某大型湖底明挖隧道钢围堰设计要点

2021-08-15宋尚

城市道桥与防洪 2021年7期

宋尚

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

0 引言

湖底隧道作为一种重要的市政构筑物，随着城市经济的飞速发展，近年愈发受到城市开发管理人员的认可。其施工方式主要有明挖和盾构两种。在明挖湖底隧道施工时，通常需要施作围堰，为隧道的后续施工提供空间。钢围堰具有施工效率高、环境影响小、可重复利用、安全性高等一系列优点[1-3]。基于隧道狭长型的特点，湖底明挖隧道围堰一般很难形成内支撑结构，使其形成明显不同于桥梁常规钢围堰的结构形式。

目前对此种形式的围堰尚未形成成熟的计算和设计方法，本文希望通过讨论某湖底大型明挖隧道的钢围堰设计，提出湖底明挖隧道钢围堰设计的相关要点，为后续类似项目提供可借鉴的经验。

1 工程概况

本湖底隧道工程项目位于江苏省苏州市，总长3.93 km，隧道主线总长度2.6 km，其中湖中段长度约1.6 km。隧道采用围堰明挖工法，分两期施作。一期围堰总长度2 311 m，其中北侧、南侧纵向围堰长度分别为1 160 m 和898 m，横向围堰长253 m。二期围堰总长度2 029 m，其中利用一期围堰长度267 m，东端头隧道上方横向围堰长度为253 m，北侧、南侧纵向围堰长度分别为795 m 和714 m。

根据湖底水下地形图，湖底标高主要为3 个区段：湖西段（K0+460～K0+960）约500 m 范围湖底现状标高约-0.700～-1.500 m（平均约-1.1 m）；湖中段（K0+960～K1+900）约940 m 范围湖底现状标高约-5.0～-6.1m；湖东段（K1+900～K2+040）约140 m 范围湖底现状标高约-1.5 m。湖底除表层约1 m 厚的淤泥质素填土外，其余均为土质较好的黏土和粉质黏土层，但④-1a、④-2 层土中粉砂、粉土较丰富，为承压水层。

2 钢围堰设计

考虑本工程为重点工程且施工期围堰易受船行、风浪影响等，根据《水利水电工程施工组织设计规范》，确定本工程围堰建筑物级别为4 级，取20 a 一遇的防洪水位标准，相应设计水位为2.184 m，安全超高为0.50 m。围堰顶高程=设计水位+ 设计波高+设计风壅增水高度+安全超高，故设计围堰顶高程取3.574 m。

2.1 湖西段围堰设计

湖底现状标高约-0.700～-1.500 m（平均约-1.1 m），采用双排钢板桩，钢板桩桩长12 m，堰体宽度6 m，堰顶高程不小于3.574，在桩顶下1.0 m 设一道对拉杆，对拉杆通过［28a 双拼槽钢将前后排钢板桩拉结成整体。在围堰迎水侧设袋装土护底防冲刷，顶宽3.0 m，高1.5 m，边坡坡比为1∶5。围堰基坑内侧设填土护道，顶宽3.0 m，高1.5 m，坡比1∶2.0，如图1 所示。

图1 湖西段围堰横断面图

2.2 湖中段及湖东段围堰设计

湖中段湖底现状标高约-5.0～-6.1 m，采用双排钢管桩，外侧钢管桩桩长24 m（26 m），内侧钢管桩桩长20 m，堰体宽度8 m，堰顶高程不小于3.574，在桩顶下0.5 m、2.0 m 设两道对拉杆，对拉杆通过［28a双拼槽钢将前后排钢管桩拉结成整体。在围堰迎水侧设土坡护底防冲刷，顶宽3.0 m，高2.0 m，边坡坡比为1∶5。围堰基坑内侧设填土护道，顶宽3.0 m，高1.5 m，坡比1∶2.0，如图2 所示。湖东段湖底现状标高虽与湖西段相似，但范围较小，经过过渡段后，围堰已接近东侧岸边，故湖东段围堰采用了与湖中段相同的围护型式。

图2 湖东、湖中段围堰横断面图

这2 种围堰坡顶均采用预制钢筋混凝土路面，并朝外侧形成2%的坡度，方便排除雨水。

3 设计要点

3.1 围堰稳定性与承载力计算方法

基于国内类似工程项目，徐江平等[2，4-7]对双排钢板桩围堰的稳定性与承载力计算进行了讨论。在稳定性方面，主要计算了抗倾覆稳定性、抗滑移稳定性等。在构件承载力方面，一是基于经典土压力模式，计算出围堰内外水土压力后，再用软件求解；二是采用专业的有限元软件，如FLAC 3D 等，直接建模计算。

笔者认为，在围堰构件刚度和承载力满足计算的条件下，钢围堰类似于重力式挡墙，其稳定性的计算可参考相关规范，并计入水压力的作用，验算围堰的整体稳定性、抗倾覆稳定性、抗渗流稳定性等安全系数。各安全系数的取值可参考《建筑基坑支护技术规程》对重力式挡墙的要求。以深水区为例，可将水当成一层内摩擦角和黏聚力均为0 的土层看待，再采用相关软件进行计算。

徐江平等[2，4-7]对钢围堰的稳定性计算都集中在抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性方面，对整体稳定性均未提及，而本文则提出了可基于软件操作的钢围堰整体稳定性计算方法，如图3 所示。

图3 围堰稳定性计算图示

在土压力计算方面，当采用经典土压力理论进行计算时，相关文章均按照朗肯土压力的主、被动土压力进行计算。这在围堰的宽高比较大时是成立的，而在围堰宽高比较小时，如本工程湖东段、湖中段，采用此方法计算围堰内部土压力就会放大内部土压力大小，影响计算结果。因为根据朗肯土压力理论，围堰宽高比较小时，其破坏面如图4 所示，并未达到主动土压力破坏角，不满足主动土压力条件，故需按照有限范围内的主动土压力理论进行计算。其主动土压力应为：

式中：Ea为有限范围内土压力；G 为破坏体范围内的土的重力；θ 为实际破坏角，详见图4；φ 为围堰内填土的内摩擦角；L 为实际破坏面长度，详见图4。

图4 破坏面

3.2 墙背堆土或抛石对结构受力及稳定性的有利作用

围堰背土侧堆土或抛石范围足够，相当于减小了围堰的悬臂高度，会大幅提升围堰稳定性，减小构件内力。以深水区为例，在围堰水深较深时，由于采用的是悬臂结构，对围堰的插入比和围堰宽度的要求就比较高，同时钢构件的内力非常大，导致截面尺寸巨大。当悬臂高度减小时，内力削减速度与围堰高度呈三次方的关系，所以对水深较深的围堰，在背水侧适当堆土或抛石，可大幅减小围堰构件的截面尺寸。对长大围堰，特别是水深很深时，这是非常经济的一种做法。对于较浅的围堰，也可以适当堆土或抛石，以增加围堰的安全系数。堆土或抛石的范围一定要满足形成被动土压力的条件。

3.3 局部稳定性

钢围堰由钢管、钢围檩和钢拉杆构成。钢管、钢围檩为受弯构件，钢拉杆为受拉构件。钢管和钢围檩需考虑其局部稳定性。钢管在施工完成后，需对其内部空间进行填充。这样既可增大钢管的刚度，又可减小钢管局部失稳的可能性。钢围檩可参考基坑钢围檩做法，对其局部稳定性进行验算，并通过设置加劲板避免钢围檩产生局部失稳问题。

同时，在施工过程中应加强对钢构件的保护，避免对钢构件造成不可逆的破坏。

3.4 围堰型式和材料的选择

围堰构件型式和材料的选择应遵循安全、经济、方便的原则，在保证结构安全性的前提下，应优先采用制式的截面型式和材料，减少现场的加工量。

钢围堰目前的型式有很多种，包括拉森钢板桩、带不同锁扣型式的钢管桩，以及多种型式的组合截面[8-9]。一般来讲，深水区围堰既要满足止水需要，又要满足受力需求。一般均需要在现有材料的基础上进行进一步的加工，特别是接头的加工。这时若能选择可在工厂里加工或者加工量少的接头，将会大大提升工程的经济性。

同时，钢围堰构件材料的选择也有多种。例如，拉杆材料，当采用一般的Q500 钢材时，可能需要选取的截面就很大，而且两端端头处还需现场加工；若采用工厂加工成套的高强度拉杆，屈服强度高，且自配高强螺栓和两端螺口，大大减少了连接的加工量。

3.5 围堰线型的选择和转角处理

钢围堰内外两侧的钢构件一般是一一对应的，特别是在水深较深时，每根钢构件上面均需要布设多根钢拉杆。这就要求内外两侧的钢构件数目一致。一般来讲，外侧钢构件需要止水，所以是搭接的，且围堰外侧实际平面长度要大于内侧的长度，就导致外侧构件数量一般要多于内侧构件数量，而内侧构件除钢板桩外，一般都不是连续的，故可以通过调整内侧钢构件的间距达到要求。在转角部位，如果转角过大，内侧钢构件间距太小难以布置；若采用大半径圆弧过渡的方式，钢围檩很难与钢构件密贴，影响围堰的整体性。故笔者认为比较科学的办法是采用多段折线实现过渡，或者在围堰中间布设一定的辅助钢板（管）桩，保证转角处的整体性。

3.6 围堰分期实施

一般来讲，在水域中施工隧道时，是不允许断流的，这就需要分期实施。在二期施工时，已建隧道顶部上方需要设置临时挡水结构。挡水结构有围堰和混凝土挡水墙两种。当水深较深时，采用混凝土挡水墙所需的截面大，同时施工结束后水下切割工作量大，所以宜在隧道顶部浇筑钢筋混凝土卡槽设置钢围堰与两侧围堰接顺，便于后期拆除，但须保证卡槽内密实，防止漏水。当水深较浅、拆除方便时，可采用混凝土挡水墙。