砂充泥后形成堰体挡水带。因其具有一定的自重,自然沉降稳定后能与河道紧密贴合,形成稳定的挡水堰体,为钢板桩施工提供作业环境;利用履带吊配合振动锤或机械手两种方式打设钢板桩,其中桩长≤18m钢板桩采用履带吊配合机械手插打方式,桩长>18m钢板桩采用履带吊配合振动锤插打方式。在充泥管袋形成的堰体上进行施工,形成内外双层钢板桩围堰阻水构筑物;利用充泥管袋堰体作为便道,进行膜袋混凝土施工,在充泥管袋内侧铺设一层膜袋混凝土护坡,至此充泥管袋-膜袋混凝土与钢板桩形成完整的围堰结构。

围堰施工流程图如图2所示,完成钢板桩的插打后,形成了图1(a)所示封闭的施工平台,抽除堰体内的水后,继续开展基坑的开挖与后续隧道结构的施工。

图2 围堰施工流程图

图3为一期围堰施工鸟瞰图,图中所处施工阶段为围堰及基坑围护结构施工完成,尚未进行首层土开挖;显然通过前期的处理已经在水上形成了较好的施工平台,便于后期基坑开挖与隧道施工。

图3 一期围堰施工鸟瞰图

图4为组合围堰的横截面形式,该围堰为充泥管袋结合钢板桩围堰,其特点为在钢板桩内部施工防渗土工膜等防渗水措施。

图4 典型围堰横截面

1.3 南渡江水文概况

(1) 暴雨特征

南渡江流域的暴雨常发生在4-11月,个别年份在3月或12月曾发生暴雨,较集中的发生时间为5-10月。一次降雨过程3d左右,最长可达13d,其中暴雨历时1～3d,最长5d。本工程工期内历经南渡江暴雨期,由于围堰为闭合结构,频繁降雨不但影响江水水位,还可能导致围堰内积水,基坑施工过程中需要采用强降水措施。

(2) 潮汐

1)天文潮。南渡江河口段受潮汐影响,潮汐类型为混合潮。根据海口站1952-1997年潮位资料统计,海口站多年平均最高潮位2.00m,多年平均最低潮位-0.68m。海口站实测最高潮位3.28m,实测最低潮位-0.99m。非洪水期,潮流界可上行至铁桥,潮区界可达更远些;洪水期潮流界和潮区界都有所下移,河口落潮淡水或冲淡水可扩散至口外10～15m水深海域。

2)风暴潮。南渡江河口是风暴潮的多发区和重灾区,一年四季都可能发生,但由热带风暴或台风引发的风暴潮增水高,危害大,由强风引发的风暴潮较弱,一般不在海岸或河口成灾。南渡江地区台风增水一般1.0m高,最大3.0m高以下,实测最大增水2.49m高。1948年以来,南渡江河口地区发生3.0m高以上的风暴潮三次。海口潮位站实测资料表明,1948年9月27日潮位最高,为3.28m;1963年9月7日次之,为3.18m;1980年7月22日第三,为3.11m。

综合来看,暴雨和潮汐的作用会导致南渡江水位的上升,并且潮汐的作用可能对钢板桩围堰产生动水压力,影响钢板桩围堰的稳定性,进而影响内部基坑开挖和隧道施工的安全,所以设计中必须考虑水文因素对水上围堰明挖法施工的影响。

1.4 围堰区域地质情况

场地区域主要有两种特殊性岩土和普通岩土,特殊性岩土为填土和软土,普通岩土包括砂土与黏土。

(1) 人工填土

场区的填土主要有①2素填土和①5填砂。填土层具有强度低、不均匀性大等特点,广泛分布于陆域连接江边的岸堤区域,揭示厚度较小。

(2) 软土

场区的软土主要为②1淤泥和②2淤泥质土,上述两层软土广泛分布于勘察区,揭示厚度较大,具有含水量高、强度低、压缩性高的工程特征。

(3) 一般土层

场地的普通岩土主要包括砂土、黏土以及③4碎石,砂土主要为②4粉细砂、②5中砂、③1中砂以及③2粉细砂,砂层散落地分布于地层中;黏土主要为②3黏土、③3黏土以及④1～④3粉质黏土,其中④1～④3粉质黏土广泛分布于深层地层中。

(4) 岩土层纵断面分布

图5为围堰所处地层的纵断面岩土层分布情况。根据钢板桩围堰的嵌固深度,北侧的钢板桩大部分深入至③1中砂和④1粉质黏土,部分位于③2粉细砂;南侧的钢板桩大部分嵌固于③1中砂和④1粉质黏土,部分位于③2粉细砂和③4碎石。

图5 围堰典型岩土层纵断面分布及钻孔点平面布置

(5) 主要地层物理力学性质

综合岩土的物理力学指标统计及原位测试成果,围堰区域砂土层主要物理力学指标经验值见表1。围堰区域黏土层主要物理力学指标推荐值见表2。

表1 围堰区域砂土层主要物理力学指标经验值

表2 围堰区域黏土层主要物理力学指标推荐值

1.5 施工过程中的防水措施及效果

(1) 结构措施

如图4所示的典型围堰横截面,本工程总体上采用钢板桩围堰防水,结合充泥管袋以及膜袋混凝土用以加强整体稳定性,并在钢板桩围堰内侧布置防渗土工膜及反滤土工布用以增强围堰的防渗漏效果,在施工过程中未发现钢板桩渗漏,总体上隔绝了江水向施工区域的流动。

(2) 降排水措施

钢板桩围堰打设完成并待堰体沉降完成后,需通过排水泵将施工区域的水抽至江水中,确保施工区域内能够让施工车辆运行。

施工区域准备完毕后,在基坑区域内按照设计要求布置降水井,在进行基坑开挖前需将地下水位降至每层基坑下约0.5m,施工过程中未出现基坑测斜过大或踢脚等表征过度渗流情况,整体上较好地阻挡了渗流。

2 基坑开挖过程中围堰及基坑受力变形分析

2.1 监测布点说明

针对围堰和基坑的受力变形,工程现场布置了第三方数据监测点,用以采集基坑施工过程中围堰和基坑的相关变形数据,由于西侧围堰大部分位于陆地,故仅研究东侧围堰。图6为监测点位的平面布置图。各基坑区域的开挖起始时间见表3。

表3 各基坑区域开挖起始时间

图6 监测点位平面布置图

2.2 围堰的水平变形与沉降分析

(1) 围堰水平变形

图7为基坑开挖阶段(2019年7月24日基坑基本完成底板封闭)围堰的水平变形曲线(其中正值表示向北侧变形,负值表示向南侧变形)。结果表明,围堰的水平变形均向基坑侧;围堰在基坑开挖的过程中产生了较大的变形,这是由于土体的卸荷作用,导致基坑周围的土体向基坑内侧产生明显变形,土体带动钢板桩整体向基坑内侧变形;从均值上看,南侧围堰的变形量整体略大于北侧围堰(南侧围堰稳定变形量为30～45mm,北侧围堰的稳定变形量为15～40mm,且北侧存在水平变形量在10mm内的测点),由于江水由南至北入海,水流作用导致南侧钢板桩受到的动水压力可能略大于北侧钢板桩,同时钢板桩嵌固深度所在的地层对其侧向变形量也应存在影响。

图7 围堰水平变形

(2) 围堰沉降变形

基坑的开挖会导致围堰体发生整体沉降,图8为基坑开挖阶段围堰的竖向变形曲线(其中正值表示沉降,负值表示隆起)。从该图看出,围堰整体竖向变形特征与水平变形有相似的规律,但与水平变形相比会有较大的波动。这是因为围堰的水平变形主要来源于基坑侧土体变形带动围堰整体侧移,而竖向变形还可能与水文因素有关。基坑外人工降水措施可能导致围堰所处地层内的土体有效应力发生变化;而由于江水与土层间有水力联系,海口6-7月的高频率降雨同样可能导致地层内土体有效应力的变化;上述两项因素叠加影响基坑开挖,导致围堰出现隆起、沉降反复变化。

图8 围堰竖向变形

2.3 围堰明挖基坑的整体分析

(1) 围堰变形与基坑变形的关联性

选取2019年7月24日即大部分基坑完成底板封闭的实测数据,绘制围堰与基坑的水平变形平面分布图,如图9所示。从变形拟合线上看,围堰的北侧变形曲线为多折形,围堰的南侧变形曲线为类抛物线形;从稳定性的角度分析,多折形的变形特征更容易导致围堰失稳,所以需要研究围堰水平变形的关联性,以便在设计或施工阶段采取一定的措施减小围堰水平变形,保证围堰整体稳定性。

图9 围堰与基坑水平变形的平面分布

根据图9所示,围堰与基坑水平变形有较高相似性,基坑北侧水平变形与围堰北侧相同,呈现多折形,且出现拐点的位置相近;基坑南侧水平变形为抛物线形,总体变形与围堰南侧类似,较为平均。这进一步证明基坑开挖是导致围堰发生水平变形的主要因素。

(2) 典型基坑开挖断面变形分析

为了研究同一横断面上基坑与围堰变形的相关性,选取测点CX-11所在的横断面,该横断面涉及测点ZQS-4/C-4、ZQS-8/C-8、CX-11、CX-45、DB-7以及DB-24的相关变形数据。

图10为上述横断面开挖至底板封闭过程中测点CX-11与CX-45的侧向变形。由图可知,基坑的侧向变形呈现抛物线形,最大侧向变形约为18mm,大致出现在淤泥质土层中,其变形规律与一般陆地上的基坑类似。这表明:通过围堰阻挡水流,内部基坑开挖的变形形态与陆上施工基本一致,围堰起到了较好的隔断渗流的作用。

图10 基坑测斜变形曲线

图11为基坑开挖过程中测点CX-11所在横断面桩顶竖向变形与地表测点DB7-1(距离基坑边缘7.4m)与DB7-2(距离基坑边缘12.4m)的竖向变形,其中正值为隆起,负值为沉降。由于缺失2019年6月26日至2019年7月18日的监测数据,无法确定基坑周边土体竖向变形的峰值;但是总体来看,桩顶的竖向变形规律为先隆起后沉降,这是因为基坑开挖过程中坑底发生隆起,带动基坑围护结构及周边小部分区域发生整体向上运动,而在底板封闭后基坑围护结构发生少量的沉降;测点DB7-1和DB7-2竖向变形则均呈现为先沉降后隆起的变形规律,与大部分基坑变形规律一致。

图11 基坑周边竖向变形

结合基坑测斜数据与地表沉降数据,可得到该横截面基坑变形与地表变形关系,如图12所示。根据李广信[12]的研究,基坑的影响范围约为基坑开挖深度的2倍,本工程中围堰已位于2倍基坑开挖深度之外,理论上围堰的变形受基坑开挖的影响较小,而实际监测的结果显示同一横断面的钢板桩围堰的沉降变形为5.7～25.4mm,说明围堰明挖基坑开挖的影响范围比常规基坑开挖要大得多。

图12 围堰及基坑变形横断面分析

根据施工现场的实际情况及其他学者的相关研究,针对此差异现象进行以下分析。

(1) 根据何世秀等[13]和林志彬等[14]针对渗流作用对基坑周边土体沉降的研究,渗流作用会明显地增大基坑对周边土体沉降的影响范围。尽管围堰有效阻隔了江水及部分渗流,但根据地勘报告,钢板桩围堰的长度不足以隔断部分弱承压水层,故在深层土体中江水与土层之间仍不可避免存在一定的水力联系,土体内存在稳定渗流作用,可能导致基坑开挖影响范围的增大;

(2) 根据庄铃强等[15]的研究,基坑外降水对基坑周围地表沉降产生影响;本工程中降水井位于基坑与钢板桩围堰之间,降水不仅会影响基坑周边土体的水位,同时还会影响围堰所在土层水位,可能导致围堰所在土体发生沉降。

3 结论及建议

以海口文明东越江通道工程为背景,选取一期围堰明挖法监测数据进行了分析,得到以下结论与建议:

(1) 基坑开挖过程中,围堰会发生向基坑侧的变形,其中南侧(江水侧)的变形较大且均匀,稳定变形量在30～45mm;北侧变形较小且不均匀,整体变形形态呈现为多折形,稳定变形量在15～40mm。

(2) 基坑开挖导致围堰会发生沉降变形,在主要的开挖阶段过后,围堰的竖向变形会发生波动,说明除了基坑开挖的因素外,特殊的动水环境也会对围堰沉降产生扰动。

(3) 尽管围堰与基坑相距较远且结构形式不同,但两者变形曲线有极高的相似度,说明围堰明挖对基坑工程的变形影响较远较强。

(4) 在围堰的保护作用下,典型横断面基坑最大侧向变形约为18mm,出现在淤泥质土层中,与陆地上基坑开挖具有类似的变形特征,说明围堰能有效地阻隔江水和部分渗流,提供干燥的施工环境,确保围堰明挖基坑工程的安全。

(5) 围堰明挖基坑开挖的影响范围大于常规基坑(2倍开挖深度),说明围堰及水上施工环境对基坑及围堰产生了较大影响。其中,渗流、坑外降水及频繁降雨天气等因素对围堰的影响具有较大不确定性和风险,建议在未来类似工程中应更加关注水文条件变化对围堰的影响。