南昌红谷沉管隧道江中模袋砂围堰冬汛灾后土石围堰重建施工技术

邓　彪， 郭小龙， 李志军

(1. 江西省水利规划设计研究院， 江西 南昌　330029； 2. 中铁隧道集团二处有限公司， 河北 三河　065201)



南昌红谷沉管隧道江中模袋砂围堰冬汛灾后土石围堰重建施工技术

邓彪1， 郭小龙2， 李志军2

(1. 江西省水利规划设计研究院， 江西 南昌330029； 2. 中铁隧道集团二处有限公司， 河北 三河065201)

为快速恢复南昌红谷隧道冬汛灾后被冲毁的模袋砂堰体，给围堰内剩余工程提供无水作业条件，选用“土石围堰+塑性混凝土钻孔咬合桩和高压旋喷桩防渗体系”新型堰体恢复方案： 水中利用抓斗船沿围堰轴线抛填石块，陆上利用自卸汽车外运黏土从堰体两端逐步抛填直至堰体合拢，采用成孔过程中对周边地层扰动较小的反循环钻机施工塑性混凝土钻孔咬合桩，并在新做塑性混凝土咬合桩与原围堰塑性混凝土防渗墙接茬处施工高压旋喷桩加强止水。实践证明： 重建土石围堰具有施工速度快、成本相对较低、作业区域小、稳定性好、抗渗能力强等优点，适用于沉管隧道江中围堰的新建和重建等临时性水利工程。

沉管隧道； 模袋砂围堰； 土石围堰； 围堰重建； 塑性混凝土钻孔咬合桩

0　引言

沉管隧道是一种跨越江河、海湾的水下交通通道，从1910年美国在底特律河修建第一座沉管隧道算起，已有100多年的历史[1-2]。沉管法是相对经济的水下穿越方法，在我国起步较晚，但随着我国现代化交通建设和城市的发展，预计将有大量的水下隧道采用沉管法修建[3]。目前在我国香港、台湾、广州、宁波、上海、舟山和天津等城市已先后建成多座沉管隧道[4]。

模袋砂围堰、土石围堰和混凝土砌块围堰在水利工程中应用都比较成熟，在不同的地理环境和施工条件下，各自都具有一定的优势。沉管隧道在管段浮运出坞后需要施作二次围堰将干坞与河流隔开，然后将干坞里的水抽干进行二次开挖。一般多选择模袋砂围堰或混凝土砌块围堰，相比较而言，混凝土砌块围堰的稳定性以及抗渗性都比模袋砂围堰要好[5]。广州生物岛—大学城沉管隧道二次围堰采用水下自密实不扩散混凝土技术开发出了一种沉管隧道二次围堰防渗体系的施工方法[6]。目前，对土石围堰防渗技术的研究不多，尤其是对中小型工程土石围堰技术的研究[7]。

南昌市红谷隧道模袋砂围堰冬汛受灾，东岸江中端头堰体被冲毁，由于围堰内土建工程尚未完成，且无法在水下施工，须重建围堰并抽干水后在无水的条件下作业。红谷隧道东岸重建围堰位于赣江主航道，后期需拆除并恢复原河床，混凝土砌块围堰和水下自密实不扩散混凝土围堰不适合本工程，本工程重建堰体与原堰体合拢并形成封闭的防渗体系比较罕见，没有类似工程案例可以参考。根据红谷隧道工程东岸重建围堰施工完成2个月后即进行拆除的实际情况，需要开发一种稳定性及抗渗性好、成本低廉、作业方便快捷的堰体型式。本文分别从安全技术可行性、方案优缺点、工程费用、工程规模和工期等5个方面进行分析，最终决定采用具有结构稳定、抗渗性能好、成本较低、作业方便、安全性高、工期可控且经济等优点的“土石围堰重建堰体”方案。

1　工程概况

红谷隧道穿越赣江，连接红谷滩新区与东岸老城区，距离上游南昌大桥1.4 km，距离下游八一大桥2.3 km，为东西走向双向6车道城市交通主干线。隧道总长9.3 km，过江段采用沉管法，长度为1 329 m。隧道采用“快速过江、水下立交、多点疏散、东西贯通”的设计方案，西起丰和中大道与怡园路交叉口，向东沿怡园路布设，在红谷中大道设1对出入口，主线下穿红谷中大道和赣江中大道，以直线形式穿越赣江和江心洲，采用水下互通立交衔接东岸，分别在江中大道南、北两侧各设1对出入口，中山西路设1对出入口，朝阳洲中路设1个出口。

1.1原设计围堰概况

东岸围堰轴线长约651 m，端头坡脚深入江中长度为320 m，进入赣江主航道。围堰填筑高度约20 m，底部宽度约120 m，顶部宽度约10 m，填筑方量约70万m3，分别在18.5 m高程和9.7 m高程处设3.0 m宽的平台(高程采用黄海高程，下同)。堰体内、外侧边坡坡比分别为1∶2.5和1∶3.0，围堰边坡防护采用砂卵石垫层+格宾石垫。16.7 m高程以下围堰采用两侧模袋砂横断面结构，每层模袋砂厚度为0.5 m，在砂芯范围施工三轴搅拌桩槽壁加固和塑性混凝土防渗墙隔断赣江水； 16.7 m高程以上堰体外侧为黏土防渗斜墙，内侧为模袋砂，每层模袋砂厚度为0.7 m。为满足沉管与暗埋段对接的要求，在东岸设置端头整体式、两侧分离式模袋砂临时围堰及其防渗体系隔断赣江水，在堰体的防护下施工围堰内主体结构。原设计围堰的平、剖面如图1所示。

(a) 原设计围堰平面图

(b) 原设计围堰横剖面图

1.2枯水期赣江冬汛洪水情况

红谷隧道隧址上游受连日降雨的影响，出现历史罕见冬汛，至2015年11月19日，隧址南昌外洲水文站水位急升至18.28 m，流量陡增至10 700 m3/s，流速猛涨，水位超过50年一遇的水位18.15 m。2005—2015年11月赣江水位如图2所示。

图2　2005—2015年11月赣江水位曲线

Fig. 2Curve of water levels of Ganjiang River in November,2005 to November, 2015

1.3围堰冬汛受灾情况

2015年11月14日，受江西省内连日降雨的影响，赣江上游水库出现超警戒水位，为缓解库容压力，上游水库泄洪，地处中游的红谷隧道东岸围堰遭受到不可抗力的赣江冬汛洪峰。红谷隧道隧址赣江水位日最大涨幅为1.4 m，并迅速暴涨至14.7 m，流量陡增至5 120 m3/s，赣江水位距堰顶不到1.0 m。红谷隧道东岸围堰原设计为非过水围堰，为防止整座堰体被冲毁，主动降低江中端头堰体标高，并利用挖掘机在围堰端头顶部开挖沟槽，使赣江水顺沟槽流进围堰内。但因水位上涨太快，大量赣江水迅速漫过沟槽流进围堰，洪水冲刷內堰体边坡，冲毁江中端头围堰的部分堰体。

1)冲毁端头围堰。原围堰江中端头堰体被冲毁情况如图3所示。江中端头围堰约65 m长模袋砂堰体、防渗墙及防护边坡等被冲毁，围堰底岩层被推移挤裂。被冲毁后的堰体底部标高为2.98～7.26 m，呈外高内低的冲毁斜坡面，其上方8～12 m高堰体全部被冲毁。

图3　原围堰江中端头堰体被冲毁

2)填埋堰内端头基槽。江中端头堰体被冲毁前后横剖面如图4所示。被冲毁的江中端头围堰形成泥石流冲入端头基槽中，并将基槽原开挖底标高从-8.2 m 填埋至-1.5 m，在已开挖完成的基槽内形成6.7 m厚的砂、砂卵石、格宾石垫、模袋、块状泥质粉砂岩、大块防渗墙和搅拌桩头等混合填埋体，且水密门、端封门、端钢壳及面板、鼻托、支座等均被冲击掩埋。

图4　江中端头堰体被冲毁前后横剖面图(单位： m)

Fig. 4Profile of cofferdam end before and after destroyed by water (m)

2　围堰内尚未完成的施工任务

因发生洪灾时，围堰内端头基槽开挖、堰内明挖基坑主体结构施作、结构洞内支模材料清运出洞、结构顶板防水及回填土、基坑围护结构及钢筋混凝土支撑拆除、大堤挡墙及大堤填土恢复等施工任务均未完成，且无法在水下施工，须重建围堰并抽干水后在无水的条件下作业。同时，为防止在围堰内抽水过程中发生主体结构上浮开裂的安全质量事故，需对主体结构预先压重。围堰内尚未完成的施工任务具体如下：

1)岸下疏散大厅基坑顶板防水层及其上方500 mm厚素混凝土完成70%，与4条匝道接口部位各剩1组顶板未施工，顶板顶面标高为7.7～8.4 m。

2)高于河床的岸下基坑围护结构地下连续墙、钻孔桩和钢筋混凝土支撑尚未拆除完成，影响后期航道内船舶通行，极易造成通航安全事故。

3)赣东大堤挡墙恢复完成10%，挡墙背后回填土未施工。原围堰为第1道防洪体系，岸上匝道基坑围护结构地下连续墙为第2道防洪体系，2道防洪体系确保南昌老城区的防洪安全。现围堰被冲毁，仅利用岸上匝道基坑围护结构地下连续墙防渗体系不能满足老城区的防洪安全，必须重建围堰恢复2道防洪体系。大堤挡墙和背后填土施工完成后，才可拆除围堰。

4)端头基槽围护结构钢管桩之间的钢筋混凝土支撑未完全拆除，且已拆除的支撑混凝土块堆在基槽未清理，钻孔桩及混凝土围檩破除后的钢筋头等尖锐物未割除，直接威胁到沉管对接过程中潜水员的生命安全。此外，围堰拆除过程中，充填砂在赣江水流的冲击下淤积在混凝土封门前方的基槽中，会给后期基槽清理带来巨大障碍，工期将无法保证。

5)东岸主体结构与沉管连接端头水密门未完全关严，端封门、水密门、鼻托、支座、端钢壳、面板和端头基槽等均未最终质量验收，现场不确定因素将给沉管对接带来巨大的安全质量隐患。

3　重建围堰施工方案比选

通过现场调查和研究，提出以下2种施工方案。

3.1方案1： “土石围堰+塑性混凝土钻孔咬合桩和高压旋喷桩防渗体系”围堰方案

重建围堰采用土石堰体，基底为原围堰被冲毁后的剩余模袋砂和河床，采用两侧抛块石+中间水下抛填黏土的堰体型式，块石软化系数不小于0.85，中间填筑黏土中部设φ1 200@900塑性混凝土钻孔咬合桩(桩底入岩3.5 m)+高压旋喷桩接茬止水的组合防渗体系。石质填料主要填筑于围堰迎水面，土质填料主要填筑于基坑侧[8]。

土石围堰高度约17 m，堰顶宽度为46.1 m，堰底宽度为71.1 m，堰体迎水面抛石边坡坡比为1∶1.5，背水面抛石边坡坡比为1∶1.2。外堰抛石堰体顶部标高15.0 m，顶部宽度为8 m，底部宽度为33.2 m，迎水侧边坡坡比为1∶1.5，背水侧边坡坡比为1∶1.2。内堰抛石堰体顶部标高12.0 m，顶部宽度为8 m，底部宽度为31.9 m，两侧边坡坡比均为1∶1.2，背水侧边坡在8.0 m高程处设3.0 m宽的平台。15.0 m高程以上黏土堰体顶部宽度为3 m，底部宽度为15.5 m，两侧边坡坡比均为1∶1.75。内、外抛石堰体中部黏土施作钢筋混凝土边坡防护。重建围堰平、剖面如图5所示。

(a) 重建土石围堰平面图

(b) 重建土石围堰横剖面图

Fig. 5Plan and profile of reconstructed earth-rock cofferdam(m)

3.2方案2： “模袋砂围堰+塑性混凝土钻孔咬合桩和高压旋喷桩防渗体系”围堰方案

江中端头重建围堰采用原设计的模袋砂围堰，基底为原一次围堰被冲毁后的剩余模袋砂堰体和河床，堰体采用两侧模袋砂堰体+中间抛填黏土的堰体型式，中间黏土中部设φ1 200@900塑性混凝土钻孔咬合桩(桩底入岩3.5 m)+高压旋喷桩接茬止水的组合防渗体系。围堰高度约17 m，堰体顶部宽度为28.9 m，底部宽度为78.4 m。中间黏土顶部宽度为24.2 m，底部宽度为6.0 m。15.0 m 高程以上黏土堰体顶部宽度为3 m，底部宽度为15.5 m，两侧边坡坡比均为1∶1.75。外侧堰体顶部标高15.0 m，顶部宽度为4.7 m，底部宽度为37.0 m，迎水侧边坡坡比为1∶2.5，背水侧边坡坡比为1∶1.2。内侧堰体顶部标高12.0 m，顶部宽度为3 m，底部宽度为35.4 m，迎水侧边坡坡比为1∶1.2，背水侧边坡坡比为1∶2.5。内、外抛石堰体中部黏土施作钢筋混凝土边坡防护。模袋砂堰体外侧护坡采用150 mm厚砂卵石+300 mm厚格宾石垫，内侧护坡采用400 mm厚砂卵石。重建模袋砂围堰横剖面如图6所示。

图6　重建模袋砂围堰横剖面图(单位： m)

3.3方案比选

从工程规模、工程费用、方案优缺点、工期、安全技术可行性等5个方面对2种方案进行比选，2种方案比选情况如表1所示。

表1　2种施工方案比选

由表1可知，虽然方案1重建土石围堰的规模较大，对赣江水质也有一定的影响，但是工程费用相对较低，施工速度快，且在保证安全和质量的条件下可满足工期要求。因此，最终决定采用方案1的围堰重建方案。

4　土石围堰重建堰体施工工艺

土石围堰重建堰体施工工艺流程如图7所示。

图7　重建土石围堰施工流程

4.1河床(2.0 m高程)～15.0 m高程堰体施工

水中部分堰体按照先内侧、后外侧的顺序施工，利用船舶把石块运至江中端头围堰，利用8 m3抓斗船将石块沿围堰轴线水下抛填合拢堰体。抛石堰体施工过程中，采用测深仪对堰体进行扫测，使水中堰体断面尺寸和边坡坡比满足相关要求。内外侧抛石堰体施工至15.0 m高程露出水面后，自卸汽车陆运黏土至施工现场，利用挖掘机、装载机往内、外抛石堰体之间堆填黏土至围堰顶面。围堰内坡面施工2 m厚卵石护坡，防止围堰内抽排水时黏土流失。水中抛石堰体施工如图8所示。

(a)

(b)

4.215.0～18.0 m高程堰体施工

江中端头土石围堰施工完成后，施工3 m高黏土堰体，黏土堰体底部宽度为15.5 m，顶部宽度为5.0 m，内、外侧边坡坡比均为1∶1.75。黏土防渗斜墙轴线长285 m，平面共分3段进行施工。用汽车运输黏土到施工现场，回填时分层回填，每层厚度为300 mm，利用20 t压路机分层碾压，压实度达到0.9。黏土堰体采用机械化施工，配置挖掘机、装载机、自卸汽车、振动压路机等机械设备，形成挖装、运输、摊平、碾压的流水作业。

4.3塑性混凝土钻孔咬合桩施工

钻孔咬合桩直径1 200 mm，桩间距900 mm，咬合300 mm，共计115根，入岩3.5 m。开始采用旋挖钻机，但无法成孔，最终选用成孔过程中对地层扰动较小的反循环钻机，自制泥浆护壁，跳孔施工，利用吊车和吊斗浇筑水下混凝土。咬合桩分为一序桩和二序桩，两序桩的混凝土融合在一起呈嵌入咬合状态，形成一个连续、封闭的整体排桩结构。咬合桩采用跳桩法施工，即先施工A型桩，待A型桩初凝(7～9 h)后再施工临近B型桩，每9根桩为1个循环(A1—A3—A5—A2—A4—B1—B2—B3—B4)，合理分区分段施工。咬合桩施工顺序如图9所示。

图9　咬合桩施工顺序大样图

A型桩混凝土采用超缓凝型混凝土，要求在A型桩混凝土初凝前完成B型桩的施工。A型桩混凝土缓凝时间根据单桩成桩的时间来确定，单桩成桩时间与地质条件、桩长、桩径和钻机能力等有直接关系[9]。本工程采用塑性混凝土作为素桩(A型桩)，塑性混凝土强度为3～4 MPa。

4.4三重管高压旋喷桩施工

在钻孔咬合桩转角和与原塑性混凝土防渗墙接茬处施工φ800@500三重管旋喷桩，利用三重管旋喷桩钻机施工，每处施工6根旋喷桩，相邻桩搭接不小于300 mm，桩底进入中风化泥质粉砂岩3.5 m。旋喷桩采用强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥，水泥掺入比不小于25%，水泥浆液的水灰比为1.0～1.5，无侧限抗压强度(28 d)≥0.8 MPa，渗透系数≤1.0×10-7cm/s，旋喷压力宜控制在15～20 MPa。

5　效果评价

土石围堰作业区域位于赣江主航道，水流速度达1.6 m/s，水深约16 m，水文环境复杂，抓斗船定位困难，施工组织难度极大。土石结构的填筑密实度是土石构筑物能否稳定的关键。绝大部分黏土围堰在深水中填筑而成，难于施加外力碾压密实，只能依赖自身重力或排水固结[10]。重建围堰从方案制定到堰体成型仅用了1个月时间，完成近6万m3的土石堰体，并成功与原模袋砂堰体合拢。抛石堰体利用水上抓斗船从两侧往中间进行抛填，经多次现场试验，掌握了抓斗船抛填定位的控制方法，抛石堰体边坡坡比为1∶1.5～1∶1.75。黏土从岸上两端往中间抛填合拢，无法利用大型设备进行压实，黏土堰体在水下形成1∶2.5～1∶3.0 的自然坡。黏土堰体出水后，利用压路机进行碾压，并在堰体合拢口水深最大的区域形成往江中方向的凸形开裂线，现场继续往上填筑黏土并压实。黏土堰体成型15 d后达到稳定，日平均沉降量为0.8 mm，最大累计沉降量为300 mm；日平均水平位移为0.1 mm，最大累计水平位移为50 mm。由围堰内河床面的渗流监测资料可知，土石围堰两端及中部渗流较大，其他区域渗流较小。钻孔咬合桩防渗体系施工完成以后，重建土石围堰轴线103 m范围内仅有5个极小渗漏水点，24 h总渗流水量约500 m3，通过在围堰内设截水沟和集水井，并利用水泵抽排，完成了河床面以下10 m深的基槽开挖，基本达到围堰防渗的要求。重建土石围堰现场施工情况如图10所示。

(a) 重建土石围堰现场

(b) 围堰内基槽开挖

6　结论与建议

本文根据南昌市红谷隧道模袋砂围堰冬汛受灾的实际情况，从工程规模、工程费用、方案优缺点、工期和安全技术可行性等5个方面对土石围堰和模袋砂围堰2种重建方案进行比选，最终决定采用土石围堰重建方案。土石围堰施工对赣江航道的影响较小，可以实现水上和陆上同时作业，大大加快施工进度。土石围堰的黏土直接在水中填筑，前期沉降变形较大，钻孔咬合桩防渗墙施工完成后，堰体趋于稳定。围堰内10 m深基槽开挖过程中，通过围堰坡脚的截、排水沟把渗漏水汇集至集水坑，统一抽排至赣江，保证基槽安全开挖和施工。土石围堰在满足重建围堰结构稳定和抗渗的前提下，降低了工程造价，保证了项目工期。

重建土石围堰防渗体系钻孔咬合桩施工完成之前，通过对围堰内外渗流水情况进行监测，发现渗流速度较小，证明水中填筑黏土形成的堰体具有良好的防渗性能，且黏土堰体的成本仅是吹填砂成本的一半，因此，在今后的围堰设计中，应充分考虑黏土堰体的可行性，就地取材，以降低工程费用。

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Reconstruction Technologies for Earth-rock Cofferdam after Sandbag Cofferdam Hit by Winter Season in Ganjiang River:Case Study of Honggu Immersed Tunnel in Nanchang

DENG Biao1, GUO Xiaolong2, LI Zhijun2

(1.JiangxiProvinceWaterConservancyPlanningandDesigningInstitute,Nanchang330029,Jiangxi,China; 2.ErchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China)

The sandbag cofferdam of Honggu Tunnel in Ganjiang River was destroyed by winter season. It has to be reconstructed so as to provide waterless working conditions for further construction. New construction scheme of “earth-rock cofferdam + plastic concrete bored secant pile and high pressure jet grouting pile seepage prevention system” is adopted. The scheme includes, rock filling along axial line of cofferdam by grab dredger, rock pushing towards cofferdam by dump truck, using plastic concrete bored secant pile constructed by reverse circulation drill and high pressure jet grouting pile seepage prevention system. The construction practice shows that the reconstructed earth-rock cofferdam has advantages of rapid construction, low cost, small operating area, stable and impermeable； so that it can be applied to new and reconstructed temporary hydraulic engineering works.

immersed tunnel; sandbag cofferdam; earth-rock cofferdam; reconstructed cofferdam; plastic concrete bored secant pile

2016-01-11;

2016-06-02

邓彪(1972—)，男，江西南昌人，1996年毕业于南昌大学，水利水电工程建筑专业，本科，高级工程师，现主要从事水利水电工程施工设计工作。E-mail： 908135171@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.013

U 45

B

1672-741X(2016)09-1114-06