環保條件下的圍堰鋼板樁拆除工藝研究

劉佩， 邱子義

（1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430000；2.中建三局集團有限公司，武漢 430000）

0 引言

隨著我國基礎設施建設的不斷發展，各類水上或水下的大型結構工程層出不窮。而在水中結構施工，一般需要設置相應的臨時圍擋工程，圍堰即為其中較為常見的結構之一［1-3］。對于圍堰結構受力特性及拆除工藝的研究亦是當今熱點問題之一［4-7］。當圍堰工程完工的時候，還需對臨時圍堰結構進行拆除工作。在實際工程中，針對不同的圍堰類型，其拆除方法亦各不相同［8-10］，總體可分為爆破拆除法及機械拆除法兩大類。

武漢市東湖通道為全國最長城中湖隧道，位于武漢市5A級風景區—東湖風景區內，施工環保要求極高，而圍堰的拆除工藝選擇是否得當，將直接影響工程對東湖環境的影響程度。因此，選擇合適的拆除工藝，對東湖的環境保護尤為重要。

1 圍堰拆除方法比選

東湖通道工程采用雙層鋼板樁土芯組合圍堰隔絕湖水，采用明挖法進行隧道的主體結構施工，圍堰鋼板樁采用拉森鋼板樁，圍堰凈寬7m。堰體采用粘性土填筑。圍堰鋼板樁典型橫斷面如圖1所示。

圖1 圍堰鋼板樁布置橫斷面

圍堰常見的兩種拆除方法為爆破法和機械拆除法，其特點如表1所示。

表1 圍堰爆破法和機械拆除法比較

東湖通道圍堰地處東湖風景區，故拆除作業必須盡可能減小對環境的影響，且其圍堰類型為鋼板樁-土石圍堰。爆破法拆除圍堰有一個明顯的缺點就是對周圍影響較大，與此次拆除工作的一個重要限定條件不相符合。其次，東湖湖底淤泥層深厚，爆炸引起的沖擊波對淤泥結構性將產生嚴重破壞，大幅降低其強度，不僅使東湖水質受到污染，而且鋼板樁的穩定性亦得不到保障。因此，東湖通道鋼板樁圍堰的拆除選擇機械拆除法進行。

2 拆除工藝原理及流程

從文中的分析可知，東湖通道圍堰拆除的方法應選擇機械拆除法，而拆除工藝流程中，主要需考慮的兩個要素為：其一，拆除過程中需保證圍堰整體穩定性；其二，圍堰的拆除不會引起東湖水質及周邊環境急劇惡化。所以，針對上述兩點，圍堰拆除工作制定的拆除工藝流程如圖3所示。

由圖2可知，拆除的基本工藝流程分為圍堰內清理、預挖堰芯土置換溝槽、圍堰回水、堰芯土置換、湖底標高復核及湖面恢復6個步驟。而在上述6個步驟中，對于圍堰穩定性及環保性的控制要點說明如下。

圖2 圍堰拆除工藝流程

2.1 圍堰內清理

該步驟中主要包括內容為：圍堰范圍內垃圾清理、子圍堰土方外運。主要目的是完成圍堰拆除前的準備工作。通過對圍堰內垃圾的清理，對堰內湖底標高進行初步恢復，以滿足拆除過程中及拆除后的環保性要求。需特別注意的是，對湖底進行恢復時，要求標高不得高于原湖底標高。子圍堰是在圍堰頂迎水面側設置的袋裝土子圍堰，利用工程器械將之外運至制定位置即可。

2.2 預挖堰芯土置換溝槽

該步驟主要包括堰內施工便道破除、預挖堰芯土溝槽。其中，預挖堰芯土溝槽是圍堰拆除過程中為達到環保要求的主要措施，也是環保要求與圍堰穩定性要求的主要矛盾點。其原因在于，圍堰內的兩鋼板樁間的堰芯土挖除是在圍堰回水之后進行。所以，挖掘工作僅能采用水上挖掘機進行，在充分考慮環保條件下，挖出的土方外運存在困難。故最佳的處理方式是，將挖除的堰芯土直接回填到圍堰內湖底，而為了恢復湖底標高，圍堰內必須預先開挖溝槽來容納堰芯土。但圍堰內溝槽的開挖，將引起開挖應力釋放，對圍堰結構的穩定性存在不利影響，故需對圍堰的穩定性進行計算。算例取自DHTDK1+260斷面，工程情況：湖底地面高程H1=17.4m，水面高程取近期監測平均水位H2=19.70m，格體內填料高度為H3=20.0m（即圍堰土方清理至拉桿高程）。圍堰寬度B=7m，格體內填料的浮重度γ=8.5kN/m3，濕重度取γsat=18.5kN/m3，土體的內摩擦角φ=18°，粘聚力c=10kPa。根據《建筑邊坡工程技術規范》，計算可得等效內摩擦角為φ'=47.1572°，水容重γ1=10kN/m3。假定格體內的水位浸潤高度為總填筑高度的一半。后續章節的穩定性計算均取自此案例。

2.2.1 抗剪穩定性計算

填料土的土壓力合力標準值：

板樁鎖扣產生的抵抗力矩：

內部填料產生的抵抗力：

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

考慮鎖扣產生的抵抗彎矩，抗剪安全系數：

不考慮鎖扣產生的抵抗彎矩，抗剪安全系數：

故從上述計算結果可知，圍堰的抗剪切穩定性遠滿足要求。

2.2.2 圍堰整體穩定性計算

圍堰的整體穩定性包括抗滑移及抗傾覆穩定性兩方面。整體計算采用天漢計算軟件水泥土擋墻模型計算，墻體頂標高取圍堰拉桿標高20.0m，墻體的高度取土方標高到迎水面樁底的長度13.0m。水泥土擋墻背后水體采用土體參數模擬輸入，取內摩擦角0.01°，粘聚力0kPa。計算模型如圖3所示。

圖3 圍堰整體穩定性計算模型圖（單位：mm）

軟件計算結果為抗傾覆穩定性K3=3.44>1.35，滿足要求；抗滑移穩定性K4=2.05>1.20，亦滿足要求。

2.2.3 圍堰被動區抗力系數計算

背水面樁體計算采用天漢計算軟件撐錨模型計算，墻體頂標高取圍堰拉桿標高20.0m，支撐高度為20.0m。計算模型圖如圖4所示。

圖4 被動區抗力系數計算模型圖（單位：mm）

軟件計算結果如圖5所示。從圖5中可知，被動區抗力系數K4=1.276＞1.2，滿足安全系數要求。但計算所得抗力系數僅僅略大于規范要求，若圍堰受到土方開挖或其他外界不良影響時，圍堰存在失穩破壞的危險。

圖5 被動區抗力系數計算結果

根據文中對圍堰DHTDK1+260斷面的計算結果，被動區抗力系數K4=1.276，僅僅略大于要求值1.2。故在預留溝槽開挖時，需采取一定的防護措施，來保證圍堰的整體穩定性。堰芯土預留溝槽開挖的具體實施方案，如圖6所示。

圖6 預留溝槽開挖示意圖

由圖6中標示，L1為預留溝槽到圍堰的距離，L2為溝槽寬度。為了確保圍堰在溝槽開挖時的穩定性，并同時滿足預留溝槽可以容納對應的堰芯土，溝槽開挖的條件為L1≥5m，L2根據圍堰到通道主體結構的距離長度，定為8～9m或12～15m，溝槽的深度固定為2m。

此外，圍堰內混凝土便道的破除工作對圍堰結構的穩定性亦有不利影響，所以，對于緊鄰圍堰5m范圍內的便道磚渣采用邊挖邊換填的方式清理，邊挖邊回填時采取分隔、分段的間隔破除法。距離圍堰5m以上便道以及距離圍堰較遠便道則清除混凝土板塊及磚渣，作為堰芯土預留溝槽。

2.3 圍堰回水

該步驟主要是回水至湖泊水位，保持內外水位平衡，確保圍堰鋼板樁拔除過程的安全。此過程中的重點要素是圍堰穩定性，所以，需要注意的是控制抽水速度，保證內外水壓的動態平衡。在圍堰回水前，對背水面鋼板樁的穩定性進行計算，為回水速率的確定提供參考。

圍堰背水面鋼板樁穩定性計算。背水面鋼板樁樁體計算采用《板樁碼頭設計與施工規范》錨碇結構計算，樁長為18m。

（1） 錨碇墻前被動土壓力計算。回填料或土的重度γ2=18.5kN/m3，錨碇墻（板）底端的埋深th=14.4m；填料或土與墻（板）面之間的摩擦角δ=6°；拉桿間距bk=0.8m。

考慮墻（板）頂以上土體不全部參加工作的系數：ρ=0.78，可得錨碇墻（板）前被動土壓力標準值：

（3） 拉桿拉力水平分力標準值。根據原圍堰設計的計算結果，支撐軸力設計值P=223kN/m，RAX=110.12kN

（4） 碼頭地面均布荷載產生的主動土壓力計算。

（5） 分項、組合系數。主動土壓力分項系數γE=1.35，拉桿拉力分項系數γRA=1.35，作用組合系數ψ=0.7，結構重要性系數γ0'=1.0

（6） 結構穩定性系數計算。

背水面鋼板樁的穩定性遠大于要求，故控制圍堰內水位變化值不大于0.5m/d。

2.4 堰芯土置換

該步驟包括兩方面內容，一是內側鋼板樁拔除；二是將堰芯土填筑至溝槽內。對于此兩項作業，僅需利用相關機械，完成施工操作即可。但對于各工區預留溝槽土方容量和堰芯土土方量不完全匹配，需對堰芯土進行調配。在環保性要求方面，需做到堰芯土土質檢測，對于重金屬含量超標的土，不可回填之溝槽內，而是運輸至圍堰外指定位置處。

2.5 湖底標高復核

在堰芯土回填完成后，進行湖底標高復核。主要采用水下雷達對圍堰范圍內湖底標高進行掃描。所以，主要是為控制要素中的環保性而擬定的一項步驟。

2.6 湖面恢復

該步驟主要包括圍堰內水質凈化、檢測，拆除外側鋼板樁，恢復湖面。其中，在迎水面鋼板樁拔除前，有兩項環保性工作需進行，一是在鋼板樁外側，利用長松木樁制作臨時防污染圍擋；二是圍堰內水質檢測。待水質檢測合格后，拔除外側鋼板樁。

迎水面鋼板樁穩定性計算。迎水面鋼板樁樁體計算采用《板樁碼頭設計與施工規范》錨碇結構計算。樁長為15m。

（1） 錨碇墻（板）前被動土壓力計算。墻前回填料或土的重度：γ2=18.5kN/m3，錨碇墻（板）底端的埋深th'=10.4m，填料或土與墻（板）面之間的摩擦角δ'=6°；拉桿間距bk'=0.8m。

可得錨碇墻（板）前被動土壓力標準值：

錨碇墻后土體產生的主動土壓力計算：土層厚度h'=2.6m。

（2） 拉桿拉力水平分力標準值。根據原圍堰設計天漢計算結果，支撐軸力設計值P'=223kN/m，R'AX=110.12kN

（3） 碼頭地面均布荷載產生的主動土壓力計算。

（4） 分項、組合系數。主動土壓力分項系數γE=1.35，拉桿拉力分項系數γRA=1.35，作用組合系數ψ=0.7，結構重要性系數γ'0=1.0。

（5） 結構穩定性系數計算。

迎水面鋼板樁的穩定性遠大于要求。故在迎水面鋼板樁拔除過程中，重點在于確保湖底平整，恢復原湖底標高。最后，對湖面的漂浮物進行清理，保證湖面干凈無雜物。

3 拆除工藝實施效果

文中所述的拆除工藝目前已成功運用于東湖通道工程圍堰拆除。采用此種方法進行圍堰拆除，將堰芯土就地開挖至預留溝槽，不需大量外運，采用就地消納的方法，減少了外運、翻曬消納的費用，不占用外部大量翻曬場、土方堆場，節約了淤泥處理、翻曬等費用，產生了極大的經濟效益。

在環保方面，提前破除便道滿足湖底生態環保要求，開挖堰芯土后再拆除背水面鋼板樁，能夠有效隔絕湖水，在鋼板樁形成的封閉區域內進行堰芯土倒運，避免對外部湖水產生污染。

4 結語

通過對東湖通道圍堰穩定性的計算分析，結合在5A級風景區施工中的環保要求，制定了東湖通道圍堰拆除的綠色環保工藝，并得出如下結論：

（1） 通過預挖堰芯土溝槽的圍堰拆除工藝，成功完成了東湖通道圍堰拆除，有效減少了工程施工對周邊環境的影響，達到綠色環保要求

（2） 圍堰內的開挖及便道破除工作在圍堰穩定性富余不足時，預留溝槽到圍堰的距離L1≥5m，圍堰到主體結構的距離L2取8～9m或12～15m，溝槽的深度固定取2m可有效保障圍堰拆除的穩定性。

（3） 在安全系數較為充足的條件下，東湖通道控制圍堰內水位變化值不大于0.5m/d，有效保障了圍堰鋼板樁的穩定性。