目前,水下隧道施工的工程越来越多,对于水位较浅的水下隧道,一般采取围堰明挖法施工。以武汉东湖通道的双层钢板桩围堰工程为依托,采用双层钢板桩土芯组合围堰提高了围堰的整体稳定性和安全性,达到了良好的防水效果并节省了钢材用量。

武汉东湖通道目前是中国最长的湖底隧道，全长10. 6km，宽 60 ～70m，其中穿东湖隧道长 5km，采用围堰明挖法，即先在东湖中修筑围堰，再抽干围堰内的湖水，然后往下挖掘 10 ～14m，接着浇筑隧道，浇筑好后回填黏土，并拆除围堰，回水还湖。

根据设计要求，结合现场实际情况，为保证施工期间东湖汤菱湖和郭郑湖水域连通，在桩号 K3 +060—K3 +090 处留设 30m 宽水系联络通道。围堰清淤施工分 2 阶段实施:①第 1 阶段 分段围堰同步施工的方式组织施工，设置 30m 宽水系联络通道，施工便道采用钢栈桥连接;②第 2 阶段 待主体结构施工完成覆土回填后拆除围堰保持汤菱湖和郭郑湖水系连通，然后进行水系联络围堰及剩余主体结构施工。

东湖通道涉及范围内覆盖层为第四系湖积相淤泥及淤泥质土、黏性土、冲洪积相的黏性土层。下伏第三系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系及志留系基岩。据收集资料、地质调查、野外钻孔岩性描述及室内土工试验成果，可将拟建工程场地勘探深度范围内地层划分为 12 个大层、28 个亚层，部分地层岩性特征如表 1 所示。

表 1   工程地质分层

本工程钢板桩围堰均为双边围堰，钢板桩距隧道结构外边线的距离为 20 ～50m，钢板桩围堰净宽7m，外轮廓线之间的距离为 8m，堰体采用黏性土填筑，如图 1 所示。

图 1  双层钢板桩土芯组合围堰

双层钢板桩土芯组合围堰优点为:施工简便，拆除快捷，黏土始终处于钢板桩之间，无土方扩散流失，易于恢复水域原始生态环境。具体原理如下。

1)通过钢板桩之间的拉筋、填土、插打深度控制以及反压平台的设置，将钢板桩、堰芯土、反压平台三者结合成一体，有效增大围堰刚度，解决钢板桩柔性结构变形较大的问题，较大地提高了钢板桩围堰的整体稳定性和安全性(见图 2)。

图 2   双层钢板桩土芯组合围堰节点

2)形成钢板桩、堰芯土、土工膜 3 道防水体系，显著提高钢板桩围堰抗渗性能。

3)在保持围堰稳定性的前提下，解决了钢板桩无法插入持力层的问题，减少钢板桩入土深度，一定程度上节约了钢材用量，降低了钢板桩施工难度，有利于后期钢板桩拔除。

测量放样→设置防污染围挡→钢板桩插打→铺设土工布及纵、横向连接→堰芯填筑→子围堰施工→抽排堰内湖水。

5. 1 测量放样

根据给定的控制点，用 GPS 放出围堰中心线及边线，在湖中用木桩定出围堰中心桩及围堰宽度控制桩，间距 10 ～20m。

5. 2 设置防污染围挡

在距离围堰迎水面外侧 20m 处设置防污染围挡，该围挡采用土工布，防止清淤挖土时激起的浑浊泥土或油污染对附近湖区水域造成污染。施工时先把土工布绑扎在原木上，然后将原木插入水中，用振动锤锤击打入。

5. 3 钢板桩打设

5. 3. 1 钢板桩设计

1)本工程设置双排钢板桩，对背水面及迎水面不同长度组合的钢板桩围堰进行受力分析，确定最佳钢板桩深度及排列方式(见表 2)。

表 2   钢板桩围堰

2)为满足钢板桩围堰范围内堰底淤泥清除需要，背水面每 3m 拉森钢板桩进行开孔，在有效防止背水面侧围堰土体水土流失前提下，作为推填过程中挤淤排淤通道，进行钢板桩开孔与未开孔状态下的受力分析，分析表明开孔条件下钢板桩受力情况较好。

3)通过钢板桩开孔孔洞方式及大小受力分析，从挤淤效果看，采用直径 100mm、垂直间距 300mm圆孔开孔方案有较好的挤淤效果，水平间距 3. 2m为相对最优开孔方案，并投入使用(见图 3，4)。

图 3   挤淤效果实测分析

图 4   现场钢板桩开孔设计

4)圆孔周围应力较大，为薄弱区域。在激振力作用下，上、下两侧产生了拉应力，而左、右两侧产生了较大的压应力，最大应力 252MPa，超过钢板桩Q235 设计强度值 210MPa，不能满足设计要求。在综合考虑经济合理性的基础上，确定以局部加固为主要研究方向。在圆孔周围内外加焊圆环钢板，圆环内径为 10cm，外径为 20cm，厚度为 1cm，采用单面焊接。

5. 3. 2 钢板桩检查

主要进行锁口检查、宽度检查。对于检查合格的钢板桩，为保证钢板桩在施工过程中能顺利插拔，并增加钢板桩在使用时的防渗性能，每根钢板桩锁口都须均匀涂以混合油。

5. 3. 3 钢板桩堆放及吊运

根据平面布置，设置卸货码头，钢板桩分阶段有计划地从生产厂家运输，采用平板拖车运至码头处分类堆码。

施工时用浮船将钢板桩运至打设地点，装卸钢板桩宜采用两点吊装。吊运时，每次起吊的钢板桩根数不宜过多，注意保护锁口免受损伤。对于处理好的钢板桩，在堆放和运输中要避免碰撞，防止弯曲变形。

5. 3. 4 导架安装

在钢板桩施工中，为保证沉桩轴线位置正确和桩的竖直、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，需要设置一定刚度、坚固的导架(见图 5)，也称“施工腰梁”。

图 5   单层双面导架示意

安装导架时采用经纬仪和水平仪控制与调整导梁的位置，导梁的高度要适宜，要有利于控制钢板桩的施工高度和提高施工工效，导梁不能随着钢板桩的打设而产生下沉和变形，导架的位置应尽可能垂直，并不能与钢板桩碰撞。

5. 3. 5 钢板桩的起插及过程控制

各项准备工作就绪后，按设计桩位，在用浮箱制作的施工平台上采用拉森钢板桩打桩机将钢板桩逐根连续打入设计标高，同侧钢板桩顶上口应基本平齐。

以插好的钢板桩为基准，拉森钢板桩起吊后人工扶持插入前一根钢板桩锁口，然后用振动锤振动下沉。整个施工过程中，用铅锤控制每根桩的垂直度，并及时调整纠偏。插打过程中，须遵守“插桩正直，分散即纠，调整合龙”的施工要点。

钢板桩的插打次序从两侧开始向中间进行，最后在中心合龙。拉森钢板桩合龙必须通过精确计算，确定龙口位置，采用配桩法合龙。配置相应规格的异形钢板桩，现场实测异形钢板桩的角度和尺寸，根据实际切割焊接异形钢板桩，以确保整个围堰的密封性。

5. 4 铺设防水土工布

在双排板桩围起的围笼内，迎水面钢板桩内侧铺设防渗复合土工膜止水。土工膜铺设时在钢拉杆下应留有 25cm 以备沉降时不被拉断;同时为便于土工布与填土袋之间的密实性，土工膜铺设时向底部多铺 50cm。施工中应尽量减少土工膜的搭接接头，两块防水板的搭接宽度符合设计要求并应≥15cm(见图 6)。

图 6   土工布施工示意

5. 5 钢板桩腰梁及拉杆施工

两侧拉森钢板桩之间上部设置的拉杆改为 Φ28三级螺纹钢(间距 800mm)，钢板桩外侧采用双拼［10 腰梁，拉杆处钢板桩需打孔，拉杆两端采用螺母及垫片与腰梁连接。

5. 6 堰芯填筑

堰芯填筑由围堰一侧向另一侧顺序流水推进。围堰填筑前先清除堰内湖底淤泥、乱石、腐物、树根等杂物，以免影响土工布的安装及堰底起夹层，影响截水质量。由于钢围堰堰内填土不能走大型土方自卸车，施工时先采用大型土方自卸车将外购土运至施工现场堆土场，然后采用 3 ～ 5m 3 自卸小卡车沿已填筑堰顶将土方转运至待填筑位置进行填筑，每隔 300m 设置 1 个掉头平台以供小卡车掉头，掉头平台尺寸为 12m × 12m。堰体填土高程按20. 500m 控制，顶部 0. 5m 厚度填筑毛渣，并进行压实以便行车。

5. 7 钢围堰监测

为确保围护结构正常工作，防止钢板桩位移较大，施工中对钢板桩偏移进行跟踪观测，控制点选在较远处的稳定点。围堰监测点间距≤30m，整体变形 ＞30mm，应及时报警并采取可靠措施保证围堰安全。在围堰施工期间及完成后每天 2 次观测位移，如果变形较快，则需连续观测。围堰内抽水必须严格控制降水速度，水位下降速度限制在 0. 3m/d左右。

5. 8 钢围堰拆除

钢板桩拆除在主体结构覆土回填后进行，为保证东湖水环境不受污染，堰内灌水前需清理堰内各种建筑、生活垃圾等，并将子围堰袋装土破除，清理废弃土袋外运。

1)预挖土槽 在堰内灌水前先沿着钢板桩围堰内侧用挖掘机开挖土槽，土槽两边采用 1∶ 1放坡支护，土槽截面积与钢板桩填筑土截面积相同，开挖土方用运输车运至弃土场。

2)拆除背水面钢板桩 堰内灌满水后用浮箱做平台，采用履带式拔桩机进行背水面钢板桩的拔除，拔出钢板桩用浮箱运至码头。

3)回填土槽 清除堰顶毛渣并拆除拉杆后，采用两栖挖掘机将堰芯土挖至预挖土槽内，土槽回填土标高需和附近湖底标高相同。

4)拆除迎水面钢板桩 在堰芯土挖除至土槽内后，采用相同方法拆除迎水面钢板桩。

1)采取双排钢板桩内铺设土方施工，在保证围堰整体稳定性的前提下，减少了钢板用量，且有利于后期钢板桩拔出，节约施工成本。

2)通过在钢板桩上合适位置开孔，减少了水及淤泥对钢板桩的挤压，提高了钢板桩围堰的整体稳定性和安全性。

3)双层钢板桩土芯组合围堰施工形成钢板桩、堰芯土、土工膜 3 道防水体系，显著提高钢板桩围堰抗渗性能。