城區航道復雜環境下河岸工程變形控制措施

匡成華，王延平

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088）

1 概述

安徽省內河運輸主要分布在長江水系和淮河水系，航道里程6503.93km，全國排名第七，通航里程5586.68km。航道工程建設在穿越人口密集的城市時，常與已建防洪、市政、交通等工程交叉在一起，加上航道岸坡為深厚淤泥質軟土層，工程布置空間受限，部分河段緊鄰高程建筑，實施難度大，安全風險高。為此，工程設計需從水運工程、水利工程、橋梁工程以及建筑工程等學科領域出發，考慮在水、土共同作用下水工結構、橋梁結構及房屋建筑結構的安全。

天然河道以淤泥質壤土為代表的軟弱土廣泛分布，且軟土層深厚，軟土一般呈流塑至軟塑狀，孔隙比大，含水量高，壓縮性大，強度低，如何處理好此類地基一直是工程建設領域的難點與關鍵點。建在軟土邊坡上的水工建筑物地基變形控制非常復雜，若處理措施不當，常出現較大的建筑物位移或位移差，且易發生軟土向基坑側蠕變，造成建筑物水平位移大、側向失穩等險情，對工程質量與安全危害較大。因此，需要綜合研究運用軟土加固處理技術，以提高軟土剛度，有效控制軟土水平位移。

2 岸坡淤泥質土變形特征

淤泥質土是典型的軟土，通常天然含水量為40%～70%，天然空隙比在1.0～1.5 之間。土由固體礦物、水和氣體組成，通常用含水量w、孔隙比e 來衡量土的壓縮性與強度，含水量、空隙比越大，其壓縮性越大，強度越低。對水運、水利等工程而言，由于利用現有河道或開辟新河道進行開發整治興利弊害，經常遇到軟土土質，尤其是飽和軟土抗剪強度低，岸坡滑移問題突出，一般以解決抗滑穩定問題為主。但是工程建設在穿越人口密集的城市時，河道兩岸高層建筑林立，跨河橋梁眾多，軟土水平位移及蠕變流動已成為引起建筑物開裂、傾斜甚至傾覆的重要因素。因此，采取處理措施限制軟土層水平變位十分重要。

土體的蠕變是土體在自重應力、地下水以及水平應力等作用下，變形隨時間而持續增加的現象。在實際工程中，軟土的蠕變特性往往是引起邊坡工程破壞與失穩的主要原因，其實質是土體的剪切破壞。土的抗剪強度是由粘聚力和摩擦力兩部分組成，土的粘聚力具有粘滯性質，當剪應力低于剪切試驗的不排水強度時，雖然土不會發生破壞，但是由粘聚力所承受的剪應力將會引起土體蠕變，發生不間斷的緩慢變形。內摩擦角只有在土體變形后才能逐漸發揮，因此隨著土體在外荷載作用下長時間蠕變，內摩擦角所承受的剪應力逐漸增大，粘聚力所承受的剪應力則逐漸減小。粘聚力承受的剪應力減小，土體蠕變的速率將減慢，當內摩擦力已完全發揮時，粘聚力所承受的剪應力不再減小，土體蠕變的速率不再減慢，而是以不變的速率持續發生蠕變。蠕變速率的大小與剪應力的大小有關，當剪應力較大時，雖然低于不排水強度，例如軟土剪應力為不排水強度的70%時，蠕變變形仍將導致粘土破壞，這種破壞稱為蠕變破壞。飽和的靈敏軟粘土在不排水條件下變形和嚴重超固結粘土在排水條件下變形，最容易由于蠕變引起抗剪強度下降。因為軟粘土不排水蠕變會引起孔隙壓力增加，有效應力下降，嚴重超固結粘土排水蠕變則會因剪脹而引起含水量增大，其結果都會導致抗剪強度下降。根據有關資料介紹，對一些軟土的蠕變試驗得到，重塑粘土蠕變破壞的強度比通常測試的抗剪強度約降低30%～60%，原狀粘土蠕變破壞的強度約降低17%～35%。由此可見，軟體的蠕變特征對其強度影響較大，且蠕變具有流動性，逐漸向低洼處匯聚，破壞性強，影響范圍廣，有效控制難度大。

3 淤泥質土岸坡工程變形控制措施

省內某航道整治工程穿市區段基本無外灘，河堤腳緊臨深槽，沿岸建有防洪墻，防洪墻內側地層較平坦，民房密集，地面局部凹凸不平，且岸坡存在深厚淤泥質重粉質壤土層，地質橫剖面圖見圖1。

圖1 工程地質剖面圖

3.1 工程措施

根據航道兩側已有建筑物分布情況，航道整治選擇對河道進行疏浚和一側擴挖的方式。航道岸坡若采用常規的斜坡方式，將占用現有坡頂防洪墻后大量市政用地，退建后的防洪墻緊鄰高層建筑（住宅），對采用樁基的高層建筑安全帶來影響；另外放坡對于擬保留的橋梁橋墩受力產生變化，對橋墩穩定性帶來威脅。綜合分析航道拓寬對現有市政、交通工程影響，確定采用底部陡坡結合防洪墻直立擋土的方式壓縮坡頂退建距離，盡量減小對高層建筑和橋梁的影響。為減小邊坡開挖范圍，盡量遠離現有建筑物及市政設施，并保證航道上口寬度滿足通航要求，航道岸坡布置采用復式斷面，設1.0m 寬平臺，平臺以下為斜坡段，坡比1∶1.5，以上為直立式（掛板）擋土結構，岸坡頂部結合城市景觀布置空箱式防洪墻。

此段航道復雜的地形條件造成了岸高坡陡的岸線布置，整個岸坡高度范圍內均為深厚的淤泥質軟土，很難形成自然邊坡，加上毗鄰的高層建筑和交叉橋梁限制，需要采用人工岸坡解決自身的穩定和鄰近建筑物的安全問題。由于航道岸坡軟淤土層深厚，岸坡高差大，同時已有高層建筑距離過近，具有流塑性的軟土蠕變既會造成航道邊坡和防洪墻穩定破壞，也會影響近處橋墩和高層建筑物地基變形，進而威脅建筑物結構安全。

為解決軟土邊坡自身的穩定，較常采用的工程措施一種是復合地基，一般采用柔性樁置換，以提高軟土的豎向承載力和抗剪強度；另一種是采用抗滑樁布置于岸坡，起到阻止坡面土體滑動的目的。由于采用柔性岸坡，在滿足穩定的前提下，可允許一定的側向變形發生。在岸坡發生變形時，軟土蠕變的連續性，會導致毗鄰岸線的高層建筑和橋梁地基土可能發生超過規范規定的變形值而改變建筑物周圍土體對建筑物的壓力分布，進而對建筑物的穩定和結構強度產生威脅。

3.2 常規工程措施分析

3.2.1 采取水泥攪拌樁處理

城區段航道深達十多米，下臥基巖出露較高，采取普通均勻布置的攪拌樁復合地基雖然可以置換土體強度，但流塑狀淤泥質土仍可通過樁間產生“繞流”效應而產生岸坡變形。根據水泥攪拌樁加固土體理論，水泥摻量及置換率影響到攪拌樁的粘聚力和內摩擦角。僅從抗滑角度考慮，一般均采用梅花形、矩形等均勻性的布置方式。均勻布置方式對垂直承載及抗滑均為合理可行的方案，但從限制變形角度存在以下兩個問題：軟土可繞過樁，從連通的土體間自由形變；總剛度分散，應對變形能力差。

3.2.2 采取灌注樁支護

由于岸坡高度大、常規灌注樁支護樁受力大，樁底入土深度難以滿足“嵌固”要求，且航道臨空，無法形成對撐或土錨，勢必要加大樁徑和入巖深度來滿足，施工難度大、經濟性不好。

3.3 創新加固方式

為解決上述兩種措施的不足，對兩種工程措施進行了優化并加以組合，創新性提出了縱橫向多排攪拌樁連續墻加錨樁結構，即三排支護樁疏密組合結構及水泥土攪拌樁框格圍固結構結合加固方式。首先，為應對淤泥質土在陡坡狀態的“流動性”，設計在坡頂防洪墻地基和岸坡設置縱橫向多排水泥土攪拌樁連續墻圍固，一方面分隔淤泥質軟土限制繞流，另一方面形成骨架集中了樁體剛度應對形變，類似蜂窩原理，內部即便裝水也能做到“滴水不漏”，這些措施可以增強岸坡抗滑性，減小支護樁后土壓力、增加樁前土抗力；其次，支護樁一改常規的間隔單、雙排樁布置，創新性采用前排密布、后排間隔的三排樁分布，以寬代深，縮短了樁的入巖深度，一方面增加了結構剛度，減小樁頂位移，一方面利用前排密樁和攪拌樁克服墻后土壓力和水壓力作用對岸坡穩定的影響。

此航道整治工程采用縱橫向多排攪拌樁連續墻加錨樁結構，即三排支護樁疏密組合結構及水泥土攪拌樁框格圍固結構結合，具體為采用水泥攪拌樁固化邊坡淤泥質土層，水泥攪拌樁全坡面及防洪墻基礎范圍內布設，樁徑0.6m，坡腳設4 排密布形成固腳，坡面及防洪墻底板下框格式布置，間距約3.0～4.0m，樁底進入粉質粘土1.0m，坡腳設4 排連續的攪拌樁固腳；防洪墻下底板設3 排灌注樁，排距4.0m；前排直徑1.2m，樁間距1.49m，后兩排樁直徑1.0mm，間距2.4m。具體結構布置見圖2～3。

圖2 某航道整治工程地基處理斷面圖

圖3 某航道整治工程地基處理平面圖

4 結語

采用縱橫向多排攪拌樁連續墻加錨樁結構，即三排支護樁疏密組合結構及水泥土攪拌樁框格圍固結構結合，解決受限空間防洪墻退建及臨河高層建筑保護技術難題，提高岸坡開挖坡度與整體穩定性，滿足航道斷面要求，并有效控制了淤泥質土岸坡位移及蠕變對岸邊建筑物結構安全影響。利用縱橫向多排連續墻約束其側向變形，有效提高了抗變形與軟土地基強度能力；在連續墻中布入三排支護樁疏密組合結構做為支錨，強化岸坡提高變形能力，彌補受自然條件限制帶來岸坡攪拌樁連續墻等樁體的不足，可使岸坡變形有限控制在合理范圍，滿足邊坡抗滑穩定安全需要，是對深厚軟土地基加固技術進一步的補充。

工程于2013 年9 月28 日開始建設，2018 年7月11 日完工。針對地層上覆軟塑狀淤泥質土，采取縱橫向多排攪拌樁連續墻加錨樁的岸坡變形控制措施，有效解決了河岸整體穩定及臨近建筑物水平及沉降變形控制，減小了建筑物側向荷載影響，降低了淤泥質土蠕變產生的建筑物安全風險。施工一切正常，監測結果未發現較大位移及沉降，經歷2016 年、2020 年大洪水考驗，取得了很好的效果。該技術已在高塘湖泵站工程、五河船閘新建工程、裕溪閘除險加固工程等項目運用，均取得良好的技術效果及經濟效益，是對深厚軟土地基加固技術進一步的補充