淤泥质袋装土挡墙技术研究和应用分析

曹旻昊

(江苏省交通工程集团有限公司,镇江 212100)

我国地域辽阔、水系发达,水路运输具有成本低、运载能力大等优势,在诸多运输方式中一直保持着举足轻重的地位。创造良好的航道运输条件是带动经济发展和促进地方交流的重要前提。近年来,为适应水上货运量变化和船舶大型化发展的趋势,并完整、准确、全面地贯彻新发展理念,长江经济带的航道转型加快,各级航道均进行了疏浚和升级改造。但疏浚和护岸开挖会产生大量的淤泥质土,其含水率高、压缩性大、强度低、工程性质差,一般做废弃处理,不仅占用土地资源,也会造成一定的环境污染,成为建设者面临的一大难题。因此如何将开挖出的淤泥和护岸挡墙有效结合,实现废物利用,是航道工程建设的研究重点。

1 工程背景

杨林塘航道位于苏州市东部,西起阳澄湖,东至太仓浮桥,于杨林口注入长江。杨林船闸项目位于江苏省太仓市,设置杨林船闸和节制闸与长江相接,工程共分为主体结构、上下游引航道结构、航道疏浚工程3 部分,主体工程距离长江口约1.1 km。引航道工程中常见的护岸挡墙多为重力式或扶壁式。重力式挡墙一般要求地基有较好的承载力,需要对淤泥质地基进行加固处理,同时其圬工量大,造价高昂;而扶壁式挡墙采用钢筋混凝土结构,圬工量小、自重轻、柔性大,对地基承载力要求不高,造价相对低廉。本文拟对现浇扶壁式挡墙与袋装淤泥土墙后回填相结合的新结构形式进行研究,探讨其工作性态和施工技术,并进行经济性评价。

2 袋装土挡墙结构设计

2.1 墙身设计

袋装土挡墙护岸需承受航道水体压力、潮汐冲刷和船体的碰撞力,因此墙身采用直立式薄壁钢筋混凝土结构,板厚60 cm;底板为钢筋混凝土板式基础,宽3.2 m,厚60 cm;挡墙沿航道中线方向每10 m设置一道2 cm 宽的伸缩缝。为加强墙体结构抵抗土压力的能力,底板迎水面采用浆砌块石码砌,挡墙墙背(迎土面)沿航道方向每隔3.5 m 设置50 cm厚的加劲肋板。采用梅花形布置的双向水泥搅拌桩复合地基,以提高软土地基承载力。

2.2 袋装土回填设计

挡墙后3 m 宽度范围及开挖坡面(坡面设计坡比1 ∶4)上的部分区域采用土工袋装淤泥土进行码袋回填,其余区域直接采用淤泥质土填筑。开挖坡面处土工袋分4 个台阶依次码砌形成锚固墩,墙后3 m 范围内的土工袋采用墩式直接码砌到顶。同时墩式土工袋每4 层用土工格栅拉结包裹成一个整体,穿过淤泥土回填区与锚固墩拉结,使墙后回填区形成整体结构。土工袋采用聚丙烯编织袋,尺寸分为 120 cm×120 cm×36 cm 和120 cm×60 cm×36 cm两种,竖直方向上交错分层码砌,土工袋长边方向垂直于航道轴线,层与层之间需交叉重叠[1]。挡墙结构断面及后视图如图1 所示。

图1 挡墙结构断面及后视图(单位:mm)

2.3 材料要求

土工袋用聚丙烯带编织而成,单位面积质量为150 g·m-2,纵横向拉伸断裂伸长率≤25%,标称纵横向拉伸强度≥25 kN·m-1,垂直渗透系数为5×10-4～0.5 cm·s-1,等效孔径为0.07～0.5 mm(O95);土工格栅采用TGDG150 单向高密度聚乙烯(HDPE),纵向抗拉强度≥150 kN·m-1,2%伸长率时的抗拉强度≥45 kN·m-1,5%伸长率时的抗拉强度≥96 kN·m-1,标称伸长率≤13%,光老化等级为Ⅲ级。

3 结构特点及使用范围

淤泥质袋装土挡墙属于一种轻型支挡构筑物,其抗滑性能、抗倾覆性能主要取决于墙身的自重荷载和底板以上填筑淤泥土的重力荷载。同时,墙体底板迎水面设置浆砌块石取代以往重力式挡墙底板的凸榫结构,达到了抵抗墙体水平侧移的同等效果。而挡墙墙身设置加筋带与墙后回填土、袋装土拉结,使墙体背面的水土压力、袋装土的锚固力、回填土与拉筋间摩擦力产生的拉力等相互作用,达到墙体整体稳定的效果[1]。

综上,设置淤泥质袋装土挡墙能很好地解决淤泥土不能用于墙后回填的问题,提供长江流域航道工程淤泥的处置方法,保护施工环境。因此,该挡墙结构可大范围推广于土质条件差、土地资源匮乏、不宜弃置土方地区的施工。

4 施工工艺技术

4.1 地基处理

将淤泥质袋装土挡墙设置于软土地基上时,一般需要对软土进行改良加固,常规的地基改良方式有浆喷桩、粉喷桩、浅层固化、抛填碎石等。本工程实例地基处理工艺采用四搅三喷双向水泥搅拌桩。

4.2 基槽施工

水泥搅拌桩施工完成并经检测合格后,采用土方挖掘设备根据设计坡比依次开挖基槽。开挖前应清除草皮、杂物,并在基坑四周设置拦水槽,防止地面水流入施工区。槽底宽度应比挡墙底板宽0.8 m 左右,预留人工作业和模板安装空间。基槽大面土方采用机械开挖,底面设计标高以上30 cm 采用人工开挖,基槽成型后及时验槽,检测地基承载力合格后进入下道工序。

4.3 挡墙施工

基槽开挖后及时进行封底,在封底面上测放出挡墙底板的平面位置,然后依次进行挡墙底板、墙身的钢筋和模板施工。钢筋在内场制作成型,运输至施工现场后绑扎。模板体系采用“钢模+型钢围檩”,模板、围檩的结构形式应进行设计验算,稳定性需满足结构物施工受力要求。混凝土由拌和楼统一拌制,运至现场泵送入模,采用水平分层浇筑,人工振捣密实,分层厚度30 cm。

4.4 装袋码袋

平整施工场地,将固袋架移入经平整回填区域,依次套上土工编织袋,双手拽动编织袋下端,检查编织袋是否套牢,并使其顺直。利用挖掘机挖出淤泥质土缓缓放入固袋架上的土袋中,人工刮平土袋顶面多余土体并封袋。控制土工袋充盈度为85%。土工袋装土流程如图2 所示。

图2 土工袋装土流程

土工袋装土后水平摆放,分层铺设,袋间距小于5 cm。土工袋长边方向垂直于航道轴线,层与层之间交叉重叠。每层土工袋错缝排列,小土袋主要用于挡墙肋间与大土袋间隔布置,其余位置采用大土袋以提高功效。每铺完一层,采用小型挖掘机挖土填缝,再用蛙式打夯机配合平板振动设备反复压实土工袋两遍,达到初平效果,最后采用小型振动压路机压实收面。为确保挡墙结构稳定,防止碾压对土工袋造成破坏,宜使用3.5～5 t 单钢轮压路机进行压实,碾压遍数根据现场淤泥特性及施工条件确定。土工袋码袋施工示意如图3 所示。

图3 土工袋码袋施工示意

4.5 土工格栅铺设

土工格栅采用人工分层铺设,格栅的垂直间距为1.2 m,坡面锚固墩土工袋由下而上包裹形成反包搭接,反包长度不小于土工袋的长度,相邻两块格栅之间为平接。

4.6 淤泥质土回填

土工袋之间用淤泥质土直接回填。回填前,应保证土工袋已碾压至一定强度,再进行分层填筑、分层碾压。碾压时需对相应坡面上的土工袋进行压坡处理,防止锚固墩失稳变形。临近填土标高30 cm 处采用较好的黏土回填压实,以便于后期地表绿化。

5 方案对比分析

5.1 工艺对比

淤泥质袋装土挡墙是借助土工织物的物理性能改良淤泥土作为墙后回填材料,与扶壁式混凝土挡墙结合而成的航道护岸结构。该结构配置少量钢筋,圬工量小,结构形式轻盈,对结构地基承载力要求低;袋装土包裹土工袋码砌成堆,整体性强,自稳性能好,可将航道施工开挖拟废弃的淤泥质土重复利用,节约土地资源,减少环境污染。该挡墙的回填施工需配合人工作业,回填周期相对较长,人工劳动力投入相对较多;墙后回填质量和设计使用年限取决于土工袋和钢塑格栅的材料性质与质量,是结构设计的重点。

常规护岸挡墙墙后回填土一般为透水性较好的砂类土和砾类土,回填施工时采用土方作业设备分层回填、分层碾压成型。常规挡墙的回填施工工序简单,人工劳动力投入少,机械化程度高,施工周期相对较短,具有“短平快”的优点,但在优质土源缺乏的施工地区,一般要将开挖出的非适用性土废弃,并外购优质土方作为回填材料,增加淤泥弃运费和土源购置费的同时,也占用了地方土地资源,不仅影响环境保护,而且经济性相对较差。

5.2 经济性对比

本文结合杨林塘航道整治工程实例,对淤泥质袋装土挡墙与航道中常规挡墙墙后填土的经济性进行对比分析。常规的10 m 长挡墙淤泥土开挖外运量约1 125.6 m3,淤泥土开挖、外运丢弃费按35 元/m3计,外购优质土源方量约1 012 m3,土源到场费约24 元/m3,土方回填费约12.5 元/m3,土方回填合计施工费约7.63 万元;而单个10 m 长淤泥质袋装土挡墙回填淤泥土,淤泥土开挖外运量约115.6 m3,土工格栅和编织袋单个挡墙材料总价约0.6 万元,淤泥土利用量约867.4 m3,回填费约16.5 元/m3,外购优质土源量约142.6 m3,合计施工费约2.96 万元。综上所述,淤泥质袋装土挡墙相比常规挡墙墙后填土每10 m 可降低造价4.67 万元,经济效益提升明显。

6 结语

(1) 淤泥袋装土挡墙墙身为薄壁式钢筋混凝土结构,圬工量小,对结构地基承载力要求相对较低,可将不良质地土壤重复利用作为墙后回填材料,可用于长江流域、沿海区域等地质条件不佳的河道防护工程,适用性较强。

(2) 挡墙为直立式L 形扶壁结构,整体造型美观,能重复利用航道施工开挖出的淤泥质土,变废为宝,减少了对工程当地土地资源的占用,将工程施工对周边环境的影响降至最低,有利于土地资源保护和环境保护。

(3) 墙后回填施工采用了人工配合机械作业,回填周期相对较长,人工投入较多,施工时应结合总体进度计划做好组织安排。

(4) 由于墙后回填料多为淤泥质土,固结时间长,因此可结合挡墙用途和土质情况,在挡墙墙身后背增设横向或纵向排水反滤设施,反滤设施一般可采用土工布包裹透水性较好的沙砾、碎石的结构形式。