围堰防渗墙技术在港口干施工中的应用

刘兴安，刘议安，夏林

（1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2.北京市市政工程设计研究总院，北京 100082）

1 围堰防渗墙技术概述

围堰防渗墙是指在土木工程建设中，为建造永久性设施，通过推填土（或其他材料）形成临时性围护结构，在围堰中通过泥浆护壁，使用专用机具自围堰顶面向下凿槽（孔），在槽（孔）内浇灌混凝土、回填黏土、安装预制混凝土构件或其他防渗材料等形成连续的地下墙体。其作用是防止水土进入围堰内，以便安全地在围堰内排水，开挖基坑，修筑建筑（构筑）物，围堰防渗墙除作为正式建筑（构筑）物的一部分外，一般在主体工程结束后拆除。这种方法广泛应于建筑工程、市政工程、桥梁工程、水利水电工程中，在港口工程中也有应用。

围堰防渗墙的设计应依据当地的工程地质条件及水文条件，结合施工结构的要求，进行渗流及结构应力计算，确定墙底嵌入基岩或相对不透水层的深度及墙体材料物理力学指标，选用防渗墙材料，定位防渗墙轴线位置，设计墙厚和防渗墙的连接方式。特殊工程还要在防渗墙内埋设监测仪器，及时掌握墙体的受力情况与防渗效果。

主要施工程序为：成槽、清孔换浆、成孔、验槽、浇筑混凝土、防渗墙质量检查与验收、处理防渗墙段之间的连接。

防渗墙的优点主要有：

1） 机械化程度高，施工速度快、振动及噪音小；2）具有防渗、止水、承重、挡土、防爆等功能，稳定性好，有一定抗弯性能；3） 对开挖的地层适应性强，除岩溶地质外，可在各种地质条件下应用；4） 混凝土施工无需支模及养护；5）通过触变泥浆护壁和止水，不会引起水位降低而造成周围地基沉降。

防渗墙的缺点主要有：

1） 防渗墙之间的墙段接头质量较难控制，往往容易形成结构的薄弱点；2） 施工技术要求高，无论是成槽机械选择、槽体开挖、浇筑混凝土、接头、泥浆处理等环节，均应处理好；3） 制浆系统占地较大，管理不善易污染环境。

2 汉班托塔海港应用围堰防渗墙技术

斯里兰卡汉班托塔海港发展一期工程是政府框架项目，由中国港湾公司总承包，是工期为39个月的EPC项目。施工内容包括2个10万吨级通用码头、1个10万吨级油码头、1个工作船码头、长311 m东防波堤及988 m西防波堤、1个开挖量为1 260万m3的港池，港池设计水深-16 m以及港机设备与其他附属设施等。

该港口位于斯里兰卡南部，濒临印度洋，属热带海洋性气候。无四季之分，只有雨季和旱季的差别，雨季为每年5—7月与9—12月，受季风影响，全年降雨量超过1 500 mm。该项目是通过开挖靠近印度洋海边的一个内陆泻湖连通印度洋形成一个内陆大海港。对该区域进行地质勘察，该区域地质结构由上至下为：湖底淤泥层、黏土层、强风化岩层、中风化岩层及微风化岩层。在降雨量充沛的、靠近印度洋海边的泻湖内开挖面积为110万㎡的大基坑，然后在基坑内建造码头，开挖港池等。围堰防渗墙形成的基坑布置如图1。

在临海边的泻湖中建大海港首先应考虑安全，开挖-16 m的深基坑，首要确保基坑不塌方，不因航道炸礁引起的震动溃堤，不因季风期大风大浪影响施工，要满足这些条件，根本问题就是要解决基坑的防渗。为保证基坑具有良好的防渗效果，中国港湾公司通过咨询相关专家，经过多次论证，根据项目所处的地理位置，气候环境及地质条件，以及围堰防渗墙的技术特点，认为该项目采用围堰防渗墙方案施工是科学的、可行的，主要依据及积极作用为：

1） 围堰防渗墙施工技术在国内是比较成熟的施工工艺，在水利水电工程中应用广泛，技术上是可行的，该项目基坑开挖渗水问题是制约整个项目成败的关键，而围堰防渗墙的防渗系数可达到1×10-7cm/s，防水效果明显；

2） 柔性防渗墙挡土功能好，能适合开挖各种基坑，特别在深大基坑中应用较为普遍，稳定性好，有一定抗弯性能，在某些基坑开挖中可以不需要放坡施工；

3） 该项目航道炸礁量大，工期长，频繁大方量炸礁引起的人造地震对港池开挖、码头施工有破坏作用，柔性防渗墙具有防爆功能，对该项目的深基坑开挖、码头施工具有保护作用；

4） 根据该项目的地质勘察，该地区没有熔岩，大部分都是强风化岩。良好的地质结构为低成本、高效率开挖防渗墙槽提供了良好的地质条件；

5） 围堰柔性防渗墙具有的良好防渗效果，为码头、港池在大基坑中进行干作业提供了保障，在干作业条件下施工码头、开挖港池可以大大缩短工期、节约成本、安全、环境影响相对小、效率高及质量更加有保证。

特别需要注意的是，围堰的稳定、安全及防渗效果，是关系到整个海港工程安全顺利施工的关键，因此在项目施工中，非常明确的确定围堰防渗墙工程是整个项目的生命堰，围堰的监测也就成了该工程的重中之重。

3 围堰防渗墙施工工艺

该基坑是在泻湖中通过推填一个长4 184 m土围堰，在围堰中修筑厚40～60 cm防渗墙形成的基坑。围堰原地面标高为-0.5 m，水深1.5 m。设计基坑高程为-16 m，边坡 1∶0.75～1∶6，保留 2级平台 （-5 m、-10 m），结构坑深-16.5 m，围堰顶标高为+3.5 m，防渗墙的深度随地质而不同，防渗墙需深入强风化层1 m，中风化0.5 m。围堰防渗墙施工程序为：推填围堰→修筑导墙→成槽→泥浆置换→放钢筋网插管接头→浇混凝土→拔管接头。

1） 取土推填泻湖形成长4 184 m、高+3.5 m、宽10～30 m的封闭围堰。其作用是防止湖水及湖底淤泥在疏浚时流入基坑施工区域，为防渗墙施工提供稳定的条件，为港池开挖、建造码头提供安全的作业条件。

2） 在围堰中修筑导墙。导墙的主要作用是作为成槽机械的施工导向，控制标高和钢筋网定位标志，防止槽壁坍塌，支承施工机械、容蓄泥浆护壁，起挡土、维持稳定液面的作用，在土方开挖时防止连续墙顶以上的土方坍塌等。在围堰止水轴线两侧开挖至设计防渗墙上顶标高，平整后开挖导墙基础，修筑混凝土导墙，铺设枕木与钢轨，作为施工机械平台。

3） 成槽。成槽方法有射浆冲击成槽、抓斗成槽、冲锤成槽等。成槽工期占防渗墙总工期的60%以上，因此造孔机械的选型是缩短防渗墙总工期的关键之一。为缩短工期，依据地质勘查资料，本项目适用抓斗成槽方法。

4） 泥浆护壁及清底。主要作用是护壁、携渣、冷却与润滑，主要用来护壁。成槽完成后，需要对槽底进行清孔，以提高防渗墙的承载力、抗渗能力及防渗墙质量。在清渣时，用泵送优质泥浆，保证泥浆液面稳定，以防塌孔，清底完成后，沉渣厚度须小于10 cm。清底后，槽内泥浆指标要确保槽底以上0.2～1 m处的泥浆相对密度必须小于1.15，含砂量小于5%。清底后泥浆指标达标好坏是水下混凝土成功浇筑的关键因素之一。

5）防渗墙的浇筑。防渗墙混凝土用导管法进行浇筑。

防渗墙段之间的接头采用接头管法。即前一墙段挖好后，在墙段的末端垂直插入接头管，然后放入钢筋笼，浇筑混凝土，待混凝土初凝后，先将接头管旋转然后拔出，拔管过早会导致混凝土坍塌，过迟会因混凝土固结而难以拔出。接头管拔出后，在前一墙段形成半圆形，作为下一墙段的企口，在下一墙段施工时，形成承插接口，起到防渗作用。

防渗墙所用的混凝土一般具有适当的强度、较高的抗渗标号、较低的弹性模量，要求较高的塌落度，良好的和易性，不易离析。塑性混凝土配置强度≥1 MPa，在施工时具体配比通过试验来确定。

4 关键监测技术指标、测量仪器及监测方法

在基坑开挖过程中，为了确保基坑安全施工，需对基坑围堰及防渗墙进行监测，通过对各项监测数据的分析，掌握在不同施工时段及不同施工条件下基坑边坡、围堰及防渗墙的稳定性和抗渗性，以根据不断变化的施工情况调整施工工艺、工作程序，采取相应措施，实现安全、进度、成本、环保的全面协调，按期完成该项工作。防渗墙断面及监测管布置见图2。

4.1 技术指标和监测仪器

4.1.1 表层位移

测量仪器为：水准仪（型号DSZ2）、高精密全站仪（GDM620M）、标尺、棱镜。

观察标志埋设：表层位移监测点采用埋标法，监测标志为不锈钢高70 mm，埋设在各级平台外侧，埋设后测定初值。

测量与保护：垂直位移采用水准仪进行测量，观测精度为1 mm，测点前后高程的变化值即为该点的垂直位移；地表水平位移观测采用全站仪进行观测，观测时由基点坐标确定测点坐标，对比每次观测前后测点的坐标变化，计算出该点的水平位移。同时应定期对测点基点进行校准，以保证准确性。为防止观测标志被破坏，在标志周围设置警示标志与保护装置，保证其安全与数据的连续性。

4.1.2 土体深层水平位移及防渗墙深层水平位移

测量仪器为：测斜仪（型号IC35000）、测斜管（φ70 mm）。

测斜管的安装及保护：用Dn70 mm带“+”字导槽的PVC管作为测斜管。在预定的测斜管埋设位置，采用地质钻机在该点钻孔，进入强风化1 m，然后将测斜管底部装上底盖，逐节安装，放入孔内。安装时应注意使一对“+”字导槽对准测试方向，并使上下导槽平顺对接。管内注入清水，待沉管到孔底时，即向测斜管与孔壁之间的空隙由下而上逐段用砂填实，固定测斜管。用清水将测斜管内冲洗干净，将测头模型放入测斜管内，沿导槽上下滑行一遍，以检查导槽是否通畅，滚轮是否有滑出导槽。注意未确认畅通前不得放入真实测头。测斜管应高出地面0.5 m左右，顶部用管盖保护管口，防止杂物落入管内，四周设警戒带，防止人为破坏。

观测方法：测斜管稳定后（约3 d），采用伺服加速度计式高精密测斜仪进行初始观测，并测量管口坐标及高程，初始值可取连续3次测量无明显差异的平均值或1次的测量值。

4.1.3 地下水位

测量仪器：水位计（型号30 m）、水位管。

水位管的安装与保护：水位管采用Dn53 mmPVC管，下端50 cm水位管为透水段，用Dn6 mm钻头钻6排孔，钻孔间距为5 cm，呈梅花形布置。埋设时水位管管底封闭，透水段用无纺进行包装，防止颗粒进入，影响观测效果。首先钻孔至设计水深（孔径＞86 mm），下管前应在孔底填10 cm厚的反滤层，然后放入孔底，并将空隙填实。水位管应高出地面0.8 m，保护同测斜管。

观测方法：将钢尺水位计测头放入管内，当测头触点碰到水面时，接收系统的音响器就会响，读出钢尺电缆在管口的深度，即为地下水位离管口的距离。取读数稳定后至少3 d的水位平均值作为初始值，并测量管口坐标及高程。

4.1.4 孔隙水压力

测量仪器：振弦式孔隙水压力传感器、振弦式数据采集仪（型号HY-DSY-406A）。

仪器埋设及保护：孔隙水压力传感器在基坑降水前一周埋设，在埋设之前，将孔隙水压力传感器浸泡在水中48 h，以排除传感器内及管路中的空气，钻孔后用输送管将孔隙水压力传感器推入土层中预埋位置，周围用透水填料回填，层高为0.6～1.0 m，上下两个孔隙水压力传感器之间应有高度＜1 m的隔水填料分隔，宜先用Dn2 cm的风干膨润球作填料，孔口用隔水填料填实密封，防止地表水渗入，立即进行测读，检查传感器埋设是否正常。为防止破坏，在孔隙水压力传感器埋设好后，把测试电缆放入专用箱子内，并保护好，保护同水位管。

观测方法：用振弦式读数仪进行测量，取读数稳定后至少3 d的孔压平均值作为初始值，施工期间应每天定时测量。

4.2 检查、监测频率与报警值

检查内容包括：围堰及基坑坡顶及边坡有无裂缝、滑动、冲刷、渗水、流土、管涌等异常现象；泻湖侧与海侧水面有无冒泡、变混或漩涡等异常现象；排水系统是否畅通、护坡是否完好，渗水量的水量、颜色、浑浊度等有无异常。

围堰与基坑边坡的巡视检查：围堰在施工期为每周2次，围堰合龙后抽水、降水初期为每天1次，基坑开挖完毕后，每周1次，汛期增加次数；基坑开挖过程中每周2次，基坑开挖完毕每周1次，汛期高水位时增加次数。

地下水位及其他监测项目（表1）的监测频率：当降水及开挖施工和码头施工时为1次/d，当港池灌水时为2～3次/周。监测报警值见表1。

表1 监测报警值

4.3 围堰防渗墙监测总结

在整个监测过程中，通过总包、分包与设计的相互配合，设计科学、施工合理，监测认真，确保了基坑开挖的安全。在施工中出现了一些不稳定因素，采取了应对措施，保证了围堰施工安全。主要在以下几个方面：

1）基坑开挖对围堰的影响。根据监测数据可以发现，基坑开挖对围堰影响最为明显，开挖到围堰附近时，该围堰的位移变形就大。

2） 断面深层土体的不稳定性。当累计沉降值及深层水平位移观测值超过设计预警值，该围堰断面地面以下8 m与13 m处有比较明显的突变点，发现该深度存在软弱夹层，该断面浅层位移、水位变化较大。

3）断面存在较厚的软土层。围堰某些断面-11 m处有比较明显的滑移面，同时该断面累计沉降值超过设计预警值，浅层位移量也大，结合地质资料，该断面附近存在厚的淤泥层。采取抛石换填后，水平位移明显减缓，加固取得好的效果。

4）裂缝对围堰的影响。防渗墙两侧的裂缝在旱季与雨季反复出现，主要原因是防渗墙与土体刚度不同，随着地下水位的下降土体产生固结，而防渗墙沉降小，在防渗墙上方土体与防渗墙土体产生不均匀沉降，因此出现裂缝。

围堰内外边坡裂缝主要是由于外部荷载引起土体拉裂，另外雨水加剧裂缝的发展，对围堰存在较大安全隐患，项目部采取措施，对外侧边坡与平台重新进行了修整，确保了围堰的安全。

5 围堰防渗墙技术在港口工程中应用取得的主要成就

5.1 进度、成本、质量、安全及环保方面

从围堰施工开始至港池注水完毕，整个基坑没有出现边坡塌方、滑移现象，在码头施工、港池开挖时，围堰防渗墙的渗水系数远低于1.0×10-7cm/s，防渗墙良好的防渗、挡土效果，确保了整个项目提前3个多月完工，节约了工程成本。同时在水下炸礁的条件下进行港口施工的造价比采用防渗墙技术形成干作业环境下建设港口的造价要高3～7倍，采用围堰防渗墙技术进行港口干作业经济效益明显。围堰防渗墙施工全过程未出现人员伤亡事故，安全成本低。泥浆全部循环利用，没有造成水体污染，噪声控制在容许范围之内，环境保护取得好的成绩。

5.2 中国标准应用与推广方面

斯里兰卡港口工程施工中从未应用过围堰防渗墙技术，也没有自己的港口工程规范，一般都采用英国标准。业主因对围堰防渗墙技术应用在该国海港工程的可行性没有把握，为了规避风险，业主对围堰防渗墙单位工程采取总价包干的方式。我国在水利水电等工程中采用防渗墙施工工艺开挖基坑的技术成熟，国内港口工程施工中也有应用，国内有一套完整的规范。为了便于项目施工，发挥自己的技术优势，同时也为在海外工程推广中国标准，建议业主在防渗墙单位工程采用中国标准，中国标准在某些方面比英国规范更严，业主对防渗墙工程取得的结果非常满意，由开始的不了解中国标准到相信中国标准并在后续二期开发中毫不犹豫地继续推广应用中国标准。

5.3 合作共赢及功能创造方面

港池按-16 m设计开挖，在基坑开挖过程中围堰的稳定性及防渗效果好，施工进度也大为加快。为提高、扩大港口的使用功能，业主要求将-16 m深港池变更到-17 m，将原来水深-16 m油码头更改设计为-17 m的码头，并增加1个-17 m的10万吨级墩式油码头。在不增加防渗墙成本的条件下，大大扩展了港口的功能，为业主节约了成本，带来好的收益。这一变更导致工程量大量增加，也给总承包商带来更多的利润，体现了合作共赢的经营理念。

6 结语

围堰防渗墙的施工效果是影响整个工程建设成败的关键。围堰防渗墙在该港口中防渗效果好，防渗系数远低于1×10-7cm/s，止水效果是非常明显的；节约了大量的船机设备、材料、人力；港池开挖完工提前了4个月，港口开港提前了3个月，工程取得了成功，得到了多国同仁对采用止水围堰进行内挖式干施工方案的认可，提高了中国港湾公司在海外的知名度；止水围堰围成110万m2基坑形成的陆上施工的环境，整个海港工程在干作业条件下进行施工还是港口工程施工中的第一次成功应用，也是目前世界上第一个干施工的海港工程；这种干施工港口方案的成功实施，为陆地干施工积累了宝贵经验，具有指导意义。

[1]SL 551—2011，土石坝安全监测技术规范[S].

[2]GB 50497—2009，建筑基坑工程监测技术规范[S].

[3]DL/T 5199—2004，水利水电工程混凝土防渗墙施工规范[S].

[4] 交通部第一航务工程局.港口工程施工手册[M].北京：人民交通出版社，1994.

[5]包承纲.三峡工程二期深水围堰的建设和研究[J].水利水电科技进展，2001（4）：21-25.