富水砂层干坞边坡支护及防渗体系设计

张 伟， 李海霞， 赵忠仁

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133； 2.天津城市道路管网配套建设投资有限公司， 天津 300202)

富水砂层干坞边坡支护及防渗体系设计

张 伟1， 李海霞1， 赵忠仁2

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133； 2.天津城市道路管网配套建设投资有限公司， 天津 300202)

基于南昌红谷隧道工程干坞的邻江环境及深厚富水砂层地质条件，结合边坡支护的数值计算及干坞内抽排水模拟分析，选用现浇钢筋混凝土坡面防护+塑性混凝土防渗墙的支护防渗体系。经历了干坞内多次抽排水及汛期的考验，表明该支护防渗体系对环境的适应性强，防护效果可靠，防渗效果良好，造价低、施工便捷、维护工作量小，为管段预制工序提供了工期保证，也为整个工程如期完工提供了先决条件。

沉管隧道； 邻江； 富水砂层； 干坞； 边坡支护； 防渗体系

0 引言

干坞是沉管隧道设计的重点和难点，其设计方案是否合理直接影响到工程的造价及工期[1]。干坞分移动干坞和固定干坞，国内目前建成及在建的沉管隧道中，除广州市仑头—生物岛隧道工程采用移动干坞[2]、港珠澳大桥沉管工程采用工厂化干坞外[3]，其余沉管隧道均采用固定干坞。

干坞因其使用功能要求，需设置入坞便道，并在坞内进行材料堆放、管段预制、预埋件安装、止水带安装、管段一次舾装、试浮试漏等作业工序[4]，故采用放坡开挖的方案通常会成为设计者首选。又因其开挖面积大、基坑深度大、使用周期长，同时在使用过程中必须保证边坡的整体稳定、抗渗流稳定、抗滑移稳定等安全要求，其边坡防护及防渗体系设计就成为干坞设计的关键点。本项目的干坞位于赣江河漫滩，工程场地开阔，干坞穿越地层主要为中粗砂及砾砂层，地下水受赣江水补给，标高随赣江水位变化而变化，属于典型的邻江富水砂层环境。以往类似环境下采用放坡开挖的干坞支护防渗体系通常采用坡面网喷混凝土+土钉+三轴搅拌桩(旋喷桩)止水帷幕组合的方式，而在砂质坡面上喷射混凝土存在回弹量过大、喷射混凝土同坡面之间结合差、干坞抽排水过程中易出现坡面防护层下方大面积空鼓及局部脱落甚至坡面局部坍塌等现象，二次使用时需对边坡防护进行修复处理，给工程安全及工期带来一定的影响。且传统的止水帷幕(三轴搅拌桩或旋喷桩)解决不了砂、岩交界面的止水问题，往往导致在管段预制期间干坞坡面及坞底出现渗漏水，从而影响管段预制工序。

红谷隧道干坞处于邻江上软下硬高渗透性富水砂层复杂地质条件下，需经历多次抽排水、两批次管段预制等工序，本文将介绍其边坡防护及防渗体系设计方案的选取过程，同时对其施工过程及使用效果进行概述。

1 工程概况

1.1 干坞总平面布置

红谷隧道干坞位于沿江快速路西侧的河漫滩内，下游距生米大桥约400 m，上游距赣江铁路桥约500 m，干坞坞顶南北向长509 m，东西向长248 m，因管段预制工期需求，干坞按南北双子坞设计，在干坞边坡上设置8.0 m宽的出入坞便道，2个子坞坞底尺寸为138 m×139 m，每个子坞内每次可同时预制3节管段，干坞总平面图见图1。干坞实景鸟瞰图见图2。干坞总占地面积为19万8 000 m2，其中生活区占地面积约1万m2，堆料、预埋件加工、拌合站等功能区占地面积约4万2 000 m2。

图1 干坞总平面图(单位： m)

图2 干坞实景鸟瞰图

干坞所在场地现状地面标高为10.70～23.92 m，设计场平标高为20.0 m，坞底设计标高为4.0 m。因场地位于大堤内侧，为满足赣江20年一遇的防洪要求，在坞顶设置4 m高的临时围堰，堰顶高程为24.0 m，以确保干坞在洪水期不间断使用。

1.2 工程地质及水文

图3 地质剖面图

场地地表水主要为赣江地表水，勘察期间地表水水位标高为11.30 m。地下水类型主要为上层滞水、松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水3种，其中第四系松散岩类孔隙水主要为潜水，局部为承压水，主要赋存于第四系全新统冲积层③细砂、⑤粗砂、⑥砾砂层中，勘察期间(枯水期)地下水稳定水位埋深为4.50～12.00 m，稳定水位标高为10.74～12.25 m，赣江水位标高为11.30 m。该区段水位年变化为 3～13 m，含水层中渗透性较好，渗透系数为120 m/d。地层岩土参数见表1。

2 干坞边坡支护及防渗体系方案选取

2.1 本项目特点

根据干坞所在位置紧邻赣江的环境特点，同时考虑地层以粗砂、砾砂等粗颗粒砂层为主，且含水量丰富，地下水水位基本同赣江水位保持一致，而赣江水位标高年变幅达10 m以上，应重点考虑地下水对干坞使用期间的影响。

本项目干坞的南北双子坞内均需分2批次各预制6节管段(单次3节)，在使用过程中需经历2次灌水及1次抽排水的工况，工况较为复杂，需考虑使用过程抽排水期间的边坡稳定问题，同时由于坞底下方2～3 m的地层即进入中风化泥质粉砂岩层，故止水帷幕设计也是本干坞的设计重点之一。

2.2 边坡支护方案选取

综合考虑该干坞的场地、地质及周边环境条件，借鉴以往的工程经验，该干坞采用放坡开挖。针对松散砂质坡面喷射混凝土存在的问题，将坡面网喷混凝土面层调整为现浇钢筋混凝土面层，同时将固定钢筋网片的锚杆调整为中空注浆花管。优化后的坡面防护体系施工更加便捷，防护性能更加可靠。

表1 地层岩土参数建议值一览表

2.3 防渗体系方案选取

塑性混凝土是一种新型的防渗材料，具有以下特点： 1)有很好的力学特性，弹性模量低，适应变形能力强，极限应变高，抗震、抗渗性能好； 2)有较好的和易性，有较长的终凝时间和较低的强度； 3)因其配合比中掺入了适当的黏性土，减少了水泥的用量，不仅使其抗渗性能得到提高，还使防渗墙造价大大降低[5]。近年来，塑性混凝土防渗墙在国内水利水电工程中得到广泛的应用，其中在阿根廷亚西雷塔水电工程、智利柯巴姆坝、伊朗卡尔黑坝、日本只见坝以及三峡二期主围堰等[6-7]国内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，但在市政项目中应用相对较少。

考虑到干坞紧邻赣江，且坞址处地层渗透性极强，要求干坞的防渗墙不仅要具有良好的抗渗性能，同时也有较好的适应变形能力。在外界水压发生较大变化的情况下，能够较好地适应地层的变形。同时由于场地中风化岩面较高，且强风化层风化程度较大，故需将止水帷幕穿透强风化层进入中风化泥质粉砂岩2 m以上。根据南昌当地工程经验，若采用三轴搅拌桩或者旋喷桩作为止水帷幕，将无法满足止水帷幕进入中风化2 m的深度要求，故需寻求其他形式的止水帷幕。通过综合的技术经济比选及可行性分析，最终选用塑性混凝土防渗墙作为干坞的止水帷幕。

3 干坞边坡支护设计及稳定性计算

3.1 边坡支护设计

该干坞坞顶整平标高为20.0 m，坞底设计标高为4.0 m，坞深16 m，坞底位于砾砂层。干坞整体采用放坡开挖，放坡段位于细砂、粗砂、砾砂层中，分3级放坡。第1级坡高为6.0 m，放坡坡率为1∶3； 第2级与第3级坡高均为5.0 m，放坡坡率为1∶3。每级放坡坡底设置2.0 m宽的平台，1级平台上设置300 mm×300 mm排水沟； 2级平台上设置500 mm×500 mm排水沟。干坞坡面防护剖面如图4所示。坡面防护平面如图5所示。

标高以m计。

图4干坞坡面防护剖面图(单位： mm)

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

图5 坡面防护平面图(单位： mm)

坡面防护采用现浇钢筋混凝土面层+注浆锚管+斜向钢筋混凝土格栅梁相组合的方式，钢筋网规格为φ8 mm@200 mm×200 mm，现浇混凝土面层为厚度150 mm的C25混凝土，并在坡面上斜向设置截面为200 mm×200 mm钢筋混凝土格栅梁，以增加网喷混凝土坡面的整体稳定。格栅梁相交沿坡面垂直方向设置φ42 mm、t=3.5 mm、L=3 m的注浆钢花管，单根花管的注浆量不小于0.43 m3，注浆压力为0.1～0.2 MPa，浆液扩散半径不小于0.25 m，注浆材料采用纯水泥浆，水灰质量比为1∶1。施工中注浆工艺采取双控措施，注浆花管外漏部分锚入格栅梁内。

为及时排除地层中滞水，减小坡面水压力，在坡面设置φ100 mm的PVC排水管，沿坡面按3 m×3 m梅花形布置。为保证雨季坡面汇水的有序排放，避免对边坡造成冲刷破坏，在坡顶外侧1.0 m位置及第1级和第2级放坡平台处设置截水沟，同时在边坡交汇处设置沿坡面向下的500 mm×500 mm的截水沟，并在坞底4个角部设置5 m×3 m×2.5 m的集水井，将坡面排水收集后抽排至赣江。

3.2 边坡支护稳定性计算

根据当地砂层放坡工程经验，松散砂层放坡坡率由工程类比取1∶3，而坡面防护一般按构造要求设置，下文仅对边坡的整体稳定性进行计算。计算时考虑干坞东侧为临建场地，场平标高为23.0 m，与干坞坞顶存在3.0 m高差，而西侧边坡紧邻赣江，受赣江水位变化影响较大，故选取东、西两侧不利位置进行计算。采用理正深基坑计算软件7.0版分别对以上2种工况进行稳定性计算，同时对坞内水位骤降工况进行边坡稳定性计算。

3.2.1 东侧边坡稳定性计算

选取钻孔GBK17作为计算钻孔，考虑到临建场地标高与坞顶标高存在3 m高差，故在坡顶考虑60 kN/m2的超载，另外考虑坡顶20 kN/m2施工机械荷载。根据此边界条件建立计算模型并进行边坡稳定性计算，计算结果见表2。

表2 东侧边坡稳定安全系数汇总表

经验算，东侧边坡整体稳定安全系数大于1.20[8]，满足规范要求。

3.2.2 邻江侧边坡稳定性计算

考虑西侧邻赣江，且赣江丰水期枯水期水位变化大，故将该侧作为单独的工况进行边坡稳定性验算。选取钻孔GZK23作为地质参考钻孔，荷载主要考虑邻江侧20年一遇的水压力及土压力外，还考虑了施工荷载(20 kN/m2)以及干坞顶部的局部临时围堰的局部均布荷载(按80 kN/m2考虑)。根据此边界条件建立计算模型并进行边坡稳定性计算，计算结果见表3。

表3 西侧边坡稳定安全系数汇总表

经验算，西侧边坡整体稳定安全系数大于1.20，满足规范要求。

3.2.3 边坡水位骤降工况下稳定性计算

考虑到干坞在使用过程中需经历多次抽排水工况，且坡面防护不可能完全隔断基坑与土体内水力联系，故在设计过程中，对干坞内水位骤降对边坡的稳定性影响进行计算分析，分别取水位骤降2、3、4 m 3种工况进行边坡稳定性验算。计算采用总应力法，孔隙水压力采用近似方法计算，同时不考虑水的渗透力作用，但考虑边坡外侧静水压力，计算结果见表4。

表4水位骤降工况边坡稳定安全系数表

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

工况水位骤降值/m边坡稳定安全系数12．01．38423．01．31034．00．855

经多工况的计算分析，在水位骤降4.0 m的工况下，边坡的稳定安全系数为0.855<1.15[9]，而在水位骤降3.0 m的工况下，边坡的稳定安全系数能够满足相关规范的要求，故在干坞的使用过程中应要求水位骤降值在3.0 m内。考虑到现场地层的不均匀性以及西侧赣江的水位变化的影响，设计要求在使用过程中干坞的水位骤降值应控制在1.0 m/d，以确保干坞抽排水期间的边坡稳定。

4 干坞防渗墙设计

4.1 防渗墙厚度的确定

防渗墙的厚度根据其破坏时的水力梯度和安全系数来确定，再综合考虑施工设备的因素，以确定最终的符合设计要求的经济墙厚。参考文献[6]，墙厚计算的经验公式为B=H/JP(H为防渗墙承受的最大水头；JP为防渗墙的允许水力梯度)。我国已建大部分塑性混凝土防渗墙工程的允许水力梯度均小于60，并安全运行，故国内塑性混凝土防渗墙的允许水力梯度亦采用50～60。本次设计取JP=50，依据上述公式，本项目防渗墙计算厚度为510 mm。考虑1.25的安全系数并综合考虑施工机械设备，最终防渗墙设计厚度取800 mm。

4.2 防渗墙设计

因坞顶需设置4.0 m高的临时防汛土坝，故将防渗墙同坞顶防汛土坝结合设置。在距坞顶放坡线外侧15 m的位置设置800 mm厚的塑性混凝土防渗墙，要求防渗墙底部进入不透水层2.0 m以上[10]，并在防渗墙顶部以1∶2的边坡填筑4.0 m高的袋装土坝，土坝内侧回填2.0 m厚的素黏土夯实，以满足抵御20年一遇洪水的要求。塑性混凝土防渗墙剖面见图6，坡顶临时土坝见图7。

场地砂层的自稳能力差，为防止防渗墙成槽过程中塌槽而影响防渗墙的防渗效果，在防渗墙两侧增加三轴搅拌桩槽壁加固，加固深度取导墙以下8 m深。同时为了保证防渗墙接缝处的止水效果，将接缝处两侧槽壁加固的搅拌桩同防渗墙咬合150 mm，且接缝两侧搅拌桩做至防渗墙底部。在防渗墙成槽时，利用槽壁机切削掉咬合部分的搅拌桩桩体，达到加强接缝止水效果的目的。槽壁加固大样见图8。

标高以m计。

图6塑性混凝土防渗墙剖面图(单位： mm)

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

标高以m计。

图7坡顶临时土坝(单位： mm)

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

图8 槽壁加固大样图(单位： mm)

4.3 坞口恢复设计

坞口恢复围堰轴线长约119 m，堰顶宽10.0 m，堰顶设1.65 m高草袋土子堰，采用800 mm厚塑性混凝土防渗墙结合黏土斜墙防渗。围堰外边坡采用0.3 m厚的格宾石垫和0.15 m厚的砂卵石垫层防冲刷及防老化，堰脚20.0 m范围内采用充砂袋保护，内边坡采用覆盖砂卵石防老化，堰顶设泥结碎石路面。坞口恢复横剖面见图9。

标高以m计。

图9坞口恢复横剖面图

Fig. 9 Profile of dry dock portal recovery

5 结论与体会

沉管隧道干坞因其工程特点及使用要求，选址基本为紧邻江边，故干坞的边坡防护及防渗设计难度大、风险高。本项目干坞的边坡防护及防渗墙设计，综合考虑周边环境、地质情况、施工机械、工期等因素的影响，经济性较好，可实施性较强，最终使干坞提前1个月投入使用，为工程提供了工期保障，并取得了良好的经济效益。

干坞防渗墙于2014年4月14日开工，2014年6月29日完成，使用期间经历了南昌地区多个汛期的考验，从防渗墙墙体质量检测结果及基坑开挖过程的渗水情况来看，塑性混凝土防渗墙止水防渗效果非常好，为基底处理及沉管预制施工创造了良好的条件。从干坞的使用情况来看，设计所采用的整套支护体系使用效果良好，管节预制期间坞底基本无渗漏水情况，在完成第1次抽排水后，干坞坡面完好无损，仅对坞底淤泥进行清除后即可进行下批次管段的预制工作。红谷隧道干坞所采用的现浇混凝土坡面防护+塑性混凝土防渗墙的支护体系可作为后续沉管隧道干坞支护设计的一套完整体系使用，同时也可为其他类似基坑工程提供借鉴。

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Technical specifications for retaining and projection of building foundation excavations: JGJ 120—2012[S]. Beijing: China Architecture & Building Press， 2012.

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

张伟(1977—)，男，河南洛阳人，2002年毕业于长安大学，隧道与地下工程专业，本科，高级工程师，主要从事隧道与地下工程方面的设计工作。E-mail： 26309996@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.014

U 45

A

2096-4498(2017)11-1449-06