城区航道复杂环境下河岸工程变形控制措施

匡成华，王延平

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088）

1 概述

安徽省内河运输主要分布在长江水系和淮河水系，航道里程6503.93km，全国排名第七，通航里程5586.68km。航道工程建设在穿越人口密集的城市时，常与已建防洪、市政、交通等工程交叉在一起，加上航道岸坡为深厚淤泥质软土层，工程布置空间受限，部分河段紧邻高程建筑，实施难度大，安全风险高。为此，工程设计需从水运工程、水利工程、桥梁工程以及建筑工程等学科领域出发，考虑在水、土共同作用下水工结构、桥梁结构及房屋建筑结构的安全。

天然河道以淤泥质壤土为代表的软弱土广泛分布，且软土层深厚，软土一般呈流塑至软塑状，孔隙比大，含水量高，压缩性大，强度低，如何处理好此类地基一直是工程建设领域的难点与关键点。建在软土边坡上的水工建筑物地基变形控制非常复杂，若处理措施不当，常出现较大的建筑物位移或位移差，且易发生软土向基坑侧蠕变，造成建筑物水平位移大、侧向失稳等险情，对工程质量与安全危害较大。因此，需要综合研究运用软土加固处理技术，以提高软土刚度，有效控制软土水平位移。

2 岸坡淤泥质土变形特征

淤泥质土是典型的软土，通常天然含水量为40%～70%，天然空隙比在1.0～1.5 之间。土由固体矿物、水和气体组成，通常用含水量w、孔隙比e 来衡量土的压缩性与强度，含水量、空隙比越大，其压缩性越大，强度越低。对水运、水利等工程而言，由于利用现有河道或开辟新河道进行开发整治兴利弊害，经常遇到软土土质，尤其是饱和软土抗剪强度低，岸坡滑移问题突出，一般以解决抗滑稳定问题为主。但是工程建设在穿越人口密集的城市时，河道两岸高层建筑林立，跨河桥梁众多，软土水平位移及蠕变流动已成为引起建筑物开裂、倾斜甚至倾覆的重要因素。因此，采取处理措施限制软土层水平变位十分重要。

土体的蠕变是土体在自重应力、地下水以及水平应力等作用下，变形随时间而持续增加的现象。在实际工程中，软土的蠕变特性往往是引起边坡工程破坏与失稳的主要原因，其实质是土体的剪切破坏。土的抗剪强度是由粘聚力和摩擦力两部分组成，土的粘聚力具有粘滞性质，当剪应力低于剪切试验的不排水强度时，虽然土不会发生破坏，但是由粘聚力所承受的剪应力将会引起土体蠕变，发生不间断的缓慢变形。内摩擦角只有在土体变形后才能逐渐发挥，因此随着土体在外荷载作用下长时间蠕变，内摩擦角所承受的剪应力逐渐增大，粘聚力所承受的剪应力则逐渐减小。粘聚力承受的剪应力减小，土体蠕变的速率将减慢，当内摩擦力已完全发挥时，粘聚力所承受的剪应力不再减小，土体蠕变的速率不再减慢，而是以不变的速率持续发生蠕变。蠕变速率的大小与剪应力的大小有关，当剪应力较大时，虽然低于不排水强度，例如软土剪应力为不排水强度的70%时，蠕变变形仍将导致粘土破坏，这种破坏称为蠕变破坏。饱和的灵敏软粘土在不排水条件下变形和严重超固结粘土在排水条件下变形，最容易由于蠕变引起抗剪强度下降。因为软粘土不排水蠕变会引起孔隙压力增加，有效应力下降，严重超固结粘土排水蠕变则会因剪胀而引起含水量增大，其结果都会导致抗剪强度下降。根据有关资料介绍，对一些软土的蠕变试验得到，重塑粘土蠕变破坏的强度比通常测试的抗剪强度约降低30%～60%，原状粘土蠕变破坏的强度约降低17%～35%。由此可见，软体的蠕变特征对其强度影响较大，且蠕变具有流动性，逐渐向低洼处汇聚，破坏性强，影响范围广，有效控制难度大。

3 淤泥质土岸坡工程变形控制措施

省内某航道整治工程穿市区段基本无外滩，河堤脚紧临深槽，沿岸建有防洪墙，防洪墙内侧地层较平坦，民房密集，地面局部凹凸不平，且岸坡存在深厚淤泥质重粉质壤土层，地质横剖面图见图1。

图1 工程地质剖面图

3.1 工程措施

根据航道两侧已有建筑物分布情况，航道整治选择对河道进行疏浚和一侧扩挖的方式。航道岸坡若采用常规的斜坡方式，将占用现有坡顶防洪墙后大量市政用地，退建后的防洪墙紧邻高层建筑（住宅），对采用桩基的高层建筑安全带来影响；另外放坡对于拟保留的桥梁桥墩受力产生变化，对桥墩稳定性带来威胁。综合分析航道拓宽对现有市政、交通工程影响，确定采用底部陡坡结合防洪墙直立挡土的方式压缩坡顶退建距离，尽量减小对高层建筑和桥梁的影响。为减小边坡开挖范围，尽量远离现有建筑物及市政设施，并保证航道上口宽度满足通航要求，航道岸坡布置采用复式断面，设1.0m 宽平台，平台以下为斜坡段，坡比1∶1.5，以上为直立式（挂板）挡土结构，岸坡顶部结合城市景观布置空箱式防洪墙。

此段航道复杂的地形条件造成了岸高坡陡的岸线布置，整个岸坡高度范围内均为深厚的淤泥质软土，很难形成自然边坡，加上毗邻的高层建筑和交叉桥梁限制，需要采用人工岸坡解决自身的稳定和邻近建筑物的安全问题。由于航道岸坡软淤土层深厚，岸坡高差大，同时已有高层建筑距离过近，具有流塑性的软土蠕变既会造成航道边坡和防洪墙稳定破坏，也会影响近处桥墩和高层建筑物地基变形，进而威胁建筑物结构安全。

为解决软土边坡自身的稳定，较常采用的工程措施一种是复合地基，一般采用柔性桩置换，以提高软土的竖向承载力和抗剪强度；另一种是采用抗滑桩布置于岸坡，起到阻止坡面土体滑动的目的。由于采用柔性岸坡，在满足稳定的前提下，可允许一定的侧向变形发生。在岸坡发生变形时，软土蠕变的连续性，会导致毗邻岸线的高层建筑和桥梁地基土可能发生超过规范规定的变形值而改变建筑物周围土体对建筑物的压力分布，进而对建筑物的稳定和结构强度产生威胁。

3.2 常规工程措施分析

3.2.1 采取水泥搅拌桩处理

城区段航道深达十多米，下卧基岩出露较高，采取普通均匀布置的搅拌桩复合地基虽然可以置换土体强度，但流塑状淤泥质土仍可通过桩间产生“绕流”效应而产生岸坡变形。根据水泥搅拌桩加固土体理论，水泥掺量及置换率影响到搅拌桩的粘聚力和内摩擦角。仅从抗滑角度考虑，一般均采用梅花形、矩形等均匀性的布置方式。均匀布置方式对垂直承载及抗滑均为合理可行的方案，但从限制变形角度存在以下两个问题：软土可绕过桩，从连通的土体间自由形变；总刚度分散，应对变形能力差。

3.2.2 采取灌注桩支护

由于岸坡高度大、常规灌注桩支护桩受力大，桩底入土深度难以满足“嵌固”要求，且航道临空，无法形成对撑或土锚，势必要加大桩径和入岩深度来满足，施工难度大、经济性不好。

3.3 创新加固方式

为解决上述两种措施的不足，对两种工程措施进行了优化并加以组合，创新性提出了纵横向多排搅拌桩连续墙加锚桩结构，即三排支护桩疏密组合结构及水泥土搅拌桩框格围固结构结合加固方式。首先，为应对淤泥质土在陡坡状态的“流动性”，设计在坡顶防洪墙地基和岸坡设置纵横向多排水泥土搅拌桩连续墙围固，一方面分隔淤泥质软土限制绕流，另一方面形成骨架集中了桩体刚度应对形变，类似蜂窝原理，内部即便装水也能做到“滴水不漏”，这些措施可以增强岸坡抗滑性，减小支护桩后土压力、增加桩前土抗力；其次，支护桩一改常规的间隔单、双排桩布置，创新性采用前排密布、后排间隔的三排桩分布，以宽代深，缩短了桩的入岩深度，一方面增加了结构刚度，减小桩顶位移，一方面利用前排密桩和搅拌桩克服墙后土压力和水压力作用对岸坡稳定的影响。

此航道整治工程采用纵横向多排搅拌桩连续墙加锚桩结构，即三排支护桩疏密组合结构及水泥土搅拌桩框格围固结构结合，具体为采用水泥搅拌桩固化边坡淤泥质土层，水泥搅拌桩全坡面及防洪墙基础范围内布设，桩径0.6m，坡脚设4 排密布形成固脚，坡面及防洪墙底板下框格式布置，间距约3.0～4.0m，桩底进入粉质粘土1.0m，坡脚设4 排连续的搅拌桩固脚；防洪墙下底板设3 排灌注桩，排距4.0m；前排直径1.2m，桩间距1.49m，后两排桩直径1.0mm，间距2.4m。具体结构布置见图2～3。

图2 某航道整治工程地基处理断面图

图3 某航道整治工程地基处理平面图

4 结语

采用纵横向多排搅拌桩连续墙加锚桩结构，即三排支护桩疏密组合结构及水泥土搅拌桩框格围固结构结合，解决受限空间防洪墙退建及临河高层建筑保护技术难题，提高岸坡开挖坡度与整体稳定性，满足航道断面要求，并有效控制了淤泥质土岸坡位移及蠕变对岸边建筑物结构安全影响。利用纵横向多排连续墙约束其侧向变形，有效提高了抗变形与软土地基强度能力；在连续墙中布入三排支护桩疏密组合结构做为支锚，强化岸坡提高变形能力，弥补受自然条件限制带来岸坡搅拌桩连续墙等桩体的不足，可使岸坡变形有限控制在合理范围，满足边坡抗滑稳定安全需要，是对深厚软土地基加固技术进一步的补充。

工程于2013 年9 月28 日开始建设，2018 年7月11 日完工。针对地层上覆软塑状淤泥质土，采取纵横向多排搅拌桩连续墙加锚桩的岸坡变形控制措施，有效解决了河岸整体稳定及临近建筑物水平及沉降变形控制，减小了建筑物侧向荷载影响，降低了淤泥质土蠕变产生的建筑物安全风险。施工一切正常，监测结果未发现较大位移及沉降，经历2016 年、2020 年大洪水考验，取得了很好的效果。该技术已在高塘湖泵站工程、五河船闸新建工程、裕溪闸除险加固工程等项目运用，均取得良好的技术效果及经济效益，是对深厚软土地基加固技术进一步的补充