某大型湖底明挖隧道鋼圍堰設(shè)計(jì)要點(diǎn)

宋 尚

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

湖底隧道作為一種重要的市政構(gòu)筑物，隨著城市經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，近年愈發(fā)受到城市開發(fā)管理人員的認(rèn)可。其施工方式主要有明挖和盾構(gòu)兩種。在明挖湖底隧道施工時(shí)，通常需要施作圍堰，為隧道的后續(xù)施工提供空間。鋼圍堰具有施工效率高、環(huán)境影響小、可重復(fù)利用、安全性高等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-3]?；谒淼廓M長(zhǎng)型的特點(diǎn)，湖底明挖隧道圍堰一般很難形成內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，使其形成明顯不同于橋梁常規(guī)鋼圍堰的結(jié)構(gòu)形式。

目前對(duì)此種形式的圍堰尚未形成成熟的計(jì)算和設(shè)計(jì)方法，本文希望通過討論某湖底大型明挖隧道的鋼圍堰設(shè)計(jì)，提出湖底明挖隧道鋼圍堰設(shè)計(jì)的相關(guān)要點(diǎn)，為后續(xù)類似項(xiàng)目提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

本湖底隧道工程項(xiàng)目位于江蘇省蘇州市，總長(zhǎng)3.93 km，隧道主線總長(zhǎng)度2.6 km，其中湖中段長(zhǎng)度約1.6 km。隧道采用圍堰明挖工法，分兩期施作。一期圍堰總長(zhǎng)度2 311 m，其中北側(cè)、南側(cè)縱向圍堰長(zhǎng)度分別為1 160 m 和898 m，橫向圍堰長(zhǎng)253 m。二期圍堰總長(zhǎng)度2 029 m，其中利用一期圍堰長(zhǎng)度267 m，東端頭隧道上方橫向圍堰長(zhǎng)度為253 m，北側(cè)、南側(cè)縱向圍堰長(zhǎng)度分別為795 m 和714 m。

根據(jù)湖底水下地形圖，湖底標(biāo)高主要為3 個(gè)區(qū)段：湖西段（K0+460～K0+960）約500 m 范圍湖底現(xiàn)狀標(biāo)高約-0.700～-1.500 m（平均約-1.1 m）；湖中段（K0+960～K1+900）約940 m 范圍湖底現(xiàn)狀標(biāo)高約-5.0～-6.1m；湖東段（K1+900～K2+040）約140 m 范圍湖底現(xiàn)狀標(biāo)高約-1.5 m。湖底除表層約1 m 厚的淤泥質(zhì)素填土外，其余均為土質(zhì)較好的黏土和粉質(zhì)黏土層，但④-1a、④-2 層土中粉砂、粉土較豐富，為承壓水層。

2 鋼圍堰設(shè)計(jì)

考慮本工程為重點(diǎn)工程且施工期圍堰易受船行、風(fēng)浪影響等，根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定本工程圍堰建筑物級(jí)別為4 級(jí)，取20 a 一遇的防洪水位標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)設(shè)計(jì)水位為2.184 m，安全超高為0.50 m。圍堰頂高程=設(shè)計(jì)水位+ 設(shè)計(jì)波高+設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度+安全超高，故設(shè)計(jì)圍堰頂高程取3.574 m。

2.1 湖西段圍堰設(shè)計(jì)

湖底現(xiàn)狀標(biāo)高約-0.700～-1.500 m（平均約-1.1 m），采用雙排鋼板樁，鋼板樁樁長(zhǎng)12 m，堰體寬度6 m，堰頂高程不小于3.574，在樁頂下1.0 m 設(shè)一道對(duì)拉桿，對(duì)拉桿通過［28a 雙拼槽鋼將前后排鋼板樁拉結(jié)成整體。在圍堰迎水側(cè)設(shè)袋裝土護(hù)底防沖刷，頂寬3.0 m，高1.5 m，邊坡坡比為1∶5。圍堰基坑內(nèi)側(cè)設(shè)填土護(hù)道，頂寬3.0 m，高1.5 m，坡比1∶2.0，如圖1 所示。

圖1 湖西段圍堰橫斷面圖

2.2 湖中段及湖東段圍堰設(shè)計(jì)

湖中段湖底現(xiàn)狀標(biāo)高約-5.0～-6.1 m，采用雙排鋼管樁，外側(cè)鋼管樁樁長(zhǎng)24 m（26 m），內(nèi)側(cè)鋼管樁樁長(zhǎng)20 m，堰體寬度8 m，堰頂高程不小于3.574，在樁頂下0.5 m、2.0 m 設(shè)兩道對(duì)拉桿，對(duì)拉桿通過［28a雙拼槽鋼將前后排鋼管樁拉結(jié)成整體。在圍堰迎水側(cè)設(shè)土坡護(hù)底防沖刷，頂寬3.0 m，高2.0 m，邊坡坡比為1∶5。圍堰基坑內(nèi)側(cè)設(shè)填土護(hù)道，頂寬3.0 m，高1.5 m，坡比1∶2.0，如圖2 所示。湖東段湖底現(xiàn)狀標(biāo)高雖與湖西段相似，但范圍較小，經(jīng)過過渡段后，圍堰已接近東側(cè)岸邊，故湖東段圍堰采用了與湖中段相同的圍護(hù)型式。

圖2 湖東、湖中段圍堰橫斷面圖

這2 種圍堰坡頂均采用預(yù)制鋼筋混凝土路面，并朝外側(cè)形成2%的坡度，方便排除雨水。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 圍堰穩(wěn)定性與承載力計(jì)算方法

基于國(guó)內(nèi)類似工程項(xiàng)目，徐江平等[2，4-7]對(duì)雙排鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性與承載力計(jì)算進(jìn)行了討論。在穩(wěn)定性方面，主要計(jì)算了抗傾覆穩(wěn)定性、抗滑移穩(wěn)定性等。在構(gòu)件承載力方面，一是基于經(jīng)典土壓力模式，計(jì)算出圍堰內(nèi)外水土壓力后，再用軟件求解；二是采用專業(yè)的有限元軟件，如FLAC 3D 等，直接建模計(jì)算。

筆者認(rèn)為，在圍堰構(gòu)件剛度和承載力滿足計(jì)算的條件下，鋼圍堰類似于重力式擋墻，其穩(wěn)定性的計(jì)算可參考相關(guān)規(guī)范，并計(jì)入水壓力的作用，驗(yàn)算圍堰的整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、抗?jié)B流穩(wěn)定性等安全系數(shù)。各安全系數(shù)的取值可參考《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》對(duì)重力式擋墻的要求。以深水區(qū)為例，可將水當(dāng)成一層內(nèi)摩擦角和黏聚力均為0 的土層看待，再采用相關(guān)軟件進(jìn)行計(jì)算。

徐江平等[2，4-7]對(duì)鋼圍堰的穩(wěn)定性計(jì)算都集中在抗傾覆穩(wěn)定性和抗滑移穩(wěn)定性方面，對(duì)整體穩(wěn)定性均未提及，而本文則提出了可基于軟件操作的鋼圍堰整體穩(wěn)定性計(jì)算方法，如圖3 所示。

圖3 圍堰穩(wěn)定性計(jì)算圖示

在土壓力計(jì)算方面，當(dāng)采用經(jīng)典土壓力理論進(jìn)行計(jì)算時(shí)，相關(guān)文章均按照朗肯土壓力的主、被動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算。這在圍堰的寬高比較大時(shí)是成立的，而在圍堰寬高比較小時(shí)，如本工程湖東段、湖中段，采用此方法計(jì)算圍堰內(nèi)部土壓力就會(huì)放大內(nèi)部土壓力大小，影響計(jì)算結(jié)果。因?yàn)楦鶕?jù)朗肯土壓力理論，圍堰寬高比較小時(shí)，其破壞面如圖4 所示，并未達(dá)到主動(dòng)土壓力破壞角，不滿足主動(dòng)土壓力條件，故需按照有限范圍內(nèi)的主動(dòng)土壓力理論進(jìn)行計(jì)算。其主動(dòng)土壓力應(yīng)為：

式中：Ea為有限范圍內(nèi)土壓力；G 為破壞體范圍內(nèi)的土的重力；θ 為實(shí)際破壞角，詳見圖4；φ 為圍堰內(nèi)填土的內(nèi)摩擦角；L 為實(shí)際破壞面長(zhǎng)度，詳見圖4。

圖4 破壞面

3.2 墻背堆土或拋石對(duì)結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性的有利作用

圍堰背土側(cè)堆土或拋石范圍足夠，相當(dāng)于減小了圍堰的懸臂高度，會(huì)大幅提升圍堰穩(wěn)定性，減小構(gòu)件內(nèi)力。以深水區(qū)為例，在圍堰水深較深時(shí)，由于采用的是懸臂結(jié)構(gòu)，對(duì)圍堰的插入比和圍堰寬度的要求就比較高，同時(shí)鋼構(gòu)件的內(nèi)力非常大，導(dǎo)致截面尺寸巨大。當(dāng)懸臂高度減小時(shí)，內(nèi)力削減速度與圍堰高度呈三次方的關(guān)系，所以對(duì)水深較深的圍堰，在背水側(cè)適當(dāng)堆土或拋石，可大幅減小圍堰構(gòu)件的截面尺寸。對(duì)長(zhǎng)大圍堰，特別是水深很深時(shí)，這是非常經(jīng)濟(jì)的一種做法。對(duì)于較淺的圍堰，也可以適當(dāng)堆土或拋石，以增加圍堰的安全系數(shù)。堆土或拋石的范圍一定要滿足形成被動(dòng)土壓力的條件。

3.3 局部穩(wěn)定性

鋼圍堰由鋼管、鋼圍檁和鋼拉桿構(gòu)成。鋼管、鋼圍檁為受彎構(gòu)件，鋼拉桿為受拉構(gòu)件。鋼管和鋼圍檁需考慮其局部穩(wěn)定性。鋼管在施工完成后，需對(duì)其內(nèi)部空間進(jìn)行填充。這樣既可增大鋼管的剛度，又可減小鋼管局部失穩(wěn)的可能性。鋼圍檁可參考基坑鋼圍檁做法，對(duì)其局部穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，并通過設(shè)置加勁板避免鋼圍檁產(chǎn)生局部失穩(wěn)問題。

同時(shí)，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鋼構(gòu)件的保護(hù)，避免對(duì)鋼構(gòu)件造成不可逆的破壞。

3.4 圍堰型式和材料的選擇

圍堰構(gòu)件型式和材料的選擇應(yīng)遵循安全、經(jīng)濟(jì)、方便的原則，在保證結(jié)構(gòu)安全性的前提下，應(yīng)優(yōu)先采用制式的截面型式和材料，減少現(xiàn)場(chǎng)的加工量。

鋼圍堰目前的型式有很多種，包括拉森鋼板樁、帶不同鎖扣型式的鋼管樁，以及多種型式的組合截面[8-9]。一般來講，深水區(qū)圍堰既要滿足止水需要，又要滿足受力需求。一般均需要在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的加工，特別是接頭的加工。這時(shí)若能選擇可在工廠里加工或者加工量少的接頭，將會(huì)大大提升工程的經(jīng)濟(jì)性。

同時(shí)，鋼圍堰構(gòu)件材料的選擇也有多種。例如，拉桿材料，當(dāng)采用一般的Q500 鋼材時(shí)，可能需要選取的截面就很大，而且兩端端頭處還需現(xiàn)場(chǎng)加工；若采用工廠加工成套的高強(qiáng)度拉桿，屈服強(qiáng)度高，且自配高強(qiáng)螺栓和兩端螺口，大大減少了連接的加工量。

3.5 圍堰線型的選擇和轉(zhuǎn)角處理

鋼圍堰內(nèi)外兩側(cè)的鋼構(gòu)件一般是一一對(duì)應(yīng)的，特別是在水深較深時(shí)，每根鋼構(gòu)件上面均需要布設(shè)多根鋼拉桿。這就要求內(nèi)外兩側(cè)的鋼構(gòu)件數(shù)目一致。一般來講，外側(cè)鋼構(gòu)件需要止水，所以是搭接的，且圍堰外側(cè)實(shí)際平面長(zhǎng)度要大于內(nèi)側(cè)的長(zhǎng)度，就導(dǎo)致外側(cè)構(gòu)件數(shù)量一般要多于內(nèi)側(cè)構(gòu)件數(shù)量，而內(nèi)側(cè)構(gòu)件除鋼板樁外，一般都不是連續(xù)的，故可以通過調(diào)整內(nèi)側(cè)鋼構(gòu)件的間距達(dá)到要求。在轉(zhuǎn)角部位，如果轉(zhuǎn)角過大，內(nèi)側(cè)鋼構(gòu)件間距太小難以布置；若采用大半徑圓弧過渡的方式，鋼圍檁很難與鋼構(gòu)件密貼，影響圍堰的整體性。故筆者認(rèn)為比較科學(xué)的辦法是采用多段折線實(shí)現(xiàn)過渡，或者在圍堰中間布設(shè)一定的輔助鋼板（管）樁，保證轉(zhuǎn)角處的整體性。

3.6 圍堰分期實(shí)施

一般來講，在水域中施工隧道時(shí)，是不允許斷流的，這就需要分期實(shí)施。在二期施工時(shí)，已建隧道頂部上方需要設(shè)置臨時(shí)擋水結(jié)構(gòu)。擋水結(jié)構(gòu)有圍堰和混凝土擋水墻兩種。當(dāng)水深較深時(shí)，采用混凝土擋水墻所需的截面大，同時(shí)施工結(jié)束后水下切割工作量大，所以宜在隧道頂部澆筑鋼筋混凝土卡槽設(shè)置鋼圍堰與兩側(cè)圍堰接順，便于后期拆除，但須保證卡槽內(nèi)密實(shí)，防止漏水。當(dāng)水深較淺、拆除方便時(shí)，可采用混凝土擋水墻。

3.7 圍堰頂施工荷載

圍堰頂可能存在的施工荷載有填土過程中的施工荷載、圍堰頂當(dāng)作施工便道所產(chǎn)生的施工荷載。

本工程在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)上述兩種工況均進(jìn)行了考慮，取施工荷載20 kPa，對(duì)圍堰進(jìn)行了穩(wěn)定性和承載力驗(yàn)算。但從類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)看，圍堰頂當(dāng)作施工便道荷載難以控制，容易對(duì)圍堰拉桿產(chǎn)生破壞，繼而產(chǎn)生整體性破壞，故設(shè)計(jì)文件中明確圍堰頂不能用作施工便道。

4 監(jiān)測(cè)方案和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

鋼圍堰主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為圍堰頂部的豎向位移和水平位移。其報(bào)警值并無相應(yīng)的規(guī)范規(guī)定，設(shè)計(jì)對(duì)鋼圍堰進(jìn)行了有限元分析，計(jì)算出豎向沉降和水平位移，分別為6 cm、4 cm，取計(jì)算值的75%作為報(bào)警值，即圍堰頂部豎向位移和水平位移監(jiān)測(cè)報(bào)警值分別取4.5 cm、3 cm。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，湖中段水平位移均逼近設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，其余監(jiān)測(cè)內(nèi)容均在報(bào)警值內(nèi)。

5 結(jié)論

通過本工程，對(duì)湖底明挖隧道鋼圍堰形成了以下經(jīng)驗(yàn)，可供后續(xù)類似工程參考。

（1）本文系統(tǒng)地提出了湖底明挖隧道鋼圍堰的穩(wěn)定性和承載力計(jì)算方法，特別是提出了可基于軟件操作的整體穩(wěn)定性計(jì)算方法，并對(duì)圍堰內(nèi)土壓力的計(jì)算方法進(jìn)行了討論，指出當(dāng)圍堰高寬比較大時(shí)，圍堰內(nèi)的土壓力應(yīng)為有限范圍的主動(dòng)土壓力。

（2）不同工程應(yīng)根據(jù)自身情況，特別是平面線型、工程地質(zhì)、水文條件因地制宜地選擇鋼構(gòu)件的種類和型式，鋼圍堰的斷面和平面型式。

（3）施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制施工對(duì)鋼圍堰的影響，避免對(duì)鋼構(gòu)件產(chǎn)生破壞，建議圍堰頂不作為施工便道使用，基坑內(nèi)部施工過程應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鋼構(gòu)件的保護(hù)。湖底明挖隧道鋼圍堰沒有相應(yīng)的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)報(bào)警值可通過設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果確定。