临江复杂条件下的闸泵排水箱涵设计施工方案对策优化与实践

何华军，陈千富，傅理文，路漫漫

（1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；2.瑞安市水利工程建设中心，浙江 瑞安 325200；3.杭州市交通运输局，浙江 杭州 310005；4.杭州市交通运输行政执法队，浙江 杭州 310005）

1 问题的提出

近年来，浙江省大力开展沿海平原防洪排涝工程，位于城区的大、中型排涝泵站及水闸不断增多，基坑开挖深度和面积随之增加。受场地周边基础设施等邻近建筑物影响，部分城区的水工建筑物无法沿用常规无支护开挖的设计及施工经验，基坑设计、施工难度及建设成本大幅增加。尤其部分沿海邻近堤防的闸泵出口建筑物施工，不仅需要考虑周边环境（道路管线、民房设施、堤防构筑物等）、场地条件（地质、水文）等常规因素对基坑设计的影响[1]，还需考虑潮位、汛期等因素影响，设计、施工难度剧增。故在临江复杂条件下的排涝工程建设中，闸泵关键部位合适的设计、施工方案对于安全、经济、高效地开展工程建设有着重要意义。

常规水工建筑物围堰施工条件（周围环境、地质条件）尚可[2]，且供参考的实例应用较多；部分临江建筑物施工[3-4]，非依水而建，具备基坑支护干地施工条件，无需考虑度汛要求（防汛、防台、洪潮等直接影响）；桥墩围堰[5]四面环水，施工围堰与周边现有建筑物衔接干扰相对较少，其对水工建筑物施工的借鉴性较为局限。

本文以紧邻飞云江防洪墙的某沿江闸泵排水箱涵施工方案为例，结合工程布置及场地条件，考虑工程度汛要求，分析施工条件，提出箱涵结构优化分段、施工时段合理选择、利用相邻既有结构作为基坑围护的施工方案，工程施工顺利。

2 工程概况

2.1 工程简介

工程位于温州瑞安市城区，由闸泵主体、交通桥、出水池、出水箱涵等组成。闸泵出水经由出水池，通过箱涵穿越滨江大道和防洪堤排入飞云江；排水箱涵段总长29.00 m，总宽18.20 m，结构顶高程4.88 m，垫层底高程-0.90 m（建基面）。闸泵出水箱涵平面及周边环境见图1。

图1 工程平面及周边环境图

箱涵出口所至的现状外江框架堤背水侧防洪墙为扶壁式钢筋混凝土挡墙结构，墙顶高程4.70 m，底板顶高程0.80 m，底板厚0.80 m，墙前抛石回填，具体结构见图2。

图2 外江框架堤防洪墙剖面图

2.2 地质条件

建设场地位于深厚软土地基，按土的沉积年代、成因类型及物理力学特性，自上而下共划分为9 个主要土层，各土层物理力学性质指标见表1。场地土层渗透性弱，地下水水位2.80～3.42 m。根据邻近场地的瑞安市水文站资料，设计高潮位5.31 m，平均高潮位2.61 m，汛期5 a 一遇水位4.50 m，非汛期5 a 一遇水位3.91 m，设计平均低潮位-1.72 m。

表1 场地土层分布及物理力学参数表

3 工程特点及难点分析

3.1 施工空间狭小

闸泵出口箱涵段依江而建，与既有防洪墙（飞云江侧）相贴，施工场地局促，箱涵布置及基坑围护施工难度极大。根据现场查勘，外江侧框架堤与防汛墙之间的顶盖板难以打开，外江围堰及防渗设施无法布置，故基坑支护需结合围堰设计要求综合考虑。此外，箱涵主体结构受防汛墙底板及其桩基础等影响，结构布置障碍多、难度大。箱涵的设计、施工应充分考虑防洪墙现状结构与新建箱涵及开挖基坑之间的相互影响。

3.2 建设约束条件多

基坑施工为临时工程，资金投入有限，建设进度要求高。箱涵基坑及主体结构方案需综合考虑制约因素影响，在满足结构安全、功能完整的条件下，尽可能从经济合理的角度去探究优化。

3.3 周围环境复杂、地形地质不确定因素多

闸泵出口箱涵建设区域较长、穿越沿江主干道，交通断流对社会影响大；历史防洪堤和沿江道路下可能存在抛填块石，河岸滩涂不断冲淤变化，工程建设不确定因素多，设计、施工难度增加。

4 箱涵设计、施工方案对策优化

设计方案直接影响施工质量、工程造价及工程进度；根据箱涵施工的建设条件，优化设计方案，保障施工质量的同时尽量控制施工成本，实现效益最大化。方案对策总体思路如下：

一是方案设计施工前全面调查放样，施工期密切监测关键部位特征参数，减少外界不确定因素影响（水文、地质、天气、相邻构筑物等），增加设计可靠度，使工程得以顺利实施。二是按照“设计、施工一体化”的原则，优化箱涵结构及基坑围护设计方案，避免过大的结构安全储备，提高施工材料、设备的重复利用。三是合理安排箱涵施工时序，将对道路交通及相邻防洪堤的影响减小到最低程度，同时也降低外江潮汛对基坑施工的安全风险。

4.1 箱涵主体结构设计方案优化

4.1.1 分段设计

闸泵下游连接段包含出水池、排水箱涵，箱涵顺水流向与规划滨江大道基本同宽，原箱涵设计自内河向外江分为3 段（8.0 m、11.0 m、10.0 m）。考虑原箱涵设计出口段较长，其基坑开挖和主体施工工期相应较长，且该段箱涵直接受相邻框架堤衔接影响，布置受限；同时考虑外江潮汛、围堰施工及基坑支护条件较差，工期加长容易增加安全风险。因而，根据箱涵总体长度，结合箱涵不同区段荷载特点、水力流态、防洪墙衔接段现状条件，对箱涵分段设计施工方案分析如下。

4.1.1.1 外荷条件

箱涵外载主要包含自重及交通荷载。本工程排水箱涵顶部分别对应空置场地、市政道路、人行道及景观绿化，各段结构尽可能布置于相同外载对应部位，减少荷载差异对同一结构段受力的影响。

4.1.1.2 水流流态

根据不同外江水位条件下的闸泵排水工况，箱涵内部呈现无压流（外江水位低于箱涵内部顶高程）或淹没压力流（外江水位高于箱涵内部顶高程）；在闸、泵运行工况下，排涝水流自出水池汇集至排水箱涵，其内部水力流态基本平顺，内水压力沿程变化不大，其对结构分段影响较小。考虑箱涵各孔均匀泄流，可在闸泵出水池中增设导流隔墩（也可增设整流装置），使得闸泵出水水流过渡平顺。

4.1.1.3 相邻结构衔接及基础优化

出口箱涵段布置长度需考虑新建箱涵段桩基与既有防洪墙基础的协调性，以及上部结构划分段落对基础设计的影响，具体见4.1.3 小节。

此外，相近条件下的结构分缝不宜过多，且长度尽可能均匀划分，以减少箱涵不均匀沉降及渗漏接头的潜在风险。综合箱涵各区段特点，确定将箱涵分为4 段（由内河至外江依次划分为7.90 m+10.0 m+6.05 m+5.30 m，见图3）。

图3 闸泵排水箱涵剖面图 单位：cm

4.1.2 孔径优化

根据闸、泵设计排涝流量及运行工况确定排水箱涵总净宽14.20 m，结合闸泵布置及工程规模，原设计箱涵孔径净宽为4.50 m+4.85 m+4.85 m（依次对应泵站出口和双孔水闸闸孔）。依据现场框架堤墩柱测量定位，原设计箱涵布置孔径正对框架堤墩柱，考虑避开水流对框架堤墩柱的直接冲刷，减小闸泵出水对现状框架堤的影响，设计根据框架防洪堤墩柱间距布置排水箱涵孔径，使空箱中墩与现状框架堤墩柱衔接，排水箱涵孔径优化布置净宽为3.50 m+4.25 m+3.45 m+3.00 m。

4.1.3 基础优化

考虑箱涵出口段（4 号箱涵）布置于现状防洪墙桩基础部位，作为既有地下障碍结构，不利于新建结构基础施工；且该区段对应人行道，桩基所受箱涵结构附加荷载较原址防洪墙墙背填土荷载略有减少。经复核，直接利用现有防洪墙桩基作为4 号箱涵结构的基础，并将4 号箱涵与3 号箱涵采用植筋锚固，刚性连接，减少4 号箱涵结构对现状下部桩基的偏心影响，提高整体结构的安全度（见图4）。

图4 4号箱涵施工支护剖面图 单位：cm

4.2 箱涵施工时序及支护方案

4.2.1 施工时间选择

浙江省每年4 月15 日至10 月15 日为汛期，汛期受梅雨、台风影响，降雨量较大，容易引起基坑边坡地下水位变化，给基坑施工安全造成威胁；考虑排水箱涵出口段基坑临路临江，基坑支护施工条件不佳，施工支护需结合围堰设计要求综合考虑。故结合工程总体施工组织，1～4 号箱涵整体施工段利用非汛期；其中，出口段4 号箱涵安排在枯水期（12 月—次年2 月），同时结合潮水预报择期组织施工，以降低基坑开挖、施工作业的风险。

根据天文潮位，大潮为农历初一、十五，小潮为初八、廿三；依据瑞安市潮位站在箱涵施工期间的观测资料，大潮、小潮高潮时间约为9 h，大潮、小潮低潮时间约为18 h；每日潮位滞后时间约为1 h；涨潮历时约6 h，落潮历时约6 h。故出口段4 号箱涵基坑开挖、底板浇筑等相对不利的工序，尽可能利用小潮期（初五至十二；廿十至廿七），每日施工时间选择06 点至18 点（结合考虑后文所述本工程支护围堰工作条件），以策安全。图5 为箱涵施工期间某工作日的潮位过程图。

图5 典型潮位历时趋势图（瑞安站）

4.2.2 施工工序安排

1 号箱涵与出水池相连，2 号、3 号箱涵穿越沿江道路，4 号箱涵与外江侧防洪堤相接。结合箱涵所在场地条件划分施工段落：Ⅰ期施工1 号箱涵与出水池，保持道路通行，同时为后续道路施工中涉及的综合管线衔接预留结构廊道；Ⅱ期施工2号、3 号箱涵，交通分流至沿江西路及1 号箱涵所在场地；Ⅲ期施工4 号箱涵。分期施工可减少箱涵施工对周围环境的影响。

4.2.3 施工支护方案

1 号箱涵位于滨江大道临路侧，1 号箱涵与相邻出水池合并一期，整体支护施工；2 号、3 号埋地箱涵穿越滨江大道，考虑路基下部可能存在回填抛石，采用表层放坡开挖与常规钢板桩支护的组合形式进行支护。

4 号箱涵紧邻飞云江，该节箱涵的基坑支护、围堰安全是施工安全的核心要素。根据现场条件，4 号箱涵基坑施工机械进出困难，支护桩施工极为不易。综合考虑施工进度、工程造价等建设控制要求，设计采用永临结合方案：箱涵两侧采用素混凝土重力式挡土墙作为基坑支护，兼做箱涵边墩。

同时，利用现状防洪墙作为4 号箱涵临江侧基坑支护兼做挡水围堰。考虑防洪墙底板部分拆除，原桩基作为基坑支护（防洪墙）底部的约束效果削弱，且防洪墙外江侧存在土体淤积、潮水涨落等不利因素影响，故防洪墙与已建3 号箱涵之间采用2 道型钢支撑支护，增加防洪墙（临时支护）的稳定性、安全性，作为应对可能出现超标准洪水等不利条件下的施工措施。同时，为避免支撑拆除引发施工安全事故，型钢支撑保留整体浇入箱涵隔墩内部。

此外，加强施工期安全巡视和监测措施，为工程安全、顺利施工打下良好基础。

各节箱涵施工时序及支护方案布置见表2。

表2 闸泵排水箱涵施工方案汇总表

5 实施效果

5.1 结构方案可行

箱涵结合既有结构改造方案（即箱涵单体间植筋锚固连接、箱涵主体嵌锚原结构桩基的优化设计）可行；箱涵主体各段结构有序施工，通过验收。重力式挡墙、现状防洪墙作为箱涵施工的基坑支护及支撑结构，满足基坑稳定、变形控制要求；结合防洪墙局部墙体填补加固，实现围堰挡水，出口段箱涵施工顺利。根据施工期监测数据（2 号、3 号箱涵施工），各测点均未出现异常，基坑地表累计沉降量为2～5 mm，支撑轴力约为68 kN，均小于设计值。考虑箱涵施工方案需应对可能极端不利工况，故适当提高设计安全度，可在一定程度上降低施工风险，减轻安全生产管理压力。

5.2 施工进度提前

箱涵单体各期施工较原方案计划工期有所提前：钢板桩、钢管桩、钢支撑的应用节省了钢筋、模板的加工时间，同时也节省了混凝土支撑构件的浇筑、养护、拆除时间；通过分段施工，利用相邻施工区段的支护结构，避免拆桩打桩，节省工序；同时，直接利用现状防洪墙作为基坑围堰，减小外江围堰施工难度，且无需候潮，提高箱涵的施工效率。

箱涵整体实施顺利。通过箱涵优化分段、与现状结构及主体结构结合设计（即箱涵侧壁兼做支护结构、现状防洪墙作为临时围堰挡水）后的施工时间可较原设计方案计划工期缩短31 d。表3 为箱涵施工方案对比表。

表3 箱涵基坑方案工期数据表 d

5.3 节能效果良好

永临结合（箱涵重力式挡土墙侧壁作为基坑支护及外江侧围堰支撑结构）、结合既有建筑物（防洪墙现状桩基）作为箱涵基础的施工对策，减少混凝土、钢筋、土方围堰等建筑材料的消耗，节省相应部位工程投资约20%，有益于节能环保。

6 结 论

（1）临江复杂条件下的建筑物施工历时长、影响范围广，设计施工前应充分收集现场资料（相邻建筑物、管线）、分析场地和环境条件（气象、水文、地质、交通），与建设各方积极沟通、密切合作，有助于解决技术可靠性与施工可行性之间的衔接问题、落实设计施工方案，创造良好的社会效益和经济效益。

（2）临江穿路的建筑物施工应结合不同施工部位结构特点、外部环境、度汛条件，适当减小基坑规模，分期分段施工，由此缓解施工作业对环境的影响，同时，也可降低设计施工难度，有益于安全生产管控。此外，箱涵施工可结合现场作业条件，通过结构装配（箱涵底板、墩墙、顶板优化连接）、合理安排施工顺序，控制建设成本、加快工程进度。

（3）紧邻既有建筑物的结构设计施工过程中，合理地利用、改造相邻既有构筑物（适当提高整体结构设计富余量，作为施工期和运行期不确定因素及不利工况条件下既有结构功能折减下的安全储备），发挥既有结构的功能特点（如基础承载、挡水防浪、支护支撑等），减少施工对周围环境的影响，避免出现因作业条件困难影响施工质量、减弱设计效果的可能。

（4）先后施工的衔接部位、与既有结构连接部位设计过程中，新旧结构的连接节点是工程结构的核心受力部位，通常也是维持功能连续的关节；故完整可靠的连接节点设计是发挥结构功能的关键，应予以重视。

（5）永临结合（施工期、运行期的结构两用）是加快施工进度、节省投资、实现绿色环保施工的有效途径。因地制宜选择合适的基坑支护型式兼顾水工建筑物利用（常用的包含双排桩、成品钢筋混凝土板桩、重力式挡墙）是结构设计优化的研究重点。