石井河截污渠箱工程結構設計關鍵技術

陳位洪

（廣東省建筑設計研究院，廣東 廣州510010）

1 工程概述

石井河位于廣州市白云區范圍內，河涌為南北走向，北端起源于白海面涌，由上游均禾涌段、中游石井河段及下游的增埗河段組成，全長約19.44 km，最終在增埗河口處接入珠江西航道，河涌現狀寬度8～30 m 之間，水深0.5～3.8 m。為了整治廣州、佛山跨界河流污染，提高石井河區域的污水和初雨收集率，改善石井河水環境質量和居民人居環境質量，廣州市政府在石井河內修建石井河渠箱工程。

渠箱的截面為（6～8）m×3 m, 截污渠箱頂高程均在河床底部0.5 m 以下, 基坑開挖深度在4.4～13.52 m,采用基坑支護開挖現澆方式施工[1-5]。

渠箱與石井河的典型剖面如圖1 所示。

圖1 渠箱與石井河的典型剖面圖

2 地質和水文情況描述

2.1 地層巖土特性

石井河渠箱場地自上而下分別主要為第四系沖積層、殘積層。從上到下，各巖土層主要有：人工填土層、淤泥、粉質粘土（軟塑、可塑、硬塑）、粉砂、中砂、粗砂、礫砂、全風化泥質粉砂巖、強風化泥巖、中（微）風化泥巖，局部溶洞發育。各土（巖）層巖土設計參數如表1 所列。

2.2 水文氣象

石井河是珠江的支流，上游來水量豐富，洪水期長，且受臺風影響，因此潮汐年內變化比較復雜。每年的1～3 月份平均潮位較低，從5 月份開始明顯提高，到6～9 月份較高，從10 月份開始又逐漸下降，到12 月份又降到較低值，逐月多年平均的最大值與最小值之差可達2 m 以上。日平均潮差一般為1.5 m 左右，往復流十分明顯。枯水期水位水深約為0.5～1 m，正常水位水深約為1.3 m。考慮（P=5%）洪水位水深約3.8 m。

3 石井河渠箱設計的難點

石井河寬度窄，擔負著排洪功能，兩岸沿線有很多民居和新開發的小區，河水受潮汐的影響，水位變化大，河底巖層淺，局部溶洞發育。石井河從北至南貫通整個廣州，沿線與多條橋梁和重要的引水管、光纜交叉。采用基坑支護方式開挖現澆，支護樁和基礎樁的打設、基坑支護對兩岸的影響、圍堰、施工導流、穿越橋梁、溶洞處理是渠箱設計的難點。

表1 各土（巖）層巖土設計參數建議值一覽表

4 基坑支護類型的選擇

根據現場地質情況及渠箱設計高程等，該工程渠箱基坑支護形式主要可歸類分為以下幾種形式。

4.1 雙排鋼板樁+鋼管內支撐（鋼板樁兼做止水帷幕）

當鋼板樁下部穿透的地層為粉質粘土等不透水地層時，且水位較深時，鋼板樁自身可兼做支護結構及止水結構。這時基坑采用鋼板樁加鋼管內支撐的形式支護。

4.2 沖孔樁+ 鋼管內支撐（沖孔樁之間打設旋噴樁形成止水帷幕）

在巖層埋藏較淺的地段，鋼板樁難以打入，基坑支護采用沖孔樁+鋼管內支撐的方式；同時，由于砂層較厚，可在沖孔樁之間打設高壓旋噴樁形成止水帷幕。由于渠箱位于河涌中間位置，在施工沖孔樁之前應先堆填粘土袋進行圍堰。此種基坑支護方式在均禾涌下游E 段應用較多。

4.3 單排鋼板樁+ 鋼管內支撐支護（鋼板樁兼做止水帷幕）

在上游河涌斷面較窄且巖層埋藏較深、水位淺的地段，為保證過水面積，采用打設單排鋼板樁+鋼管內支撐的支護方式，鋼板樁兼做支護結構及止水結構。

4.4 沖孔樁+ 鋼管內支撐（沖孔樁之外打設鋼板樁形成止水帷幕）

當砂層不怎么深厚，巖層淺時，在沖孔樁后面打設一排鋼板樁進行止水。

5 結構設計關鍵技術措施

5.1 施工鋼便橋

利用堤岸斜坡段打設施工鋼便橋，作為施工過程的施工通道，以及施打沖孔樁、鋼板樁的施工平臺，同時解決施工導流、排洪問題。鋼平臺采用直徑630 mm 的鋼管樁，長度12 m，間距4.8 m。鋼平臺可以重復利用。

5.2 限高橋底基坑設計

圖2 為限高橋底基坑剖面圖。

渠箱正上方通過的為現有橋梁，凈空僅3.0 m，施工空間狹窄，范圍短，因此作為特殊工點來處理，均安排在枯水期施工。

（1）支護樁采用雙排微型鋼管樁，鋼管直徑0.3 m，壁厚10 mm，間距0.5 m，排距1.3 m 有效樁長約15 m，要求樁端入微風化巖≥0.5 m。

（2）雙排微型鋼管樁間設置雙排高壓旋噴樁，其中心距0.4 m，有效樁長約13.5 m，要求樁端至微風化巖面，且每條旋噴樁初凝前插入50×4 鋼管。

（3）除支護樁內的鋼管采用Q345-B 級鋼，焊條采用E50 焊條之外，其余鋼管、型鋼及鋼板均采用Q235-B 級鋼，焊條采用E43 焊條; 高壓旋噴樁采用二重管法，直徑600 mm，漿液材料為42.5 普通硅酸鹽水泥，不摻外加劑，水灰比為1.0～1.2，水泥摻量25%～40%，每延米水泥用量要求不小于200 kg/m，噴漿壓力要求大于25 MPa，流量大于30 L/min，提升速度為10 cm/min。成樁后要求旋噴樁的28 d 無側限抗壓強度不小于2 MPa。

（4）渠箱基坑施工時，應派專人在橋兩端設通行桿，對橋面進行限重，即汽-20 以上的車輛每次只允許一輛通行，不能同時通行2 輛以上汽-20的車輛。基坑周邊及橋梁上應布置位移、沉降、測斜、水位等監測點進行監測。

沉降觀測結果：施工期間橋面最大沉降1 cm。由于該橋是簡支橋梁，小的沉降不影響其安全性。

5.3 溶洞、土洞的處理

由于巖溶發育具有嚴重的不均勻性，巖溶穩定性的影響因素很多，現行的勘察手段一般難以查明巖溶特征。為此，對巖溶土洞、溶洞的工程處理上存在較大的不確定性，設計、施工風險不可避免。

溶、土洞處理原則：

（1）全線劃分高低風險區，分區域處理；重點處理高風險區渠箱底板下10 m 和渠箱兩側各5 m范圍內溶洞及巖土交界面層；低風險區僅對渠箱兩側各5 m 范圍發現的土洞充填處理。

（2）對需要處理的溶、土洞，采取填充、壓密的方法處理，根據填充狀態采取不同的處理工藝，如填充處理、巖面注漿等工藝。

充填處理：主要是根據洞的大小及充填情況采取先充填砂夾石，再靜壓灌漿或直接靜壓灌漿。根據以往在防治巖溶地面塌陷的實踐，充填注漿乃是有效的措施。采用密布的壓漿孔可以揭露土洞，消除隱患；壓漿可以充填洞穴，防止土洞坍塌；漿液擴散滲透，可消除或擊破相鄰土洞使之坍塌隨即處理。

巖面注漿：是采用袖閥管在巖土界面上進行注漿加固，其目的主要是壓漿封堵基巖和土層的界面，壓漿管只在界面附近開孔，用較高的壓力將界面上的溶槽、溶溝、破碎帶、構造帶、節理，裂隙，全部用漿液固結，將界面周邊的溶洞、土洞填滿，將溶液和界面連通的通路(洞口)封住，甚至固結，從而阻止已有溶洞、土洞的發生發展，阻止或延緩新土洞的形成。

圖3 為溶洞處理平面示意圖。

圖2 限高橋底基坑剖面圖

圖3 溶洞處理平面示意圖

注漿處理按以下參數執行：

（1）單液注漿：采用純水泥漿進行注漿，水泥漿水灰比為1∶1，采用采用42.5（R）普通硅酸鹽水泥。

（2）雙液注漿：水泥漿與水玻璃體積比為1∶1；雙液漿中的水泥漿水灰比為1∶1，采用42.5（R）普通硅酸鹽水泥，水玻璃的模數為2.4～3.3。

5.4 溶洞處渠箱的施工

渠箱底處于溶洞處的施工措施如下：施工鋼便橋，第一階段，在渠箱左側打設6 m 鋼板樁圍堰并抽干圍堰內積水，基坑內滿鋪35 cm6%水泥石屑面層，處理600@400 范圍內的溶洞后沖孔施工并打入鋼板樁，基坑內滿鋪35 cm 6%水泥石屑面層，空樁內插入50 注漿管壓1∶1 水泥，拔除第一階段圍堰鋼板樁；第二階段，在渠箱右側打設6 m鋼板樁圍堰并抽干圍堰內積水，基坑內滿鋪35 cm 6%水泥石屑面層，處理600@400 范圍內的溶洞后沖孔施工并打入鋼板樁，空樁內插入50 注漿管壓1∶1 水泥漿，拔除第二階段圍堰鋼板樁。施工端頭支護圍堰，將坑內水位降至坑底下0.5 m，安裝第一道鋼管支撐，土方分層開挖至第二道鋼支撐下0.5 m 安裝第二道支撐，土方分層開挖至第三道鋼支撐下0.5 m 安裝第三道支撐，土方分層開挖至坑底，取C20 片石混凝土（片石體積占50%）換填溶洞內充填物，施作C20 素混凝土墊層，施工渠箱底板及二次澆搗C30 混凝土支承層，待渠箱底板混凝土達到設計強度后拆除第三道鋼支撐，渠箱施工至頂板，待渠箱結構混凝土達到設計強度后覆土回填并拆除第一、二道支撐，拔除鋼板樁。

圖4 為溶洞處渠箱施工剖面圖。

圖4 溶洞處渠箱的施工剖面圖

5.5 施工導流

該工程選擇在枯水期和正常水位期施工，石井河上游主涌河面寬度約為8～30 m，沿途接收的污水量較大，上游來水量不大，豐水期水位和枯水期水位相差大，但受下游珠江的潮汐影響較小，枯水期水位約為0.5～1 m，正常水位約為1.3 m。考慮（P=20%）洪水位約2.5 m。正常水位較低，在正常水位下，進行施工導流（束窄河道）對行洪的影響不大。而在遇到超5 a 一遇洪水時，考慮基坑淹沒，極端情況也可以考慮通過渠箱泄洪或強排。

在施工前，渠箱上游起點處采用橡膠壩圍堰，圍堰的頂標高按照該處5 a 一遇洪水位的標準，考慮0.3 m 的超高來確定，以隔絕渠箱與上游來水的水力聯系，以水泵強排的方式排至臨近的白海面涌，以保證施工條件。

截污渠箱主要安排在枯水期進行施工。在施工期間，按照約500 m 的長度將整個均禾涌截污渠箱工程劃分成若干個施工段。每一個均禾涌渠箱施工段兩側均采用鋼板樁圍堰，每一施工段渠箱基坑兩端采用袋裝粘土圍堰，從而保證上游的來水從渠箱施工段的兩側的鋼板樁圍堰外側通過。總的來說，渠箱的施工導流采用圍堰先后分段圍護部分河床，河水通過被束窄的另一部分河床導走，即采用分段分期的導流施工方式。

在遇到超過5 a 一遇洪水時，首先需要將渠箱起點處的橡膠壩放氣，以保證上游來水可由石井河排走；并及時將渠箱圍堰施工段兩端的袋裝粘土圍堰拆除，或者推倒至基坑內，以順暢排洪。

5.6 其他關鍵技術

（1）在巖層淺處采用引孔后回調砂、打入鋼板樁，再注漿的方法施打鋼板樁。

（2）利用鋼板樁，將其作為支護樁和圍堰擋水構件之用。

（3）使用錨桿解決岸側和河側鋼板樁的受力不平衡問題。由于岸側的邊坡開挖高度大，導致基坑的兩側受力不平衡，因此在岸側基坑采用錨桿放坡開挖加鋼板樁或沖孔樁，河側采用鋼板樁或沖孔樁。

6 結 語

石井河渠箱已經順利建成投產。本文闡述了在狹窄的、兩岸建筑物密布的河道里修建渠箱的難點解決方法。從實際使用的狀況來看，設計方法是可行的。