湖底隧道组合式生态围堰施工技术

胡先宽

(安徽省交通建设股份有限责任公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

水乃生命之源，城市傍水而建。湖泊湿地是城市主要景观带，周边是城市核心区。为提高湖边的整体开发，主要交通干道须穿过湖泊。穿湖隧道的施工有明挖和暗挖两种施工方法，在明挖施工时，必然会涉及围堰工程，围堰的主要功能是挡水并为基坑开挖提供支护。随着时代的发展，全民生活水平的不断提高，国家、居民对建设工程的绿色、环保、品质要求越来越高。传统的围堰施工造价高，且土石围堰对河床挤压大，对生态影响大；混凝土围堰对湖底基础处理要求高，不易施工，且不环保。在临时围堰施工时，在满足功能的同时如何能最大限度减少对湖面的占压和水质的扰动，并且在施工过程中防止对水面的污染，打造环保生态的效果。

1 工程概况

怀宁路是合肥南北方向的一条城市主干道，但由于天鹅湖的阻隔形成断头路，严重影响了政务区的交通通畅，下穿天鹅湖隧道工程自怀宁路与桐文路交口降坡，下穿天鹅湖路，然后下穿天鹅湖后起坡与祁门路平交(图1)。线路全长约1 km，其中暗埋段长447 m，U 槽段长258 m，按双向六车道设置。隧道限界净宽：2×单孔13.25 m，净空限界高度采用4.5 m。土(岩)层自上而下分为：第①层为填土约4 m厚;第②～③层为第四系全新统冲积层，主要为粉质黏土约21.3 m厚，下部为第④层风化泥质砂岩。综合考虑隧道的埋深和地质情况，设计采用明开挖施工方案。

图1 怀宁路下穿天鹅湖隧道工程平面图

天鹅湖是政务区的中心，环湖景观带与周边建筑相互呼应，是合肥的靓丽名片。天鹅湖的水质清澈，达到地表水三类标准。怀宁路下穿隧道位于天鹅湖的西侧，同时西侧为进水侧。施工围堰同时必须考虑防汛、阻水为隧道施工提供作业平台，同时还应保证围堰施工和隧道施工过程避免或减少对天鹅湖水质的扰动和污染。采用传统的土石围堰占压湖面较宽，且很难避免土石施工时对湖水的扰动和污染。传统的钢质围堰对占用湖面面积小，防汛、阻水功能强大，但施工时还是难免对水体的扰动和污染。为此我们设计了一套三层隔水的组合式生态围堰，实现了防汛、阻水、水质保护等功效，实现了绿色施工。

组合式生态围堰的基本原理是钢板桩施工前，先在施工区域外2～5 m由漂浮球和绳索形成的阻隔带，隔离施工过程的漂浮物和油渍；再施工一道钢板桩隔墙，将施工区域封闭，形成相对封闭的施工区域；然后施工双层钢板桩主围堰，内部填土保证围堰的隔水阻水功能，在主围堰的顶部利用植物纤维毯覆盖绿化，避免初期水土流失对湖水的污染，后期绿化临时复绿形成临时绿色屏障，形成生态围堰。

生态组合式钢围堰共3道(图2)。第一道为阻隔带，隔离施工过程的漂浮物和油渍。第二道隔水围堰，起到隔离施工区域水体与湖中水体的作用。第三道为双层钢板桩主围堰，双侧均采用拉森Ⅳ型钢板桩扣打，顶部设双拼槽32a钢围檩并用Φ28钢筋拉结形成整体。底部范围内清淤后分层夯填黏土。堰心采用黏土回填，围堰宽度6.0 m，考虑环保和文明施工要求，在堰顶设置生态覆盖。迎水面钢板桩背面设置复合土工膜，铺设时在钢拉杆下留有25 cm以备沉降时不被拉断。土工膜搭接500 mm，接头采用焊接。

2 堰体填筑与防污防渗施工技术

2.1 阻隔带布设

施工前根据施工范围，在外围设置一道钢板桩截污带(图3)，采用拦污绳拦截施工时油污及水面漂浮物(图4)，保证了施工时可能产生的油渍、漂浮物等不对湖体水质产生污染。

图3 钢板桩施工图

图4 阻隔带施工图

2.2 钢板桩施打

2.2.1 辅助平台施工

水中施工使用钢浮箱作为工作平台。钢浮箱是特制的长方形钢箱，采用平板汽车运输至现场拼装。底部周边有圆角，顶面四周焊有L150×150×6的角钢，在拐角处焊有三角形钢板，长边间隔2 m焊有T形钢板，角钢和钢板上均有螺栓眼和卡销眼，每个浮箱的螺栓眼和卡销眼都是对称的，通过螺栓与卡销互相连接。浮箱逐个吊下水，拼装完一个吊一个，均按浮箱设计图纸进行销式拼装，再进行局部的焊接，焊接2个宽70 cm的行走跑道，长为12 m，机械上船的一端长出船体，上船时作用于上船平台。钢浮箱应有足够的承重能力，打桩机自重58t，施工重量考虑80 t，12 m拉森钢板桩单重约0.913 t。

2.2.2 导架的安装

在钢板桩施工中采用双线定位+导向架的方式。为保证沉桩的竖直度和轴线位置的准确性，控制桩的打入精度，防止板桩的屈曲变形和提高桩的贯入能力，一般都需要设置一定刚度的、坚固的导架。导架采用单层双面形式，通常由导梁和围檩桩等组成。围檩桩的间距设置为2.5～3.5 m，双面围檩之间的间距不宜过大，一般略比钢板桩厚度大20～25 mm。

2.2.3 插打钢板桩

为了确保插打位置准确，第一片钢板桩是插打的关键。插打在导向架上设置一个限位框架，大小比钢板桩每边放大1 cm，插打时钢板桩背紧靠导向架，边插打边将履带吊钩缓慢下放。这时在互相垂直的两个方向用经纬仪观测，以确保钢板桩插正、插直，然后以第一根钢板桩为基准，再向两边对称插打钢板桩。在整个钢板桩围堰施打过程中，开始时插一根打一根，即将每一片钢板桩打到设计位置，到剩下最后5片时，要先插后打，若合拢有误，用倒链或滑车组对拉使之合拢，合拢后，再逐根打到设计深度。

2.2.4 合拢

(1) 合拢前的准备。在即将合拢时，开始测量并计算出钢板桩底部的直线距离，再根据钢板桩的宽度，计算出所需钢板桩的片数，按此确定下一步钢板材如何插打(是增加钢板桩，还是钢板桩插打时向外绕圆弧)。

(2) 合拢时桩的调整处理。为了便于合拢，合拢处的两片桩应一高一低。U形钢围堰有4个面，打完的每一片钢板桩，都要沿导向架的法线和切线方向垂直，合拢应选择在角桩附近(一般离角桩4～5片)，如果距离有偏差，可调整合拢边相邻一边离导向架的距离。为了防止合拢处两片桩不在一个平面内，一定要调整好角桩方向，让其一面锁口与对面的钢板桩锁口尽量保持平行。

2.3 腰梁及拉杆施工

钢管桩插打完毕，底部范围内清淤后分层夯填黏土。堰心采用黏土回填，在标高30.85 m处安装双拼槽32a钢围檩并用φ28钢筋拉结形成整体。采用φ25的钢筋托架直接焊接在钢板桩上，呈三角形牛腿状，每隔1.2 m布设一道，焊接过程中须保证托架顶面在同一水平面。托架安装后直接将围檩放置于托架上 ，围檩应保证与钢板桩接触密实，如因钢板桩插打过程中未在同一平面，需加塞钢板以保证钢板桩直接作用与围檩上。采用φ28钢筋对两侧钢板桩进行对拉，对拉水平间距为1.2 m。

2.4 防渗复合土工膜施工

腰梁及拉杆施工完成后，开始施工防渗复合土工膜。防渗土工膜施工顺序应由湖岸向湖中心施工，土工膜的连接采用搭接法。

防渗土工膜施工程序：钢板桩验收合格→土工膜铺设→剪裁→对正、搭齐→搭接施工→检测→修补→复检→验收。

复合防渗土工膜铺设要求:①检查并确认钢板桩围护结构具备铺设条件；②做下料分析，画出土工膜铺设顺序和裁剪图；③检查土工膜的外观质量，记录并修补已发现的机械损伤和孔洞、折损等缺陷；④进行现场铺设实验，确定焊接温度、速度等施工工艺参数。

2.5 围堰填土

双排钢管桩之间填土应选择黏性土，不透水。本项目基坑挖土方为粉质黏土，其隔水性能较好，适合用于围堰填土。用挖掘机挖泥，渣土车运输至现场，挖掘机卸料至围堰内。当土方回填出水面时，暂停填土，进行对拉钢筋施工。待土稍加沉降后，才可继续回填，直至形成设计的围堰断面。

填土前在围堰上布设监测点，整个填土过程中，时刻观测钢板桩监测点情况，保证其垂直度，防止一次填土过高，钢板桩外倾。

填土达到设计标高后，对围堰内填土进行整平，再进行围堰内抽水。根据要求，抽水时应密切注意围堰的变形情况，每抽降1 m水位进行一次观测，直至围堰内水抽干。

2.6 围堰顶的生态绿化

为了防止围堰顶的裸土的扬尘，如果用绿网进行覆盖能够达到效果，但会带来二次污染。为此我们引进新型材料：植物纤维毯进行绿化处理，植物纤维毯是将草种由上下2层固定网夹持植物纤维层，或由固定网从上至下依次夹持植物纤维层、种子承载层(或基质层)、衬托层并缝合形成的毯状物(图5)。植物纤维毯在覆盖初期能有效防止围堰顶土方受雨水冲刷，在洒水养护草能够自动成坪，对围堰顶起到绿化的景观效果(图6)。

图5 植物纤维毯结构

图6 绿化的效果

2.7 围堰拆除

隧道主体施工完成后进行围堰拆除，围堰拆除分6步进行：

第一步：隧道结构顶板覆土回填，渣土外运，围堰内垃圾清理；

第二步：堰内便道破除，预挖沟槽，为围堰土填埋和置换留出空间；

第三步：往围堰内放水，保持内外水位平衡；

第四步：拔除内侧钢板桩，将围堰土填筑至事先挖好的沟槽内；

第五步：水下雷达对湖底标高进行复测，组织联合验收；

第六步：围堰内水质净化、检测，拆除外侧钢板桩，恢复湖面。

3 围堰监测和水质监控

在施工过程中专门成立一个监测小组，对围堰坝体、水位、水质进行监测。主围堰坝体监测的重点在围堰的位移及沉降、渗漏水。具体的做法是，坝体上每隔15 m在打入的在钢板桩上设置1个监测点。通过观测监测点相对于控制点的变化，来判断围堰的位移与沉降。在水位变化和汛期加大监测频率。根据监控结果坝体在施工全过程稳定、密实。水质监测分为三部分：隔离墙以外湖面、隔离墙与坝体之间水域、主围堰内水域。主围堰内水域主要在抽排前监控水质的各项指标达到排放要求时才开始抽排，抽排先在隔离墙与坝体之间沉淀净化再溢出隔离墙进入主湖面。通过监控施工期间隔离墙以外湖面、隔离墙与坝体之间水域水质一直保持很好。

4 结束语

生态围堰体系采用双排钢板桩围堰主坝体保证了围堰的稳定，减小了对湖面的占压，增设阻隔带、隔离墙将施工区域和湖面有效阻隔，保护了湖水的水质，创新引用植物纤维毯覆盖主围堰坝体，起到控制水土流失并形成临时绿化的功效。通过围堰的创新设计和施工过程控制实现了防汛、阻水、水质保护、绿化等功效，实现了绿色施工，取得了显著的经济、社会和环保效益。在水质保护要求高的水体中，围堰施工做了积极的探索和研究，具有较好的推广和应用前景。