富水砂層干塢邊坡支護及防滲體系設(shè)計

張 偉， 李海霞， 趙忠仁

(1.中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司， 天津 300133； 2.天津城市道路管網(wǎng)配套建設(shè)投資有限公司， 天津 300202)

富水砂層干塢邊坡支護及防滲體系設(shè)計

張 偉1， 李海霞1， 趙忠仁2

(1.中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司， 天津 300133； 2.天津城市道路管網(wǎng)配套建設(shè)投資有限公司， 天津 300202)

基于南昌紅谷隧道工程干塢的鄰江環(huán)境及深厚富水砂層地質(zhì)條件，結(jié)合邊坡支護的數(shù)值計算及干塢內(nèi)抽排水模擬分析，選用現(xiàn)澆鋼筋混凝土坡面防護+塑性混凝土防滲墻的支護防滲體系。經(jīng)歷了干塢內(nèi)多次抽排水及汛期的考驗，表明該支護防滲體系對環(huán)境的適應(yīng)性強，防護效果可靠，防滲效果良好，造價低、施工便捷、維護工作量小，為管段預(yù)制工序提供了工期保證，也為整個工程如期完工提供了先決條件。

沉管隧道； 鄰江； 富水砂層； 干塢； 邊坡支護； 防滲體系

0 引言

干塢是沉管隧道設(shè)計的重點和難點，其設(shè)計方案是否合理直接影響到工程的造價及工期[1]。干塢分移動干塢和固定干塢，國內(nèi)目前建成及在建的沉管隧道中，除廣州市侖頭—生物島隧道工程采用移動干塢[2]、港珠澳大橋沉管工程采用工廠化干塢外[3]，其余沉管隧道均采用固定干塢。

干塢因其使用功能要求，需設(shè)置入塢便道，并在塢內(nèi)進行材料堆放、管段預(yù)制、預(yù)埋件安裝、止水帶安裝、管段一次舾裝、試浮試漏等作業(yè)工序[4]，故采用放坡開挖的方案通常會成為設(shè)計者首選。又因其開挖面積大、基坑深度大、使用周期長，同時在使用過程中必須保證邊坡的整體穩(wěn)定、抗?jié)B流穩(wěn)定、抗滑移穩(wěn)定等安全要求，其邊坡防護及防滲體系設(shè)計就成為干塢設(shè)計的關(guān)鍵點。本項目的干塢位于贛江河漫灘，工程場地開闊，干塢穿越地層主要為中粗砂及礫砂層，地下水受贛江水補給，標高隨贛江水位變化而變化，屬于典型的鄰江富水砂層環(huán)境。以往類似環(huán)境下采用放坡開挖的干塢支護防滲體系通常采用坡面網(wǎng)噴混凝土+土釘+三軸攪拌樁(旋噴樁)止水帷幕組合的方式，而在砂質(zhì)坡面上噴射混凝土存在回彈量過大、噴射混凝土同坡面之間結(jié)合差、干塢抽排水過程中易出現(xiàn)坡面防護層下方大面積空鼓及局部脫落甚至坡面局部坍塌等現(xiàn)象，二次使用時需對邊坡防護進行修復(fù)處理，給工程安全及工期帶來一定的影響。且傳統(tǒng)的止水帷幕(三軸攪拌樁或旋噴樁)解決不了砂、巖交界面的止水問題，往往導(dǎo)致在管段預(yù)制期間干塢坡面及塢底出現(xiàn)滲漏水，從而影響管段預(yù)制工序。

紅谷隧道干塢處于鄰江上軟下硬高滲透性富水砂層復(fù)雜地質(zhì)條件下，需經(jīng)歷多次抽排水、兩批次管段預(yù)制等工序，本文將介紹其邊坡防護及防滲體系設(shè)計方案的選取過程，同時對其施工過程及使用效果進行概述。

1 工程概況

1.1 干塢總平面布置

紅谷隧道干塢位于沿江快速路西側(cè)的河漫灘內(nèi)，下游距生米大橋約400 m，上游距贛江鐵路橋約500 m，干塢塢頂南北向長509 m，東西向長248 m，因管段預(yù)制工期需求，干塢按南北雙子塢設(shè)計，在干塢邊坡上設(shè)置8.0 m寬的出入塢便道，2個子塢塢底尺寸為138 m×139 m，每個子塢內(nèi)每次可同時預(yù)制3節(jié)管段，干塢總平面圖見圖1。干塢實景鳥瞰圖見圖2。干塢總占地面積為19萬8 000 m2，其中生活區(qū)占地面積約1萬m2，堆料、預(yù)埋件加工、拌合站等功能區(qū)占地面積約4萬2 000 m2。

圖1 干塢總平面圖(單位： m)

圖2 干塢實景鳥瞰圖

干塢所在場地現(xiàn)狀地面標高為10.70～23.92 m，設(shè)計場平標高為20.0 m，塢底設(shè)計標高為4.0 m。因場地位于大堤內(nèi)側(cè)，為滿足贛江20年一遇的防洪要求，在塢頂設(shè)置4 m高的臨時圍堰，堰頂高程為24.0 m，以確保干塢在洪水期不間斷使用。

1.2 工程地質(zhì)及水文

圖3 地質(zhì)剖面圖

場地地表水主要為贛江地表水，勘察期間地表水水位標高為11.30 m。地下水類型主要為上層滯水、松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水3種，其中第四系松散巖類孔隙水主要為潛水，局部為承壓水，主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖積層③細砂、⑤粗砂、⑥礫砂層中，勘察期間(枯水期)地下水穩(wěn)定水位埋深為4.50～12.00 m，穩(wěn)定水位標高為10.74～12.25 m，贛江水位標高為11.30 m。該區(qū)段水位年變化為 3～13 m，含水層中滲透性較好，滲透系數(shù)為120 m/d。地層巖土參數(shù)見表1。

2 干塢邊坡支護及防滲體系方案選取

2.1 本項目特點

根據(jù)干塢所在位置緊鄰贛江的環(huán)境特點，同時考慮地層以粗砂、礫砂等粗顆粒砂層為主，且含水量豐富，地下水水位基本同贛江水位保持一致，而贛江水位標高年變幅達10 m以上，應(yīng)重點考慮地下水對干塢使用期間的影響。

本項目干塢的南北雙子塢內(nèi)均需分2批次各預(yù)制6節(jié)管段(單次3節(jié))，在使用過程中需經(jīng)歷2次灌水及1次抽排水的工況，工況較為復(fù)雜，需考慮使用過程抽排水期間的邊坡穩(wěn)定問題，同時由于塢底下方2～3 m的地層即進入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，故止水帷幕設(shè)計也是本干塢的設(shè)計重點之一。

2.2 邊坡支護方案選取

綜合考慮該干塢的場地、地質(zhì)及周邊環(huán)境條件，借鑒以往的工程經(jīng)驗，該干塢采用放坡開挖。針對松散砂質(zhì)坡面噴射混凝土存在的問題，將坡面網(wǎng)噴混凝土面層調(diào)整為現(xiàn)澆鋼筋混凝土面層，同時將固定鋼筋網(wǎng)片的錨桿調(diào)整為中空注漿花管。優(yōu)化后的坡面防護體系施工更加便捷，防護性能更加可靠。

表1 地層巖土參數(shù)建議值一覽表

2.3 防滲體系方案選取

塑性混凝土是一種新型的防滲材料，具有以下特點： 1)有很好的力學(xué)特性，彈性模量低，適應(yīng)變形能力強，極限應(yīng)變高，抗震、抗?jié)B性能好； 2)有較好的和易性，有較長的終凝時間和較低的強度； 3)因其配合比中摻入了適當(dāng)?shù)酿ば酝粒瑴p少了水泥的用量，不僅使其抗?jié)B性能得到提高，還使防滲墻造價大大降低[5]。近年來，塑性混凝土防滲墻在國內(nèi)水利水電工程中得到廣泛的應(yīng)用，其中在阿根廷亞西雷塔水電工程、智利柯巴姆壩、伊朗卡爾黑壩、日本只見壩以及三峽二期主圍堰等[6-7]國內(nèi)外具有代表性的大型水利工程中都取得了很好的使用效果，但在市政項目中應(yīng)用相對較少。

考慮到干塢緊鄰贛江，且塢址處地層滲透性極強，要求干塢的防滲墻不僅要具有良好的抗?jié)B性能，同時也有較好的適應(yīng)變形能力。在外界水壓發(fā)生較大變化的情況下，能夠較好地適應(yīng)地層的變形。同時由于場地中風(fēng)化巖面較高，且強風(fēng)化層風(fēng)化程度較大，故需將止水帷幕穿透強風(fēng)化層進入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖2 m以上。根據(jù)南昌當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗，若采用三軸攪拌樁或者旋噴樁作為止水帷幕，將無法滿足止水帷幕進入中風(fēng)化2 m的深度要求，故需尋求其他形式的止水帷幕。通過綜合的技術(shù)經(jīng)濟比選及可行性分析，最終選用塑性混凝土防滲墻作為干塢的止水帷幕。

3 干塢邊坡支護設(shè)計及穩(wěn)定性計算

3.1 邊坡支護設(shè)計

該干塢塢頂整平標高為20.0 m，塢底設(shè)計標高為4.0 m，塢深16 m，塢底位于礫砂層。干塢整體采用放坡開挖，放坡段位于細砂、粗砂、礫砂層中，分3級放坡。第1級坡高為6.0 m，放坡坡率為1∶3； 第2級與第3級坡高均為5.0 m，放坡坡率為1∶3。每級放坡坡底設(shè)置2.0 m寬的平臺，1級平臺上設(shè)置300 mm×300 mm排水溝； 2級平臺上設(shè)置500 mm×500 mm排水溝。干塢坡面防護剖面如圖4所示。坡面防護平面如圖5所示。

標高以m計。

圖4干塢坡面防護剖面圖(單位： mm)

Fig. 4 Profile showing slope protection of dry dock (unit: mm)

圖5 坡面防護平面圖(單位： mm)

坡面防護采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土面層+注漿錨管+斜向鋼筋混凝土格柵梁相組合的方式，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為φ8 mm@200 mm×200 mm，現(xiàn)澆混凝土面層為厚度150 mm的C25混凝土，并在坡面上斜向設(shè)置截面為200 mm×200 mm鋼筋混凝土格柵梁，以增加網(wǎng)噴混凝土坡面的整體穩(wěn)定。格柵梁相交沿坡面垂直方向設(shè)置φ42 mm、t=3.5 mm、L=3 m的注漿鋼花管，單根花管的注漿量不小于0.43 m3，注漿壓力為0.1～0.2 MPa，漿液擴散半徑不小于0.25 m，注漿材料采用純水泥漿，水灰質(zhì)量比為1∶1。施工中注漿工藝采取雙控措施，注漿花管外漏部分錨入格柵梁內(nèi)。

為及時排除地層中滯水，減小坡面水壓力，在坡面設(shè)置φ100 mm的PVC排水管，沿坡面按3 m×3 m梅花形布置。為保證雨季坡面匯水的有序排放，避免對邊坡造成沖刷破壞，在坡頂外側(cè)1.0 m位置及第1級和第2級放坡平臺處設(shè)置截水溝，同時在邊坡交匯處設(shè)置沿坡面向下的500 mm×500 mm的截水溝，并在塢底4個角部設(shè)置5 m×3 m×2.5 m的集水井，將坡面排水收集后抽排至贛江。

3.2 邊坡支護穩(wěn)定性計算

根據(jù)當(dāng)?shù)厣皩臃牌鹿こ探?jīng)驗，松散砂層放坡坡率由工程類比取1∶3，而坡面防護一般按構(gòu)造要求設(shè)置，下文僅對邊坡的整體穩(wěn)定性進行計算。計算時考慮干塢東側(cè)為臨建場地，場平標高為23.0 m，與干塢塢頂存在3.0 m高差，而西側(cè)邊坡緊鄰贛江，受贛江水位變化影響較大，故選取東、西兩側(cè)不利位置進行計算。采用理正深基坑計算軟件7.0版分別對以上2種工況進行穩(wěn)定性計算，同時對塢內(nèi)水位驟降工況進行邊坡穩(wěn)定性計算。

3.2.1 東側(cè)邊坡穩(wěn)定性計算

選取鉆孔GBK17作為計算鉆孔，考慮到臨建場地標高與塢頂標高存在3 m高差，故在坡頂考慮60 kN/m2的超載，另外考慮坡頂20 kN/m2施工機械荷載。根據(jù)此邊界條件建立計算模型并進行邊坡穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果見表2。

表2 東側(cè)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)匯總表

經(jīng)驗算，東側(cè)邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.20[8]，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 鄰江側(cè)邊坡穩(wěn)定性計算

考慮西側(cè)鄰贛江，且贛江豐水期枯水期水位變化大，故將該側(cè)作為單獨的工況進行邊坡穩(wěn)定性驗算。選取鉆孔GZK23作為地質(zhì)參考鉆孔，荷載主要考慮鄰江側(cè)20年一遇的水壓力及土壓力外，還考慮了施工荷載(20 kN/m2)以及干塢頂部的局部臨時圍堰的局部均布荷載(按80 kN/m2考慮)。根據(jù)此邊界條件建立計算模型并進行邊坡穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果見表3。

表3 西側(cè)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)匯總表

經(jīng)驗算，西側(cè)邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.20，滿足規(guī)范要求。

3.2.3 邊坡水位驟降工況下穩(wěn)定性計算

考慮到干塢在使用過程中需經(jīng)歷多次抽排水工況，且坡面防護不可能完全隔斷基坑與土體內(nèi)水力聯(lián)系，故在設(shè)計過程中，對干塢內(nèi)水位驟降對邊坡的穩(wěn)定性影響進行計算分析，分別取水位驟降2、3、4 m 3種工況進行邊坡穩(wěn)定性驗算。計算采用總應(yīng)力法，孔隙水壓力采用近似方法計算，同時不考慮水的滲透力作用，但考慮邊坡外側(cè)靜水壓力，計算結(jié)果見表4。

表4水位驟降工況邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)表

Table 4 Statistics of safety factors of slope under sharp water-level drop

工況水位驟降值/m邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)12．01．38423．01．31034．00．855

經(jīng)多工況的計算分析，在水位驟降4.0 m的工況下，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為0.855<1.15[9]，而在水位驟降3.0 m的工況下，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)能夠滿足相關(guān)規(guī)范的要求，故在干塢的使用過程中應(yīng)要求水位驟降值在3.0 m內(nèi)?？紤]到現(xiàn)場地層的不均勻性以及西側(cè)贛江的水位變化的影響，設(shè)計要求在使用過程中干塢的水位驟降值應(yīng)控制在1.0 m/d，以確保干塢抽排水期間的邊坡穩(wěn)定。

4 干塢防滲墻設(shè)計

4.1 防滲墻厚度的確定

防滲墻的厚度根據(jù)其破壞時的水力梯度和安全系數(shù)來確定，再綜合考慮施工設(shè)備的因素，以確定最終的符合設(shè)計要求的經(jīng)濟墻厚。參考文獻[6]，墻厚計算的經(jīng)驗公式為B=H/JP(H為防滲墻承受的最大水頭；JP為防滲墻的允許水力梯度)。我國已建大部分塑性混凝土防滲墻工程的允許水力梯度均小于60，并安全運行，故國內(nèi)塑性混凝土防滲墻的允許水力梯度亦采用50～60。本次設(shè)計取JP=50，依據(jù)上述公式，本項目防滲墻計算厚度為510 mm。考慮1.25的安全系數(shù)并綜合考慮施工機械設(shè)備，最終防滲墻設(shè)計厚度取800 mm。

4.2 防滲墻設(shè)計

因塢頂需設(shè)置4.0 m高的臨時防汛土壩，故將防滲墻同塢頂防汛土壩結(jié)合設(shè)置。在距塢頂放坡線外側(cè)15 m的位置設(shè)置800 mm厚的塑性混凝土防滲墻，要求防滲墻底部進入不透水層2.0 m以上[10]，并在防滲墻頂部以1∶2的邊坡填筑4.0 m高的袋裝土壩，土壩內(nèi)側(cè)回填2.0 m厚的素黏土夯實，以滿足抵御20年一遇洪水的要求。塑性混凝土防滲墻剖面見圖6，坡頂臨時土壩見圖7。

場地砂層的自穩(wěn)能力差，為防止防滲墻成槽過程中塌槽而影響防滲墻的防滲效果，在防滲墻兩側(cè)增加三軸攪拌樁槽壁加固，加固深度取導(dǎo)墻以下8 m深。同時為了保證防滲墻接縫處的止水效果，將接縫處兩側(cè)槽壁加固的攪拌樁同防滲墻咬合150 mm，且接縫兩側(cè)攪拌樁做至防滲墻底部。在防滲墻成槽時，利用槽壁機切削掉咬合部分的攪拌樁樁體，達到加強接縫止水效果的目的。槽壁加固大樣見圖8。

標高以m計。

圖6塑性混凝土防滲墻剖面圖(單位： mm)

Fig. 6 Profile of plastic concrete anti-seepage wall (unit: mm)

標高以m計。

圖7坡頂臨時土壩(單位： mm)

Fig. 7 Temporary earth dam on slope top (unit: mm)

圖8 槽壁加固大樣圖(單位： mm)

4.3 塢口恢復(fù)設(shè)計

塢口恢復(fù)圍堰軸線長約119 m，堰頂寬10.0 m，堰頂設(shè)1.65 m高草袋土子堰，采用800 mm厚塑性混凝土防滲墻結(jié)合黏土斜墻防滲。圍堰外邊坡采用0.3 m厚的格賓石墊和0.15 m厚的砂卵石墊層防沖刷及防老化，堰腳20.0 m范圍內(nèi)采用充砂袋保護，內(nèi)邊坡采用覆蓋砂卵石防老化，堰頂設(shè)泥結(jié)碎石路面。塢口恢復(fù)橫剖面見圖9。

標高以m計。

圖9塢口恢復(fù)橫剖面圖

Fig. 9 Profile of dry dock portal recovery

5 結(jié)論與體會

沉管隧道干塢因其工程特點及使用要求，選址基本為緊鄰江邊，故干塢的邊坡防護及防滲設(shè)計難度大、風(fēng)險高。本項目干塢的邊坡防護及防滲墻設(shè)計，綜合考慮周邊環(huán)境、地質(zhì)情況、施工機械、工期等因素的影響，經(jīng)濟性較好，可實施性較強，最終使干塢提前1個月投入使用，為工程提供了工期保障，并取得了良好的經(jīng)濟效益。

干塢防滲墻于2014年4月14日開工，2014年6月29日完成，使用期間經(jīng)歷了南昌地區(qū)多個汛期的考驗，從防滲墻墻體質(zhì)量檢測結(jié)果及基坑開挖過程的滲水情況來看，塑性混凝土防滲墻止水防滲效果非常好，為基底處理及沉管預(yù)制施工創(chuàng)造了良好的條件。從干塢的使用情況來看，設(shè)計所采用的整套支護體系使用效果良好，管節(jié)預(yù)制期間塢底基本無滲漏水情況，在完成第1次抽排水后，干塢坡面完好無損，僅對塢底淤泥進行清除后即可進行下批次管段的預(yù)制工作。紅谷隧道干塢所采用的現(xiàn)澆混凝土坡面防護+塑性混凝土防滲墻的支護體系可作為后續(xù)沉管隧道干塢支護設(shè)計的一套完整體系使用，同時也可為其他類似基坑工程提供借鑒。

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DesignofSupportandAnti-seepageSystemofDryDockSlopeinWater-richSandyStratum

ZHANG Wei1, LI Haixia1, ZHAO Zhongren2

(1.ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China; 2.TianjinUrbanRoadPipeNetworkMatchingConstructionInvestmentCo.,Ltd.,Tianjin300202,China)

The cast-in-situ reinforced concrete and plastic concrete anti-seepage system are adopted for support and anti-seepage system of dry dock of Honggu Tunnel in Nanchang in water-rich sandy stratum adjacent to river based on numerical calculation of slope support and drainage simulation of inner dry dock. The multiple drainage tests and flood season show that the support and anti-seepage system adopted for dry dock slope is reliable, adaptable, convenient and with good prevention effect, low cost and little maintenance work. The study can guarantee the construction schedule of the tube prefabrication and even the project.

immersed tunnel; river adjacent; water-rich sandy stratum; dry dock; slope support; anti-seepage system

2017-03-08;

2017-08-01

張偉(1977—)，男，河南洛陽人，2002年畢業(yè)于長安大學(xué)，隧道與地下工程專業(yè)，本科，高級工程師，主要從事隧道與地下工程方面的設(shè)計工作。E-mail： 26309996@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.014

U 45

A

2096-4498(2017)11-1449-06