某大型湖底明挖隧道鋼圍堰設計要點

宋 尚

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

湖底隧道作為一種重要的市政構筑物，隨著城市經濟的飛速發展，近年愈發受到城市開發管理人員的認可。其施工方式主要有明挖和盾構兩種。在明挖湖底隧道施工時，通常需要施作圍堰，為隧道的后續施工提供空間。鋼圍堰具有施工效率高、環境影響小、可重復利用、安全性高等一系列優點[1-3]。基于隧道狹長型的特點，湖底明挖隧道圍堰一般很難形成內支撐結構，使其形成明顯不同于橋梁常規鋼圍堰的結構形式。

目前對此種形式的圍堰尚未形成成熟的計算和設計方法，本文希望通過討論某湖底大型明挖隧道的鋼圍堰設計，提出湖底明挖隧道鋼圍堰設計的相關要點，為后續類似項目提供可借鑒的經驗。

1 工程概況

本湖底隧道工程項目位于江蘇省蘇州市，總長3.93 km，隧道主線總長度2.6 km，其中湖中段長度約1.6 km。隧道采用圍堰明挖工法，分兩期施作。一期圍堰總長度2 311 m，其中北側、南側縱向圍堰長度分別為1 160 m 和898 m，橫向圍堰長253 m。二期圍堰總長度2 029 m，其中利用一期圍堰長度267 m，東端頭隧道上方橫向圍堰長度為253 m，北側、南側縱向圍堰長度分別為795 m 和714 m。

根據湖底水下地形圖，湖底標高主要為3 個區段：湖西段（K0+460～K0+960）約500 m 范圍湖底現狀標高約-0.700～-1.500 m（平均約-1.1 m）；湖中段（K0+960～K1+900）約940 m 范圍湖底現狀標高約-5.0～-6.1m；湖東段（K1+900～K2+040）約140 m 范圍湖底現狀標高約-1.5 m。湖底除表層約1 m 厚的淤泥質素填土外，其余均為土質較好的黏土和粉質黏土層，但④-1a、④-2 層土中粉砂、粉土較豐富，為承壓水層。

2 鋼圍堰設計

考慮本工程為重點工程且施工期圍堰易受船行、風浪影響等，根據《水利水電工程施工組織設計規范》，確定本工程圍堰建筑物級別為4 級，取20 a 一遇的防洪水位標準，相應設計水位為2.184 m，安全超高為0.50 m。圍堰頂高程=設計水位+ 設計波高+設計風壅增水高度+安全超高，故設計圍堰頂高程取3.574 m。

2.1 湖西段圍堰設計

湖底現狀標高約-0.700～-1.500 m（平均約-1.1 m），采用雙排鋼板樁，鋼板樁樁長12 m，堰體寬度6 m，堰頂高程不小于3.574，在樁頂下1.0 m 設一道對拉桿，對拉桿通過［28a 雙拼槽鋼將前后排鋼板樁拉結成整體。在圍堰迎水側設袋裝土護底防沖刷，頂寬3.0 m，高1.5 m，邊坡坡比為1∶5。圍堰基坑內側設填土護道，頂寬3.0 m，高1.5 m，坡比1∶2.0，如圖1 所示。

圖1 湖西段圍堰橫斷面圖

2.2 湖中段及湖東段圍堰設計

湖中段湖底現狀標高約-5.0～-6.1 m，采用雙排鋼管樁，外側鋼管樁樁長24 m（26 m），內側鋼管樁樁長20 m，堰體寬度8 m，堰頂高程不小于3.574，在樁頂下0.5 m、2.0 m 設兩道對拉桿，對拉桿通過［28a雙拼槽鋼將前后排鋼管樁拉結成整體。在圍堰迎水側設土坡護底防沖刷，頂寬3.0 m，高2.0 m，邊坡坡比為1∶5。圍堰基坑內側設填土護道，頂寬3.0 m，高1.5 m，坡比1∶2.0，如圖2 所示。湖東段湖底現狀標高雖與湖西段相似，但范圍較小，經過過渡段后，圍堰已接近東側岸邊，故湖東段圍堰采用了與湖中段相同的圍護型式。

圖2 湖東、湖中段圍堰橫斷面圖

這2 種圍堰坡頂均采用預制鋼筋混凝土路面，并朝外側形成2%的坡度，方便排除雨水。

3 設計要點

3.1 圍堰穩定性與承載力計算方法

基于國內類似工程項目，徐江平等[2，4-7]對雙排鋼板樁圍堰的穩定性與承載力計算進行了討論。在穩定性方面，主要計算了抗傾覆穩定性、抗滑移穩定性等。在構件承載力方面，一是基于經典土壓力模式，計算出圍堰內外水土壓力后，再用軟件求解；二是采用專業的有限元軟件，如FLAC 3D 等，直接建模計算。

筆者認為，在圍堰構件剛度和承載力滿足計算的條件下，鋼圍堰類似于重力式擋墻，其穩定性的計算可參考相關規范，并計入水壓力的作用，驗算圍堰的整體穩定性、抗傾覆穩定性、抗滲流穩定性等安全系數。各安全系數的取值可參考《建筑基坑支護技術規程》對重力式擋墻的要求。以深水區為例，可將水當成一層內摩擦角和黏聚力均為0 的土層看待，再采用相關軟件進行計算。

徐江平等[2，4-7]對鋼圍堰的穩定性計算都集中在抗傾覆穩定性和抗滑移穩定性方面，對整體穩定性均未提及，而本文則提出了可基于軟件操作的鋼圍堰整體穩定性計算方法，如圖3 所示。

圖3 圍堰穩定性計算圖示

在土壓力計算方面，當采用經典土壓力理論進行計算時，相關文章均按照朗肯土壓力的主、被動土壓力進行計算。這在圍堰的寬高比較大時是成立的，而在圍堰寬高比較小時，如本工程湖東段、湖中段，采用此方法計算圍堰內部土壓力就會放大內部土壓力大小，影響計算結果。因為根據朗肯土壓力理論，圍堰寬高比較小時，其破壞面如圖4 所示，并未達到主動土壓力破壞角，不滿足主動土壓力條件，故需按照有限范圍內的主動土壓力理論進行計算。其主動土壓力應為：

式中：Ea為有限范圍內土壓力；G 為破壞體范圍內的土的重力；θ 為實際破壞角，詳見圖4；φ 為圍堰內填土的內摩擦角；L 為實際破壞面長度，詳見圖4。

圖4 破壞面

3.2 墻背堆土或拋石對結構受力及穩定性的有利作用

圍堰背土側堆土或拋石范圍足夠，相當于減小了圍堰的懸臂高度，會大幅提升圍堰穩定性，減小構件內力。以深水區為例，在圍堰水深較深時，由于采用的是懸臂結構，對圍堰的插入比和圍堰寬度的要求就比較高，同時鋼構件的內力非常大，導致截面尺寸巨大。當懸臂高度減小時，內力削減速度與圍堰高度呈三次方的關系，所以對水深較深的圍堰，在背水側適當堆土或拋石，可大幅減小圍堰構件的截面尺寸。對長大圍堰，特別是水深很深時，這是非常經濟的一種做法。對于較淺的圍堰，也可以適當堆土或拋石，以增加圍堰的安全系數。堆土或拋石的范圍一定要滿足形成被動土壓力的條件。

3.3 局部穩定性

鋼圍堰由鋼管、鋼圍檁和鋼拉桿構成。鋼管、鋼圍檁為受彎構件，鋼拉桿為受拉構件。鋼管和鋼圍檁需考慮其局部穩定性。鋼管在施工完成后，需對其內部空間進行填充。這樣既可增大鋼管的剛度，又可減小鋼管局部失穩的可能性。鋼圍檁可參考基坑鋼圍檁做法，對其局部穩定性進行驗算，并通過設置加勁板避免鋼圍檁產生局部失穩問題。

同時，在施工過程中應加強對鋼構件的保護，避免對鋼構件造成不可逆的破壞。

3.4 圍堰型式和材料的選擇

圍堰構件型式和材料的選擇應遵循安全、經濟、方便的原則，在保證結構安全性的前提下，應優先采用制式的截面型式和材料，減少現場的加工量。

鋼圍堰目前的型式有很多種，包括拉森鋼板樁、帶不同鎖扣型式的鋼管樁，以及多種型式的組合截面[8-9]。一般來講，深水區圍堰既要滿足止水需要，又要滿足受力需求。一般均需要在現有材料的基礎上進行進一步的加工，特別是接頭的加工。這時若能選擇可在工廠里加工或者加工量少的接頭，將會大大提升工程的經濟性。

同時，鋼圍堰構件材料的選擇也有多種。例如，拉桿材料，當采用一般的Q500 鋼材時，可能需要選取的截面就很大，而且兩端端頭處還需現場加工；若采用工廠加工成套的高強度拉桿，屈服強度高，且自配高強螺栓和兩端螺口，大大減少了連接的加工量。

3.5 圍堰線型的選擇和轉角處理

鋼圍堰內外兩側的鋼構件一般是一一對應的，特別是在水深較深時，每根鋼構件上面均需要布設多根鋼拉桿。這就要求內外兩側的鋼構件數目一致。一般來講，外側鋼構件需要止水，所以是搭接的，且圍堰外側實際平面長度要大于內側的長度，就導致外側構件數量一般要多于內側構件數量，而內側構件除鋼板樁外，一般都不是連續的，故可以通過調整內側鋼構件的間距達到要求。在轉角部位，如果轉角過大，內側鋼構件間距太小難以布置；若采用大半徑圓弧過渡的方式，鋼圍檁很難與鋼構件密貼，影響圍堰的整體性。故筆者認為比較科學的辦法是采用多段折線實現過渡，或者在圍堰中間布設一定的輔助鋼板（管）樁，保證轉角處的整體性。

3.6 圍堰分期實施

一般來講，在水域中施工隧道時，是不允許斷流的，這就需要分期實施。在二期施工時，已建隧道頂部上方需要設置臨時擋水結構。擋水結構有圍堰和混凝土擋水墻兩種。當水深較深時，采用混凝土擋水墻所需的截面大，同時施工結束后水下切割工作量大，所以宜在隧道頂部澆筑鋼筋混凝土卡槽設置鋼圍堰與兩側圍堰接順，便于后期拆除，但須保證卡槽內密實，防止漏水。當水深較淺、拆除方便時，可采用混凝土擋水墻。

3.7 圍堰頂施工荷載

圍堰頂可能存在的施工荷載有填土過程中的施工荷載、圍堰頂當作施工便道所產生的施工荷載。

本工程在設計過程中，對上述兩種工況均進行了考慮，取施工荷載20 kPa，對圍堰進行了穩定性和承載力驗算。但從類似項目經驗看，圍堰頂當作施工便道荷載難以控制，容易對圍堰拉桿產生破壞，繼而產生整體性破壞，故設計文件中明確圍堰頂不能用作施工便道。

4 監測方案和現場監測

鋼圍堰主要監測項目為圍堰頂部的豎向位移和水平位移。其報警值并無相應的規范規定，設計對鋼圍堰進行了有限元分析，計算出豎向沉降和水平位移，分別為6 cm、4 cm，取計算值的75%作為報警值，即圍堰頂部豎向位移和水平位移監測報警值分別取4.5 cm、3 cm。

現場監測結果顯示，湖中段水平位移均逼近設計計算結果，其余監測內容均在報警值內。

5 結論

通過本工程，對湖底明挖隧道鋼圍堰形成了以下經驗，可供后續類似工程參考。

（1）本文系統地提出了湖底明挖隧道鋼圍堰的穩定性和承載力計算方法，特別是提出了可基于軟件操作的整體穩定性計算方法，并對圍堰內土壓力的計算方法進行了討論，指出當圍堰高寬比較大時，圍堰內的土壓力應為有限范圍的主動土壓力。

（2）不同工程應根據自身情況，特別是平面線型、工程地質、水文條件因地制宜地選擇鋼構件的種類和型式，鋼圍堰的斷面和平面型式。

（3）施工過程中應嚴格控制施工對鋼圍堰的影響，避免對鋼構件產生破壞，建議圍堰頂不作為施工便道使用，基坑內部施工過程應加強對鋼構件的保護。湖底明挖隧道鋼圍堰沒有相應的監測標準，監測報警值可通過設計計算結果確定。