土工模袋砂+钢板桩复合重力式围堰设计与分析

土工模袋砂+钢板桩复合重力式围堰设计与分析

陈艳平1，魏立新1，刘芳1，郭建民1

(1.广州市市政工程设计研究院，广东广州 510060)

摘要：广州市洲头咀隧道工程沉管管节在轴线干坞内分批预制，结合干坞二次临时围堰工程的水文地质条件，详细介绍了土工模袋砂和钢板桩组合的重力式围堰断面设计、材料选择、稳定性分析、渗流分析及施工方案设计等。

关键词：土工模袋、钢板桩、复合重力式围堰、稳定性分析、渗流分析

1 工程概况

广州市洲头咀隧道工程过珠江段采用沉管法施工，管节共4段分2批预制，预制场地位于芳村端轴线干坞内。第一批管节浮运出坞后，需要在坞口位置设置第一次临时围堰，在干坞内进行第二批管节预制，第二批管节预制出坞后，需在坞口位置第二次临时围堰，进行隧道主体结构施工以及堤岸恢复等工程。根据管节浮运的要求，干坞坞底高程为-6.0,一次临时围堰和二次临时围堰基础底面高程和干坞坞底高程相同。由于隧道主体结构埋深的要求，二次围堰后，围堰基础5m范围外靠岸上段一侧继续下挖4.0m施工岸上段主体结构，靠沉管段一侧由于沉管段基槽施工，继续下挖8.1m。二次围堰平面图见图1所示。

图1 二次围堰平面图

根据水文分析结果，珠江河道属感潮河道，汛期既受来自流溪河、北江、西江洪水的影响及东江洪水的顶托，又受来自伶仃洋的潮汐作用，洪潮混杂，水流流态复杂。珠江潮汐为不规则半日潮，每日两潮。主要水文参数如表1所示。

工程区地层主要为第四系全新统人工填土层(4ml Q )、全新统海陆交互相沉积层(4mc Q )，上更新统冲积层(3al Q )，第四系残积层(el Q )，及白垩系上统三水组西濠段（22b K s ）全～强～弱～微风化泥质粉砂岩或砂砾岩。围堰位置开挖至设计标高-6.0后，围堰基础顶面主要为强风化泥质粉砂岩。

2 围堰结构选型

根据文献[1][2][3]的要求，临时围堰工程等级按临时性水工建筑物级别划分为4级。围堰顶部安全加高值应为0.5m ，考虑到堤岸顶标高为7.8m ，临时围堰顶标高取相同值。围堰防洪标准采用20年一遇洪水位为设计水位，即7.49m ，则围堰高度13.8m ，挡水侧设计洪水位水深13.49m 。围堰结构选型应遵循以下原则：

(1) 安全可靠，满足稳定、抗渗、抗冲要求；

(2) 结构简单，施工方便、易于拆除并能利用当地材料及开挖渣料；

(3) 堰基便于处理，堰体便于与岸坡或已有建筑物连接；

(4) 在预定的施工期内修筑到需要的断面及高程，满足施工进度要求；

(5) 围堰断面应满足通航要求和防洪要求，具有良好的技术经济指标；

考虑到航道通航需要，围堰断面应尽量缩小，考虑到临时围堰需要重复拆除和修建，施工和拆除应方便，对珠江环境影响尽量小。经过对土石围堰、砼围堰、钢板桩格型围堰、木笼围堰、草包土围堰、土工模袋砂土围堰等综合比选，确定尝试采用土工模袋砂和钢板桩相结合的复合重力式新型围堰体系。

3 围堰结构设计

3.1 断面设计

围堰顶宽12m ，由以下3个主要部分组成(见图2):

图2 围堰横断面图

(1) 两侧采用对称模袋砂围堰，模袋砂顶部高程3.0，底部高程-6.0，顶部宽度1.5m ，靠外

侧坡比1：1.5，内侧垂直。

(2) 模袋砂围堰围闭范围宽12m ，中间插打双排钢板桩，双排钢板桩之间宽度为11m ，为保

持钢板桩和围堰的稳定性，双排钢板桩之间设双排拉杆对拉，具有拉压双向限位功能；

(3) 围堰范围内底部采用导管法回填塑性混凝土厚1m ，以上回填砂土。

为加强围堰的抗渗性和抗滑动稳定性，要求钢板桩采用小锁扣扣打法施工，并尽量进入强风化层0.5m 。考虑到局部渗漏处理的需要和加强围堰整体抗滑稳定性，围堰底部采用花管注浆措施；

3.2 围堰稳定性分析

围堰稳定性分析包括整体抗滑稳定性分析、沿基础底面抗滑稳定性分析和整体抗倾覆稳定性分析。当干坞内水抽干，临时围堰外侧珠江水位达到设计洪水位7.49时，临时围堰面临最不利工况。

(1)沿基础底面抗滑移分析

土工模袋砂土围堰，实则上可视为加筋土，加筋砂土与未加筋砂土的内摩擦角相近，加筋土的准凝聚力为:

0tan(45/2)2s s r x y

A C S S σϕ+= ……………………………………………………(1) 公式(1)中：s σ－筋带强度（kPa ）；s A －筋带截面积（m 2）；x S －筋带水平间距(m)；y S －筋

带竖向间距(m)；充填模袋采用天然河砂充填，取c ＝0，ϕ=250，模袋充填后厚度约为0.5～0.7m ，取0.7m ，模袋织物强度不小于24kN/m ，根据公式(1)计算得模袋砂围堰参数抗剪强度参数c=37.7kPa ，φ=250；主动土压力系数a K =0.41，根据朗金主动土压力计算公式可知，模

袋砂围堰对钢板桩的土压力可忽略不计。水重度取10 kN/m 3，钢板桩围堰和模袋砂围堰取综合重度16 kN/m 3，水压力：F w =0.5×13.492=910kN ；钢板桩围堰自重（考虑水的浮力）： G g =12×（16-10）×13.8=993.6kN ，外侧模袋砂自重：G s =(2+15.5)×9/2×16=1260kN ； 对碎石土或者软质岩，基础底面的滑动摩擦系数u=0.4～0.6[4]，考虑到本工程为水下开挖，基础面粗糙，取0.5，则抗滑安全系数：

K s ＝(993.6+1260) ×0.5/910=1.24

(2)抗倾覆稳定性分析

水压力产生的弯距：M w =910×13.49/3=4092 kN.m

钢板桩围堰自重：M g =993.6×12/2=5961.6 kN.m

抗倾覆安全系数：

K ＝M g / M w =1.46；

(3)整体抗滑稳定性分析

二次临时围堰施工后，围堰基础5m 范围外需要继续开挖并施工主体结构。

表3 GTS 有限元主要材料参数表

注:表3中，1-强风化粉质砂岩; 2-弱风化粉质砂岩；3-围堰填砂；4-土工模袋砂

图3 二次围堰平面有限元网格图