湖底隧道組合式生態(tài)圍堰施工技術(shù)

胡先寬

(安徽省交通建設(shè)股份有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

水乃生命之源，城市傍水而建。湖泊濕地是城市主要景觀帶，周邊是城市核心區(qū)。為提高湖邊的整體開發(fā)，主要交通干道須穿過湖泊。穿湖隧道的施工有明挖和暗挖兩種施工方法，在明挖施工時(shí)，必然會涉及圍堰工程，圍堰的主要功能是擋水并為基坑開挖提供支護(hù)。隨著時(shí)代的發(fā)展，全民生活水平的不斷提高，國家、居民對建設(shè)工程的綠色、環(huán)保、品質(zhì)要求越來越高。傳統(tǒng)的圍堰施工造價(jià)高，且土石圍堰對河床擠壓大，對生態(tài)影響大；混凝土圍堰對湖底基礎(chǔ)處理要求高，不易施工，且不環(huán)保。在臨時(shí)圍堰施工時(shí)，在滿足功能的同時(shí)如何能最大限度減少對湖面的占壓和水質(zhì)的擾動(dòng)，并且在施工過程中防止對水面的污染，打造環(huán)保生態(tài)的效果。

1 工程概況

懷寧路是合肥南北方向的一條城市主干道，但由于天鵝湖的阻隔形成斷頭路，嚴(yán)重影響了政務(wù)區(qū)的交通通暢，下穿天鵝湖隧道工程自懷寧路與桐文路交口降坡，下穿天鵝湖路，然后下穿天鵝湖后起坡與祁門路平交(圖1)。線路全長約1 km，其中暗埋段長447 m，U 槽段長258 m，按雙向六車道設(shè)置。隧道限界凈寬：2×單孔13.25 m，凈空限界高度采用4.5 m。土(巖)層自上而下分為：第①層為填土約4 m厚;第②～③層為第四系全新統(tǒng)沖積層，主要為粉質(zhì)黏土約21.3 m厚，下部為第④層風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。綜合考慮隧道的埋深和地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)采用明開挖施工方案。

圖1 懷寧路下穿天鵝湖隧道工程平面圖

天鵝湖是政務(wù)區(qū)的中心，環(huán)湖景觀帶與周邊建筑相互呼應(yīng)，是合肥的靚麗名片。天鵝湖的水質(zhì)清澈，達(dá)到地表水三類標(biāo)準(zhǔn)。懷寧路下穿隧道位于天鵝湖的西側(cè)，同時(shí)西側(cè)為進(jìn)水側(cè)。施工圍堰同時(shí)必須考慮防汛、阻水為隧道施工提供作業(yè)平臺，同時(shí)還應(yīng)保證圍堰施工和隧道施工過程避免或減少對天鵝湖水質(zhì)的擾動(dòng)和污染。采用傳統(tǒng)的土石圍堰占壓湖面較寬，且很難避免土石施工時(shí)對湖水的擾動(dòng)和污染。傳統(tǒng)的鋼質(zhì)圍堰對占用湖面面積小，防汛、阻水功能強(qiáng)大，但施工時(shí)還是難免對水體的擾動(dòng)和污染。為此我們設(shè)計(jì)了一套三層隔水的組合式生態(tài)圍堰，實(shí)現(xiàn)了防汛、阻水、水質(zhì)保護(hù)等功效，實(shí)現(xiàn)了綠色施工。

組合式生態(tài)圍堰的基本原理是鋼板樁施工前，先在施工區(qū)域外2～5 m由漂浮球和繩索形成的阻隔帶，隔離施工過程的漂浮物和油漬；再施工一道鋼板樁隔墻，將施工區(qū)域封閉，形成相對封閉的施工區(qū)域；然后施工雙層鋼板樁主圍堰，內(nèi)部填土保證圍堰的隔水阻水功能，在主圍堰的頂部利用植物纖維毯覆蓋綠化，避免初期水土流失對湖水的污染，后期綠化臨時(shí)復(fù)綠形成臨時(shí)綠色屏障，形成生態(tài)圍堰。

生態(tài)組合式鋼圍堰共3道(圖2)。第一道為阻隔帶，隔離施工過程的漂浮物和油漬。第二道隔水圍堰，起到隔離施工區(qū)域水體與湖中水體的作用。第三道為雙層鋼板樁主圍堰，雙側(cè)均采用拉森Ⅳ型鋼板樁扣打，頂部設(shè)雙拼槽32a鋼圍檁并用Φ28鋼筋拉結(jié)形成整體。底部范圍內(nèi)清淤后分層夯填黏土。堰心采用黏土回填，圍堰寬度6.0 m，考慮環(huán)保和文明施工要求，在堰頂設(shè)置生態(tài)覆蓋。迎水面鋼板樁背面設(shè)置復(fù)合土工膜，鋪設(shè)時(shí)在鋼拉桿下留有25 cm以備沉降時(shí)不被拉斷。土工膜搭接500 mm，接頭采用焊接。

2 堰體填筑與防污防滲施工技術(shù)

2.1 阻隔帶布設(shè)

施工前根據(jù)施工范圍，在外圍設(shè)置一道鋼板樁截污帶(圖3)，采用攔污繩攔截施工時(shí)油污及水面漂浮物(圖4)，保證了施工時(shí)可能產(chǎn)生的油漬、漂浮物等不對湖體水質(zhì)產(chǎn)生污染。

圖3 鋼板樁施工圖

圖4 阻隔帶施工圖

2.2 鋼板樁施打

2.2.1 輔助平臺施工

水中施工使用鋼浮箱作為工作平臺。鋼浮箱是特制的長方形鋼箱，采用平板汽車運(yùn)輸至現(xiàn)場拼裝。底部周邊有圓角，頂面四周焊有L150×150×6的角鋼，在拐角處焊有三角形鋼板，長邊間隔2 m焊有T形鋼板，角鋼和鋼板上均有螺栓眼和卡銷眼，每個(gè)浮箱的螺栓眼和卡銷眼都是對稱的，通過螺栓與卡銷互相連接。浮箱逐個(gè)吊下水，拼裝完一個(gè)吊一個(gè)，均按浮箱設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行銷式拼裝，再進(jìn)行局部的焊接，焊接2個(gè)寬70 cm的行走跑道，長為12 m，機(jī)械上船的一端長出船體，上船時(shí)作用于上船平臺。鋼浮箱應(yīng)有足夠的承重能力，打樁機(jī)自重58t，施工重量考慮80 t，12 m拉森鋼板樁單重約0.913 t。

2.2.2 導(dǎo)架的安裝

在鋼板樁施工中采用雙線定位+導(dǎo)向架的方式。為保證沉樁的豎直度和軸線位置的準(zhǔn)確性，控制樁的打入精度，防止板樁的屈曲變形和提高樁的貫入能力，一般都需要設(shè)置一定剛度的、堅(jiān)固的導(dǎo)架。導(dǎo)架采用單層雙面形式，通常由導(dǎo)梁和圍檁樁等組成。圍檁樁的間距設(shè)置為2.5～3.5 m，雙面圍檁之間的間距不宜過大，一般略比鋼板樁厚度大20～25 mm。

2.2.3 插打鋼板樁

為了確保插打位置準(zhǔn)確，第一片鋼板樁是插打的關(guān)鍵。插打在導(dǎo)向架上設(shè)置一個(gè)限位框架，大小比鋼板樁每邊放大1 cm，插打時(shí)鋼板樁背緊靠導(dǎo)向架，邊插打邊將履帶吊鉤緩慢下放。這時(shí)在互相垂直的兩個(gè)方向用經(jīng)緯儀觀測，以確保鋼板樁插正、插直，然后以第一根鋼板樁為基準(zhǔn)，再向兩邊對稱插打鋼板樁。在整個(gè)鋼板樁圍堰施打過程中，開始時(shí)插一根打一根，即將每一片鋼板樁打到設(shè)計(jì)位置，到剩下最后5片時(shí)，要先插后打，若合攏有誤，用倒鏈或滑車組對拉使之合攏，合攏后，再逐根打到設(shè)計(jì)深度。

2.2.4 合攏

(1) 合攏前的準(zhǔn)備。在即將合攏時(shí)，開始測量并計(jì)算出鋼板樁底部的直線距離，再根據(jù)鋼板樁的寬度，計(jì)算出所需鋼板樁的片數(shù)，按此確定下一步鋼板材如何插打(是增加鋼板樁，還是鋼板樁插打時(shí)向外繞圓弧)。

(2) 合攏時(shí)樁的調(diào)整處理。為了便于合攏，合攏處的兩片樁應(yīng)一高一低。U形鋼圍堰有4個(gè)面，打完的每一片鋼板樁，都要沿導(dǎo)向架的法線和切線方向垂直，合攏應(yīng)選擇在角樁附近(一般離角樁4～5片)，如果距離有偏差，可調(diào)整合攏邊相鄰一邊離導(dǎo)向架的距離。為了防止合攏處兩片樁不在一個(gè)平面內(nèi)，一定要調(diào)整好角樁方向，讓其一面鎖口與對面的鋼板樁鎖口盡量保持平行。

2.3 腰梁及拉桿施工

鋼管樁插打完畢，底部范圍內(nèi)清淤后分層夯填黏土。堰心采用黏土回填，在標(biāo)高30.85 m處安裝雙拼槽32a鋼圍檁并用φ28鋼筋拉結(jié)形成整體。采用φ25的鋼筋托架直接焊接在鋼板樁上，呈三角形牛腿狀，每隔1.2 m布設(shè)一道，焊接過程中須保證托架頂面在同一水平面。托架安裝后直接將圍檁放置于托架上 ，圍檁應(yīng)保證與鋼板樁接觸密實(shí)，如因鋼板樁插打過程中未在同一平面，需加塞鋼板以保證鋼板樁直接作用與圍檁上。采用φ28鋼筋對兩側(cè)鋼板樁進(jìn)行對拉，對拉水平間距為1.2 m。

2.4 防滲復(fù)合土工膜施工

腰梁及拉桿施工完成后，開始施工防滲復(fù)合土工膜。防滲土工膜施工順序應(yīng)由湖岸向湖中心施工，土工膜的連接采用搭接法。

防滲土工膜施工程序：鋼板樁驗(yàn)收合格→土工膜鋪設(shè)→剪裁→對正、搭齊→搭接施工→檢測→修補(bǔ)→復(fù)檢→驗(yàn)收。

復(fù)合防滲土工膜鋪設(shè)要求:①檢查并確認(rèn)鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)具備鋪設(shè)條件；②做下料分析，畫出土工膜鋪設(shè)順序和裁剪圖；③檢查土工膜的外觀質(zhì)量，記錄并修補(bǔ)已發(fā)現(xiàn)的機(jī)械損傷和孔洞、折損等缺陷；④進(jìn)行現(xiàn)場鋪設(shè)實(shí)驗(yàn)，確定焊接溫度、速度等施工工藝參數(shù)。

2.5 圍堰填土

雙排鋼管樁之間填土應(yīng)選擇黏性土，不透水。本項(xiàng)目基坑挖土方為粉質(zhì)黏土，其隔水性能較好，適合用于圍堰填土。用挖掘機(jī)挖泥，渣土車運(yùn)輸至現(xiàn)場，挖掘機(jī)卸料至圍堰內(nèi)。當(dāng)土方回填出水面時(shí)，暫停填土，進(jìn)行對拉鋼筋施工。待土稍加沉降后，才可繼續(xù)回填，直至形成設(shè)計(jì)的圍堰斷面。

填土前在圍堰上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，整個(gè)填土過程中，時(shí)刻觀測鋼板樁監(jiān)測點(diǎn)情況，保證其垂直度，防止一次填土過高，鋼板樁外傾。

填土達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，對圍堰內(nèi)填土進(jìn)行整平，再進(jìn)行圍堰內(nèi)抽水。根據(jù)要求，抽水時(shí)應(yīng)密切注意圍堰的變形情況，每抽降1 m水位進(jìn)行一次觀測，直至圍堰內(nèi)水抽干。

2.6 圍堰頂?shù)纳鷳B(tài)綠化

為了防止圍堰頂?shù)穆阃恋膿P(yáng)塵，如果用綠網(wǎng)進(jìn)行覆蓋能夠達(dá)到效果，但會帶來二次污染。為此我們引進(jìn)新型材料：植物纖維毯進(jìn)行綠化處理，植物纖維毯是將草種由上下2層固定網(wǎng)夾持植物纖維層，或由固定網(wǎng)從上至下依次夾持植物纖維層、種子承載層(或基質(zhì)層)、襯托層并縫合形成的毯狀物(圖5)。植物纖維毯在覆蓋初期能有效防止圍堰頂土方受雨水沖刷，在灑水養(yǎng)護(hù)草能夠自動(dòng)成坪，對圍堰頂起到綠化的景觀效果(圖6)。

圖5 植物纖維毯結(jié)構(gòu)

圖6 綠化的效果

2.7 圍堰拆除

隧道主體施工完成后進(jìn)行圍堰拆除，圍堰拆除分6步進(jìn)行：

第一步：隧道結(jié)構(gòu)頂板覆土回填，渣土外運(yùn)，圍堰內(nèi)垃圾清理；

第二步：堰內(nèi)便道破除，預(yù)挖溝槽，為圍堰土填埋和置換留出空間；

第三步：往圍堰內(nèi)放水，保持內(nèi)外水位平衡；

第四步：拔除內(nèi)側(cè)鋼板樁，將圍堰土填筑至事先挖好的溝槽內(nèi)；

第五步：水下雷達(dá)對湖底標(biāo)高進(jìn)行復(fù)測，組織聯(lián)合驗(yàn)收；

第六步：圍堰內(nèi)水質(zhì)凈化、檢測，拆除外側(cè)鋼板樁，恢復(fù)湖面。

3 圍堰監(jiān)測和水質(zhì)監(jiān)控

在施工過程中專門成立一個(gè)監(jiān)測小組，對圍堰壩體、水位、水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。主圍堰壩體監(jiān)測的重點(diǎn)在圍堰的位移及沉降、滲漏水。具體的做法是，壩體上每隔15 m在打入的在鋼板樁上設(shè)置1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。通過觀測監(jiān)測點(diǎn)相對于控制點(diǎn)的變化，來判斷圍堰的位移與沉降。在水位變化和汛期加大監(jiān)測頻率。根據(jù)監(jiān)控結(jié)果壩體在施工全過程穩(wěn)定、密實(shí)。水質(zhì)監(jiān)測分為三部分：隔離墻以外湖面、隔離墻與壩體之間水域、主圍堰內(nèi)水域。主圍堰內(nèi)水域主要在抽排前監(jiān)控水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到排放要求時(shí)才開始抽排，抽排先在隔離墻與壩體之間沉淀凈化再溢出隔離墻進(jìn)入主湖面。通過監(jiān)控施工期間隔離墻以外湖面、隔離墻與壩體之間水域水質(zhì)一直保持很好。

4 結(jié)束語

生態(tài)圍堰體系采用雙排鋼板樁圍堰主壩體保證了圍堰的穩(wěn)定，減小了對湖面的占壓，增設(shè)阻隔帶、隔離墻將施工區(qū)域和湖面有效阻隔，保護(hù)了湖水的水質(zhì)，創(chuàng)新引用植物纖維毯覆蓋主圍堰壩體，起到控制水土流失并形成臨時(shí)綠化的功效。通過圍堰的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和施工過程控制實(shí)現(xiàn)了防汛、阻水、水質(zhì)保護(hù)、綠化等功效，實(shí)現(xiàn)了綠色施工，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)保效益。在水質(zhì)保護(hù)要求高的水體中，圍堰施工做了積極的探索和研究，具有較好的推廣和應(yīng)用前景。