▍摘 要
摘要:在明挖法施作水下隧道时，利用双排拉森钢板桩填土围堰与驳岸封闭成环，排水清淤后为隧道主体结构施工创造干作业的空间，是市政公路水下隧道施工时常见的工法。基于此，在青岛少海科创产业园惜苑路片区地下道路工程施工时，针对水下隧道项目中的分期围堰，分析了倒边施工技术的应用，对围堰分期倒边穿湖施工工序、分期施工时围堰的连接形式、临时挡水墙的施工及拆除方法、围堰与驳岸交接处理方式等分期围堰的方案进行了详细论述，总结了该工法的应用结果和前景。
关键词:明挖法;围堰;水下隧道;临时挡水墙;金刚石绳锯;水下切割
▍0 引 言
在水下隧道工程中，常用的施工方法有盾构法、沉井法、矿山法和明挖法，盾构法与沉井法被广泛应用于长距离越江越海的隧道建设中，穿越的水域往往是航道要求较高，地质水文情况复杂水域;矿山法由于其工法特性，更多适用于公路铁路项目中的山岭隧道。
对航道要求较低，又不能断流施工的河流湖泊建设水下隧道时，若采用盾构或沉井法施工，无论是时间还是经济成本都相较过高。因此，在此类水下隧道建设时，明挖法逐渐成为最佳选择，近年来，陆续实施了海口文明东路越江隧道、南昌艾溪湖隧道、无锡太湖隧道、武汉东湖隧道、合肥市天鹅湖隧道等多个明挖法水下隧道。
由此引申出的明挖法围堰倒边施工技术是将隧道下穿水域的部分等分成两期施工，第一期围堰与驳岸封闭成环后，抽水清淤施作第一期围堰内隧道主体结构，而后回填并恢复一期水面，再进行二期围堰施工，施作二期围堰内隧道主体结构，最终贯通并恢复水面。此工法可实现水面交替不断流施工。
▍1 工程概况
1．1项目总体方案
如图1所示，青岛少海科创产业园惜苑路片区地下道路项目位于山东省青岛市胶州市，项目建设内容包括地面道路、地下隧道、景观等工程。工程西起站前大道、东至上合大道，下穿少海湖，地面道路3．39 km，设计速度60 km/h，双向六车道，地下隧道2．9 km。其中，暗埋段2．5 km，水下段(下穿少海湖)长度约473 m。隧道结构形式为双孔矩形箱涵U型槽，全线采用明挖法施工。穿湖段隧道最浅处埋深3．59 m，项目建安费约20亿元。
1．2项目周边及水文情况
少海湖位于胶州新城区东部，大沽河省级生态旅游度假区内。现状场地为滞洪区，主要功能为胶州市城区防洪排涝，以惜苑路跨少海湖桥为界，北侧为北湖，南侧为南湖。本工程地下道路于现状惜苑路跨少海湖桥下游(南侧)穿越，地下道路穿越少海湖管理范围的长度约473 m。
少海湖规划湖底高程－0．8 m，工程处现状湖底高程约－0．33 m～0．99 m，工程处常水位标高为2．0 m，50年一遇洪水位标高为3．5 m;现状工程处两岸湖岸采用干砌石或挡墙护岸，坡比约为1∶3，两岸驳岸顶高程2．5 m，规划防洪标准为100年一遇，防洪水位3．87 m。
▍2 围堰工程总体设计方案
少海湖为胶州市重要的滞洪区，为确保少海湖的行洪能力并征求水利部门同意后，隧道水下段分为两期实施，每一期均应在一个非汛期内(当年度10月初至下一年度5月底，共8个月)施工完成，汛期到来之前必须恢复湖面，不得影响汛期过水断面。因此，围堰工程分东西两期实施，其中西侧一期围堰总长657．9 m，东侧二期围堰总长299．1 m。
如图2所示，围堰采用双排拉森钢板桩土芯围堰，拉森钢板桩规格为400 mm×170 mm×15．5 mm，桩长为12 m，桩间中心间距4．5 m;分仓隔断钢板桩，规格为400 mm×170 mm×15．5 mm，桩长为9 m，如图3所示钢板桩围堰拉杆采用实心钢拉杆φ50 mm，间距为1．2 m，导梁为20b号双拼槽钢。一期围堰范围示意图见图4，二期围堰范围示意图见图5。
考虑少海湖50年一遇洪水位标高为3．5 m，设计高水位标高为2．3 m，平均蓄水位为2．0 m，本项目钢板桩设计标高为3．5 m。同时为增强围堰结构的整体稳定性，在围堰内侧回填土，两排钢板桩之间采用不排水回填，水面以下回填砂性土，水面以上回填黏性土，黏性土标高至3．0 m，回填厚度砂性土为2．9 m，黏性土为0．5 m。在钢板桩迎水面根部设置河底袋装碎石护底，厚度约20 cm～30 cm，宽度为2 m～3 m。围堰设计参数见表1。
▍3 围堰倒边总体施工工序组织
一期围堰及隧道主体施工步序见图6。
步骤一:清除湖西岸现状驳岸挡墙、景观木栈道等，施工一期钢板桩围堰。
步骤二:一期围堰封闭后，抽干围堰内湖水，湖底清淤后整平回填至施工场平标高。
步骤三:施工一期围堰内基坑支护结构，逐层开挖至隧道坑底。
步骤四:施工隧道主体结构，在隧道主体结构东端头预留二期围堰挡水墙，回填一期基坑至规划湖底标高。
步骤五:拆除一期钢板桩围堰，按景观设计要求恢复湖西岸驳岸挡墙、景观木栈道等，恢复湖面。
二期围堰及隧道主体施工步序见图7。
步骤一:清除湖东岸施工范围内驳岸，施工二期钢板桩围堰，并与一期预留挡水墙连接形成封闭防水体系。
步骤二:二期围堰封闭后，抽干围堰内湖水，湖底清淤后整平回填至施工场平标高。
步骤三:施工二期围堰内基坑支护结构，逐层开挖至隧道坑底。
步骤四:施工隧道主体结构，回填二期基坑至规划湖底标高。
步骤五:拆除二期钢板桩围堰，凿除临时挡水墙，按景观设计恢复湖东岸驳岸挡墙，恢复湖面。
▍4 关键节点施工技术
4．1钢板桩围堰施工技术
4．1．1围堰总体施工流程
围堰施工总体方向由岸侧向水域侧逐步推进，每32 m进行一次横向封闭，横向封闭钢板桩长度为9m。
步骤一:临时码头施工完成，航道清淤。总体施工顺序为，从湖边向湖内进行分仓施工，每仓32 m。先从第一仓开始进行施工。
步骤二:运输船配合打桩船进行第1仓围堰施工，完成后仓内进行砂性土回填至拉杆处并进行拉杆施工及钢板桩外侧抛石等工序施工。第1仓纵向延长打设10 m作为第2仓顺接段。
步骤三:运输船配合打桩船进行第2仓围堰施工，完成后仓内进行砂性土回填等工序施工。第2仓纵向延长打设10 m作为第3仓顺接段。当第2仓完成砂性土回填后可开打1号与2号仓的一次横向围堰，同时1号仓回填黏性土至拉杆处并进行拉杆施工。
步骤四:重复步骤3，完成第3仓围堰施工，完成后仓内进行砂性土回填等工序施工。第3仓纵向延长打设10 m作为第4仓顺接段。当第3仓完成砂性土回填后可开打2号与3号仓的一次横向围堰，同时2号仓回填黏性土至设计标高，在2号仓回填前，拔除1号仓与2号仓的分割钢板桩。
步骤五:重复上述步骤直至整个围堰全部完成。
4．1．2功能桩打设
本工程围堰工程桩分为定位桩与分界桩两类。
1)定位桩:定位桩起到控制围堰整体线型并作为施工围檩的支撑作用。利用GPS配合打桩船打设定位桩，定位桩按10 m间距，采用与围堰相同的钢板桩进行打设，打设完成后顶面控制在3．5 m，以便于后续托架及围堰的施工。
2)分界桩:受地质影响，本工程围堰断面结构形式多，交接点也多，造成现场围堰打设时材料安排组织及质量控制难度大，故在每处围堰类型分界点打设分界桩。给每个分界桩做好编号，并明显标识出分界点两端围堰界面形式。根据现场实际情况，定位桩和分界桩可为同一桩。
4．1．3围堰施工
1)围堰钢板桩打设工序:测量定位(定位柱)→安装定位导向架→钢板桩进场查验→钢板桩打设→围檩及拉杆施工→土工布摊铺→转角处施工。
2)施工准备:钢板桩进场施工前，先在湖东西两侧位置各设置1个临时码头用于钢板桩驳运。钢板桩采用汽运至施工现场临时吊运码头并完成进场验收后，采用3 m×3．2 m×1．5 m浮箱搭设16 m×15 m平台2个，作为打拔机施工平台。采用3 m×3．2 m×1．5 m浮板搭设12 m×12．8 m平台2个，用于钢板桩运输，钢板桩采用挖机机械臂配合震动打桩机打设。
3)钢板桩打设:本工程钢板桩围堰均为双排拉森钢板桩，排间距4．5 m，为顺利完成钢板桩施工，先打设钢板桩靠基坑内的一排，施工一段后再打设外排。钢板桩由浮板+挖机机械臂震动打桩施工，船舶距导向架保持1 m～2 m距离，打桩作业时，浮板前后各抛掷一个船锚，对浮板进行固定，尽量减少打桩时浮板晃动，影响打桩质量，船锚垂直于浮板，固定于远离钢板桩的一侧。机械手抓取钢板桩桩头，逐渐提升，同时使桩体入水，可以减少桩体提升时产生的弯矩，避免变形，桩体垂直后，再提至安装位置，进行安装。动力浮箱如图8所示，浮箱配合打桩机示意图见图9。
4)钢板桩围檩及拉杆施工:钢围檩采用20b号双拼槽钢，钢板桩顶以下1．0 m设置1道钢拉杆，采用GLG345－50 mm圆钢拉杆，15 m钢板桩采用φ50 mm实心钢拉杆，围檩安装使用运输船采用人工施工。先安装围檩托架，围檩集中加工，测量定位安装到位置后，现场焊接固定。安装钢围檩，两侧对准拉杆孔，穿钢拉杆、垫板，拧紧螺帽。
5)土工布安装:采购无纺土工布时，应按临时围堰长度及底部铺设长度、底部预留搭接长度计算每一卷无纺土工布的长度，按接缝最少确定幅宽。钢板桩内侧无纺土工布垂直于围堰中心线方向铺设，只可出现垂直于围堰轴线的横向连接缝，不应出现平行于围堰轴线的纵向连接缝。
6)转角施工:围堰端头转角处和横纵向围堰交接处均采用直角转角，需打设专用的转角钢板桩，采用“L”形钢板桩或直线形钢板桩连接。
7)钢板桩堰芯填土:土方填筑采用进占法从岸侧向水侧推进施工，利用挖掘机往复将土向填筑方向翻运填筑，轻型机械平整碾压，如此往复，填筑工序为卸土、平整、碾压。钢板桩施工完成后，先进行第一层砂性土回填，静置1 d后进行黏性土回填，黏性土回填至拉杆处，进行拉杆施工，最后采用黏性土回填至设计标高处，黏性土回填应进行分层回填，分层厚度不大于
50 cm。回填土紧跟钢板桩推进，共计分二次填筑，第一次为砂性土回填，回填厚度为2．9 m(回填至水面以上50 cm)，直接回填至拉杆位置。随后进行拉杆安装。第二次回填为拉杆以上部分，直接回填至设计标高，回填材料为黏性土，回填厚度为0．5 m，回填后采用小挖机压实。
8)堰脚袋装碎石护底:钢板桩迎水面根部设置河底袋装碎石护底，厚度约20 cm～30 cm，宽度为2 m~3 m，袋装碎石采用标准级配碎石，粒径为10 mm~80 mm，每袋袋装后质量不得小于30 kg～50 kg。施工过程中为避免初期变形过大，钢板桩间的土与外侧袋装碎石、内侧回填整平需同步进行。
9)围堰拆除及土方清理顺序:清理堰脚堆土、围堰内清土→围堰部分拆除、围堰回水→拆除钢围檩和钢拉杆→清除堰芯内土体及剩余二次横向围堰→拔出钢板桩。隧道主体结构施工完成后，破除并清理基坑内的围护结构(至规划湖底标高下0．5 m处)，清除围堰底部袋装碎石，然后挖除围堰内的换填土，恢复湖底，随后进行钢板桩拔除。
10)土方清理:围堰拆除前，将围堰内部的堰脚堆土利用运土车转运至堆土场。利用动力浮船配合长臂挖掘机将围堰坡脚袋装碎石转运至堆土场，随后拆除钢围檩、拉杆，并清理围堰内的回填土，围堰内的回填土采用长臂挖机站在基坑施工区域进行清理，回填土清理到规划湖底标高处。
11)回水:回填土清理完成后，进行围堰内回水，使内外水压平衡，板桩挤压力消失，回水速率不大于0．8 m/d，根据回水面积计算每日回水量，并按抽水措施做好每日回水标高位置，根据回水量和现场实测流速确定开挖缺口的大小。
12)钢围檩及钢拉杆拆除:清除围堰内回填料至2．5 m后，进行钢拉杆及钢导梁的拆除，作业人员在围堰内侧施工作业，利用电气焊将钢拉杆切断，再用吊机将钢拉杆抽出，然后分段拆除围堰内外侧钢导梁。陆上拔桩段，钢拉杆和导梁拆除的速度需结合钢板桩拔除的进度，以保证拔桩机械的安全，还要避免钢板桩长时间悬臂而出现变形。
13)钢板桩拔除:回水完成后，内外水位保持平衡，板桩挤压力消失，开始拆除钢围堰，先拆除槽钢(型钢)围檩与拉杆的拉结点，拔出拉杆，使拉筋脱离围檩，吊起钢围檩，再由小里程向大里程开始逐段拔除钢板桩。西侧一期围堰现场见图10。
4．2钢板桩围堰与驳岸交接处处理方式
4．2．1连接形式
围堰与湖边驳岸处为现状松木桩挡土，围堰施工
时拔除与围堰交界处松木桩。如图11所示，围堰与现状堤岸衔接处采用压密注浆封闭，在袋装土回填完成后进行，注浆1排，间距0．5 m，深度为现状地坪项下3 m。袋装土袋自围堰封闭处开始按3．5 m标高向岸侧堆叠，堆叠顶面宽度同围堰宽度一致，两侧按1∶1．5坡率放坡至现状地坪。
4．2．2压密注浆技术要求
1)水泥:42．5号普通硅酸盐水泥，配合比:水灰质量比0．45～0．60，掺2%～5%的水玻璃或氯化钙。
2)注浆压力:0．2 MPa～0．3 MPa;注浆终止压力0．5 MPa。3)注浆方法:采用自下而上分段注浆法，注浆段为1．0 m，当进浆量接近0时，拔管至上一个分段继续注浆。4)注浆质量检验:注浆结束一周后，桩间缝隙不冒浆。
4．3一期围堰与二期围堰交接处(临时挡水墙)做法
4．3．1临时挡水墙设计方案
临时挡水墙设置于西侧一期隧道端头顶板之上，现浇C45混凝土，钢筋保护层厚度为30 mm;总高度8．635 m，总长度32．3 m，顶标高3．5 m(与二期围堰顶标高齐平)，在顶标高下2．3 m处设置600 mm×600 mm钢筋混凝土腰梁，横向每3 m设置1道400 mm×400 mm系梁，背水侧墙角设置500 mm×500 mm混凝土限位挡块，挡块钢筋锚入隧道主体结构顶板。挡水墙内采用黏性土回填。隧道顶板上方浇筑300 mm厚混凝土保护层，凿毛后与挡水墙底板连接，围护桩凿毛后植筋并与挡水墙连接(见图12，图13)。
4．3．2临时挡水墙施工步序
1)一期隧道顶板及防水层施工完成并达到养护强度后，铺设300厚C30混凝土保护层。混凝土保护层与围护桩连接处，凿除桩表面混凝土，混凝土保护层钢筋与围护桩钢筋焊接。
2)混凝土保护层上表面凿毛并冲洗干净，施工挡水墙结构。挡水墙底板与混凝土保护层浇筑密实。
3)挡水墙内部回填至标高1．5 m，随后挡水墙两侧同步均匀对称回填至湖底标高。
4)汛期前拆除一期钢板桩围堰。汛期后施工二期钢板桩围堰并与挡水墙连接封闭。
5)挡水墙和钢板桩围堰内部回填至标高3．0 m，二期围堰内部抽水、清淤、整平。
6)开挖二期隧道基坑，回筑二期隧道结构。挡水墙内侧全部临空，外侧为一期已恢复湖面。
7)全部施工完成后，挡水墙及下方围护桩凿除至规划湖底标高以下0．5 m。临时挡水墙结构见图14。
4．4临时挡水墙拆除
4．4．1总体拆除方案
挡水墙拆除采用液压金刚石绳锯拆除法，水中浮箱作为机具操作平台，挡水墙总高度约8．6 m，顶标高3．5 m，常水位标高2．0 m，根据设计要求，需拆除至湖底标高以下0．5 m，即标高－1．3 m处，故总拆除高度为3．5 m+1．3 m=4．8 m(其中水上1．5 m，水下3．3 m)。
如图15所示，拆除采用横向切片，竖向切块的分割方式，水平逐层分解拆除，切割时剩余的围护桩和冠梁一同拆除，水下部分由潜水员下水辅助完成穿线等工作，最终将挡水墙切割分解成小块后利用浮箱配合长臂挖掘机装运至动力浮箱后清运离场。切割分解方案:水平分层一共分为5层，第1层水平切割线位于标高2．5 m处，第2层水平切割线位于标高1．5 m处，第3层水平切割线位于标高0．5 m处，第4层水平切割线位于标高－0．5 m处，第5层水平切割线位于标高-1．3 m处(设计标高)。在完成每1层水平切割后，即开始竖向切块分解，竖向切块按每延米切割1次进行，最终逐层将挡水墙混凝土结构切割成1．0 m×1．0 m×0．5 m的混凝土块，每块质量为1．2 t～1．3 t不等。
4．4．2金刚石绳锯切割介绍
金刚石绳锯按驱动方式分类，主要有电动驱动和液压驱动两种，如图16所示液压式金刚石绳锯机主要由绳锯主机、液压动力站、万向轮、金刚石绳索等构配件组成，其切割原理是利用液压马达驱动金刚石绳索在切割物体表面高速运动研磨，完成切割工作。其特点是速度快、效率高、切割方向灵活、切割体积大、无明显噪声，通过液压控制台实现远程操作，可实现水下甚至危险区域的切割工作。水下切割作业见图17。
4．4．3施工步骤及要点
施工准备(工料机)→潜水员下水→潜水员使用水下钻孔机钻透切割孔→潜水员安装导向轮→潜水员穿引链锯绳→潜水员上岸→链锯切割施工→将切割出的混凝土块体吊运装船→移动施工平台及导向轮至合适位置→重复进行墙体水下部分剩余块体切割。
▍5 结 语
常规的水中围堰截流施工时，水面断流，航道中断，无法适用于有通航需求和汛期行洪需求的水域施工。此时，围堰倒边施工法则能解决这一问题，此工法的核心是利用预埋了钢板桩的临时挡水墙，为二次围堰封闭时提供预留连接条件，巧妙利用了拉森钢板桩止水性能好、易连接拓展的特点，为水下结构施作提供作业条件，此工法技术难度小、易于实操，是同类项目可借鉴的工法。
内容资料来源：《山西建筑》
作者：汤云龙
编辑：项敏
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