环保条件下的围堰钢板桩拆除工艺研究

刘佩， 邱子义

（1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430000；2.中建三局集团有限公司，武汉 430000）

0 引言

随着我国基础设施建设的不断发展，各类水上或水下的大型结构工程层出不穷。而在水中结构施工，一般需要设置相应的临时围挡工程，围堰即为其中较为常见的结构之一［1-3］。对于围堰结构受力特性及拆除工艺的研究亦是当今热点问题之一［4-7］。当围堰工程完工的时候，还需对临时围堰结构进行拆除工作。在实际工程中，针对不同的围堰类型，其拆除方法亦各不相同［8-10］，总体可分为爆破拆除法及机械拆除法两大类。

武汉市东湖通道为全国最长城中湖隧道，位于武汉市5A级风景区—东湖风景区内，施工环保要求极高，而围堰的拆除工艺选择是否得当，将直接影响工程对东湖环境的影响程度。因此，选择合适的拆除工艺，对东湖的环境保护尤为重要。

1 围堰拆除方法比选

东湖通道工程采用双层钢板桩土芯组合围堰隔绝湖水，采用明挖法进行隧道的主体结构施工，围堰钢板桩采用拉森钢板桩，围堰净宽7m。堰体采用粘性土填筑。围堰钢板桩典型横断面如图1所示。

图1 围堰钢板桩布置横断面

围堰常见的两种拆除方法为爆破法和机械拆除法，其特点如表1所示。

表1 围堰爆破法和机械拆除法比较

东湖通道围堰地处东湖风景区，故拆除作业必须尽可能减小对环境的影响，且其围堰类型为钢板桩-土石围堰。爆破法拆除围堰有一个明显的缺点就是对周围影响较大，与此次拆除工作的一个重要限定条件不相符合。其次，东湖湖底淤泥层深厚，爆炸引起的冲击波对淤泥结构性将产生严重破坏，大幅降低其强度，不仅使东湖水质受到污染，而且钢板桩的稳定性亦得不到保障。因此，东湖通道钢板桩围堰的拆除选择机械拆除法进行。

2 拆除工艺原理及流程

从文中的分析可知，东湖通道围堰拆除的方法应选择机械拆除法，而拆除工艺流程中，主要需考虑的两个要素为：其一，拆除过程中需保证围堰整体稳定性；其二，围堰的拆除不会引起东湖水质及周边环境急剧恶化。所以，针对上述两点，围堰拆除工作制定的拆除工艺流程如图3所示。

由图2可知，拆除的基本工艺流程分为围堰内清理、预挖堰芯土置换沟槽、围堰回水、堰芯土置换、湖底标高复核及湖面恢复6个步骤。而在上述6个步骤中，对于围堰稳定性及环保性的控制要点说明如下。

图2 围堰拆除工艺流程

2.1 围堰内清理

该步骤中主要包括内容为：围堰范围内垃圾清理、子围堰土方外运。主要目的是完成围堰拆除前的准备工作。通过对围堰内垃圾的清理，对堰内湖底标高进行初步恢复，以满足拆除过程中及拆除后的环保性要求。需特别注意的是，对湖底进行恢复时，要求标高不得高于原湖底标高。子围堰是在围堰顶迎水面侧设置的袋装土子围堰，利用工程器械将之外运至制定位置即可。

2.2 预挖堰芯土置换沟槽

该步骤主要包括堰内施工便道破除、预挖堰芯土沟槽。其中，预挖堰芯土沟槽是围堰拆除过程中为达到环保要求的主要措施，也是环保要求与围堰稳定性要求的主要矛盾点。其原因在于，围堰内的两钢板桩间的堰芯土挖除是在围堰回水之后进行。所以，挖掘工作仅能采用水上挖掘机进行，在充分考虑环保条件下，挖出的土方外运存在困难。故最佳的处理方式是，将挖除的堰芯土直接回填到围堰内湖底，而为了恢复湖底标高，围堰内必须预先开挖沟槽来容纳堰芯土。但围堰内沟槽的开挖，将引起开挖应力释放，对围堰结构的稳定性存在不利影响，故需对围堰的稳定性进行计算。算例取自DHTDK1+260断面，工程情况：湖底地面高程H1=17.4m，水面高程取近期监测平均水位H2=19.70m，格体内填料高度为H3=20.0m（即围堰土方清理至拉杆高程）。围堰宽度B=7m，格体内填料的浮重度γ=8.5kN/m3，湿重度取γsat=18.5kN/m3，土体的内摩擦角φ=18°，粘聚力c=10kPa。根据《建筑边坡工程技术规范》，计算可得等效内摩擦角为φ'=47.1572°，水容重γ1=10kN/m3。假定格体内的水位浸润高度为总填筑高度的一半。后续章节的稳定性计算均取自此案例。

2.2.1 抗剪稳定性计算

填料土的土压力合力标准值：

板桩锁扣产生的抵抗力矩：

内部填料产生的抵抗力：

水压力：Fa=25.921kN；力臂：Ha=0.767m；水压力力矩：Ma=Fa×Ha=19.87kN·m

考虑锁扣产生的抵抗弯矩，抗剪安全系数：

不考虑锁扣产生的抵抗弯矩，抗剪安全系数：

故从上述计算结果可知，围堰的抗剪切稳定性远满足要求。

2.2.2 围堰整体稳定性计算

围堰的整体稳定性包括抗滑移及抗倾覆稳定性两方面。整体计算采用天汉计算软件水泥土挡墙模型计算，墙体顶标高取围堰拉杆标高20.0m，墙体的高度取土方标高到迎水面桩底的长度13.0m。水泥土挡墙背后水体采用土体参数模拟输入，取内摩擦角0.01°，粘聚力0kPa。计算模型如图3所示。

图3 围堰整体稳定性计算模型图（单位：mm）

软件计算结果为抗倾覆稳定性K3=3.44>1.35，满足要求；抗滑移稳定性K4=2.05>1.20，亦满足要求。

2.2.3 围堰被动区抗力系数计算

背水面桩体计算采用天汉计算软件撑锚模型计算，墙体顶标高取围堰拉杆标高20.0m，支撑高度为20.0m。计算模型图如图4所示。

图4 被动区抗力系数计算模型图（单位：mm）

软件计算结果如图5所示。从图5中可知，被动区抗力系数K4=1.276＞1.2，满足安全系数要求。但计算所得抗力系数仅仅略大于规范要求，若围堰受到土方开挖或其他外界不良影响时，围堰存在失稳破坏的危险。

图5 被动区抗力系数计算结果

根据文中对围堰DHTDK1+260断面的计算结果，被动区抗力系数K4=1.276，仅仅略大于要求值1.2。故在预留沟槽开挖时，需采取一定的防护措施，来保证围堰的整体稳定性。堰芯土预留沟槽开挖的具体实施方案，如图6所示。

图6 预留沟槽开挖示意图

由图6中标示，L1为预留沟槽到围堰的距离，L2为沟槽宽度。为了确保围堰在沟槽开挖时的稳定性，并同时满足预留沟槽可以容纳对应的堰芯土，沟槽开挖的条件为L1≥5m，L2根据围堰到通道主体结构的距离长度，定为8～9m或12～15m，沟槽的深度固定为2m。

此外，围堰内混凝土便道的破除工作对围堰结构的稳定性亦有不利影响，所以，对于紧邻围堰5m范围内的便道砖渣采用边挖边换填的方式清理，边挖边回填时采取分隔、分段的间隔破除法。距离围堰5m以上便道以及距离围堰较远便道则清除混凝土板块及砖渣，作为堰芯土预留沟槽。

2.3 围堰回水

该步骤主要是回水至湖泊水位，保持内外水位平衡，确保围堰钢板桩拔除过程的安全。此过程中的重点要素是围堰稳定性，所以，需要注意的是控制抽水速度，保证内外水压的动态平衡。在围堰回水前，对背水面钢板桩的稳定性进行计算，为回水速率的确定提供参考。

围堰背水面钢板桩稳定性计算。背水面钢板桩桩体计算采用《板桩码头设计与施工规范》锚碇结构计算，桩长为18m。

（1） 锚碇墙前被动土压力计算。回填料或土的重度γ2=18.5kN/m3，锚碇墙（板）底端的埋深th=14.4m；填料或土与墙（板）面之间的摩擦角δ=6°；拉杆间距bk=0.8m。

考虑墙（板）顶以上土体不全部参加工作的系数：ρ=0.78，可得锚碇墙（板）前被动土压力标准值：

（3） 拉杆拉力水平分力标准值。根据原围堰设计的计算结果，支撑轴力设计值P=223kN/m，RAX=110.12kN

（4） 码头地面均布荷载产生的主动土压力计算。

（5） 分项、组合系数。主动土压力分项系数γE=1.35，拉杆拉力分项系数γRA=1.35，作用组合系数ψ=0.7，结构重要性系数γ0'=1.0

（6） 结构稳定性系数计算。

背水面钢板桩的稳定性远大于要求，故控制围堰内水位变化值不大于0.5m/d。

2.4 堰芯土置换

该步骤包括两方面内容，一是内侧钢板桩拔除；二是将堰芯土填筑至沟槽内。对于此两项作业，仅需利用相关机械，完成施工操作即可。但对于各工区预留沟槽土方容量和堰芯土土方量不完全匹配，需对堰芯土进行调配。在环保性要求方面，需做到堰芯土土质检测，对于重金属含量超标的土，不可回填之沟槽内，而是运输至围堰外指定位置处。

2.5 湖底标高复核

在堰芯土回填完成后，进行湖底标高复核。主要采用水下雷达对围堰范围内湖底标高进行扫描。所以，主要是为控制要素中的环保性而拟定的一项步骤。

2.6 湖面恢复

该步骤主要包括围堰内水质净化、检测，拆除外侧钢板桩，恢复湖面。其中，在迎水面钢板桩拔除前，有两项环保性工作需进行，一是在钢板桩外侧，利用长松木桩制作临时防污染围挡；二是围堰内水质检测。待水质检测合格后，拔除外侧钢板桩。

迎水面钢板桩稳定性计算。迎水面钢板桩桩体计算采用《板桩码头设计与施工规范》锚碇结构计算。桩长为15m。

（1） 锚碇墙（板）前被动土压力计算。墙前回填料或土的重度：γ2=18.5kN/m3，锚碇墙（板）底端的埋深th'=10.4m，填料或土与墙（板）面之间的摩擦角δ'=6°；拉杆间距bk'=0.8m。

可得锚碇墙（板）前被动土压力标准值：

锚碇墙后土体产生的主动土压力计算：土层厚度h'=2.6m。

（2） 拉杆拉力水平分力标准值。根据原围堰设计天汉计算结果，支撑轴力设计值P'=223kN/m，R'AX=110.12kN

（3） 码头地面均布荷载产生的主动土压力计算。

（4） 分项、组合系数。主动土压力分项系数γE=1.35，拉杆拉力分项系数γRA=1.35，作用组合系数ψ=0.7，结构重要性系数γ'0=1.0。

（5） 结构稳定性系数计算。

迎水面钢板桩的稳定性远大于要求。故在迎水面钢板桩拔除过程中，重点在于确保湖底平整，恢复原湖底标高。最后，对湖面的漂浮物进行清理，保证湖面干净无杂物。

3 拆除工艺实施效果

文中所述的拆除工艺目前已成功运用于东湖通道工程围堰拆除。采用此种方法进行围堰拆除，将堰芯土就地开挖至预留沟槽，不需大量外运，采用就地消纳的方法，减少了外运、翻晒消纳的费用，不占用外部大量翻晒场、土方堆场，节约了淤泥处理、翻晒等费用，产生了极大的经济效益。

在环保方面，提前破除便道满足湖底生态环保要求，开挖堰芯土后再拆除背水面钢板桩，能够有效隔绝湖水，在钢板桩形成的封闭区域内进行堰芯土倒运，避免对外部湖水产生污染。

4 结语

通过对东湖通道围堰稳定性的计算分析，结合在5A级风景区施工中的环保要求，制定了东湖通道围堰拆除的绿色环保工艺，并得出如下结论：

（1） 通过预挖堰芯土沟槽的围堰拆除工艺，成功完成了东湖通道围堰拆除，有效减少了工程施工对周边环境的影响，达到绿色环保要求

（2） 围堰内的开挖及便道破除工作在围堰稳定性富余不足时，预留沟槽到围堰的距离L1≥5m，围堰到主体结构的距离L2取8～9m或12～15m，沟槽的深度固定取2m可有效保障围堰拆除的稳定性。

（3） 在安全系数较为充足的条件下，东湖通道控制围堰内水位变化值不大于0.5m/d，有效保障了围堰钢板桩的稳定性。