基于海洋环境下的超大围堰的结构及其施工工艺的制作方法

本发明涉及一种围堰施工工艺，尤其涉及一种基于海洋环境下超大围堰施工工艺。

背景技术：

目前，海洋环境下的隧道一般采用盾构法、浅埋暗挖法、沉管法、明挖法施工。其中明挖法围堰又可以采用土石围堰、土袋围堰、钢板桩围堰、钢筋混凝土板桩围堰、钢套箱围堰等。

盾构法、浅埋暗挖法、沉管法等施工工期长，工作面小；不能分段，同时施工。明挖隧道土石围堰、土袋围堰，防水、渗水效果差。明挖隧道钢板桩围堰，自稳性差，需加设钢支撑，止水效果好；明挖隧道钢筋混凝土板桩围堰，后期拆除费用较高。其中，膜袋围堰法，是往膜袋内填充沙子，使膜袋内沙子成为一个固定整体，然后将填充好的膜袋搭接累加而形成堰体。这样施工能就地取材，施工简单；能分成几个施工段落同时施工。

海洋环境下的隧道所处地质，一般为海床下1-17米内为淤泥质粉质粘土、中粗砂层、粉质黏土往下分布全风化、强风化花岗岩层，地质构造较复杂；所处施工环境台风频繁，因台风易发生洪水灾害，且围堰也是一个易受台风侵袭的地方；施工区域内水深很深，且水下环境非常复杂，不易控制。根据以上问题需要形成的堰体体积大，防渗效果好。

技术实现要素：

针对上述现有施工技术，根据海洋环境下隧道所处地质、水文条件，施工环境及工期要求，本发明提供一种基于海洋环境下超大围堰施工工艺。围堰采用冲砂膜袋+钢板桩相结合的施工工艺，吸取两者的优点、缺点，将两者的优点相结合，形成牢固、可靠的堰体。这样施工简单，可就地取材；施工速度快，能够缩短工期，为后续工作减轻压力；稳定性、耐久性良好，能够较好的防止冲刷，防洪水，抵抗台风；添加钢板桩止水帷幕，刚度更大，防渗性更好，能够达到非常好的隔水效果；围堰拆除方便、速度快；钢板桩可以周转使用，减少资金压力。

为了解决上述技术问题，本发明基于海洋环境下的超大围堰的结构，包括层叠的冲砂膜袋和钢板桩，围堰的断面为梯形，所述围堰的堰顶宽度为15m，所述围堰的高度为9～10m，所述围堰在高度上分级放坡，迎水面坡度为1:3～1:4，背水面坡度为1:4；所述围堰的堰底铺设有土工格栅，在所述围堰内位于宽度对称的位置处及所述围堰背水面的坡脚处均设置一道钢板桩止水帷幕，所述钢板桩止水帷幕由拉森iv型钢板桩构成，在所述钢板桩止水帷幕上沿周向每隔1m预埋一根注浆管，所述注浆管的外径为30mm，内径26mm，所述注浆管的底端为锥形管；层叠的冲砂膜袋中，层与层之间的接缝采用错缝施工，错缝间距≥2m；围堰背水面冲砂膜袋的搭接错台及接缝处依次铺设有找平层、土工布层和垫层，所述找平层和垫层均为碎石层，所述土工布为400g/m的土工布，所述垫层的厚度为200～400mm；围堰迎水面上依次设有防渗土工膜、碎石垫层和混凝土护面，所述碎石垫层的厚度为200mm，所述混凝土护面的厚度为130mm。

针对上述结构的围堰施工工艺，包括以下步骤：

步骤一、使用rtk-gps获取围堰膜袋安装位置，并测量放样；根据测量放样的位置利用耙吸式挖泥对围堰膜袋的预安装位置进行堰址清淤施工；然后进行堰底土工格栅的铺设；

步骤二、膜袋充沙，包括膜袋定位及铺设：

膜袋定位用定位排或钢管插桩四周固定膜袋定位相结合施工，层与层之间的接缝采用错缝施工，错缝间距≥2m；

水面以上区域根据施工前测量放样的位置，采用人工方法进行膜袋的铺设；

深水区采用铺排船进行膜袋的铺设；

浅水区人工充填膜袋：当低潮位或围堰施工到高程为0.0m～1.0m，围堰水深能够满足下水要求时，采用排泵供沙将输砂管直接插入铺设好的膜袋直接充灌铺袋；

步骤三、防渗土工铺设：

膜袋堰体充填至设计标高后，在围堰外侧及迎水面铺设防渗土工布，防渗土工布由起重潜水母船铺设完成，由于整个摊铺过程均在水下操作，在摊铺时尽量采用顺流或逆流方向进行，摊铺过程中每移动2～3米的距离投抛一次碎石或袋装砂包将摊铺的防渗土工布压住，以防止上浮；

步骤四、钢板桩止水帷幕的施工：

其中的钢板桩采用拉森iv型钢板桩，膜袋堰体充填至设计标高后，进行钢板桩施工，所用设备包括z550型液压振动沉桩机和打桩机，所述打桩机的激振力为220kn；

钢板桩止水帷幕的施工采用单独打入法，即从围堰的中间开始施打第一根起点钢板桩，然后向起点钢板桩的两侧各自往围堰周向开始逐根插打直至形成钢板桩止水帷幕，每根钢板桩自起打到结束中途不停顿；在所述钢板桩止水帷幕上沿周向每隔1m预埋一根注浆管，所述注浆管的外径为30mm，内径26mm，所述注浆管的底端为锥形管；

步骤五、围堰的护面及护顶：

在围堰的背水面上，首先用碎石对膜袋与膜袋间的搭接错台及接缝进行找平处理，然后铺设一层400g/m土工布，最后在该土工布上铺设厚度为200～400mm的碎石垫层；

在围堰的迎水面上，在防渗土工膜上铺设厚度为200mm的碎石垫层，然后在该碎石垫层上浇筑厚度为130mm膜袋混凝土护面；

在围堰的顶部铺设袋装粘土，然后再铺设200mm厚的碎石护面。

进一步讲，本发明围堰施工工艺中，在步骤一中，堰底土工格栅的铺设采用人工及机械铺设相结合形式施工，其中，近岸段用人工铺设，深水区采用机械铺设。

在步骤二中，深水区采用铺排船进行膜袋的铺设，耙吸船运沙直接充填；施工过程是，先将膜袋安装在铺排船上，铺排船铺架将膜袋慢慢伸出，边伸边将耙吸船的供沙管与膜袋的袖口连接好，袖口采用活结处理，当砂管拔出进，袖口经活结自然捆实，避免在充填沙过程中砂子跑到膜袋外面；充沙顺序从围堰断面的一边开始充填，充至设计厚度时，逐步向另一边充填，最后充填完整个膜袋。

在步骤二中，浅水区人工充填膜袋的过程是：当低潮位或围堰施工到高程为0.0m～1.0m，围堰水深满足人员下水要求时，采用排泵供沙人工铺袋充填，排泵包括浮排装载的柴油机组及沙浆泵，人工穿救生衣下水后，将输砂管直接插入铺设好的膜袋，然后直接充灌砂。

在步骤三中，土工布在陆地上进行缝制拼接，将其卷绕在土工布铺设滚桶上，滚桶长为30米；然后，将卷绕有土工布的滚桶固定在起重潜水母船的臂架上。

在步骤三中，采用rtk-gps定位系统进行移船就位，防渗土工布的起始边采用压填碎石包的方法进行固定，或是采用插入钢管桩的方法进行固定。

在步骤四中，为保证沉桩轴线位置和竖直度，须设置一定刚度的导向架引导，即打入钢板桩之前，人工整平堰顶，然后，在堰顶上安装一导向架，打入钢板桩过程中，采用导向架引导。

为确保堰体稳定，膜袋混凝土护坡施工时应考虑内外水头差的影响，因此，钢板桩施工完毕后，在进行步骤五围堰的护面及护顶之前，进行围堰内排水，然后进行背水面护坡处理，然后再进行迎水面护坡处理，最后进行堰顶护面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

以往隧道采用盾构法、浅埋暗挖法、沉管法等施工工期长，工作面小；不能分段，同时施工。明挖隧道土石围堰、土袋围堰，防水、渗水效果差。明挖隧道钢板桩围堰，自稳性差，需加设钢支撑；明挖隧道钢筋混凝土板桩围堰，后期拆除费用较高。

本发明基于海洋环境下的超大围堰的结构是采用冲砂膜袋，梯形断面结构。堰顶宽度约15m，根据围堰高度分级放坡，迎水面坡度1:3-1:4，背水面坡度1:4。围堰内设置一道钢板桩止水帷幕，围堰背水面坡脚设置一道钢板桩止水帷幕。围堰采用冲砂膜袋+钢板桩相结合的施工工艺，堰顶及围堰背水面坡脚各设置一道钢板桩止水帷幕，将冲砂膜袋+钢板桩的优点相结合，形成牢固、可靠的堰体。这样施工简单，可就地取材；施工速度快，能够缩短工期，为后续工作减轻压力；围堰整体稳定性、耐久性良好，能够较好的防止冲刷，防洪水，抵抗台风；添加钢板桩止水帷幕，刚度更大，防渗性更好，能够达到非常好的隔水效果，达到有关施工规范要求；同时后期围堰拆除方便、速度快；钢板桩可以周转使用，减少资金压力。本发明对海底隧道工程、大型水坝工程、水利发电站工程等类似工程值得推荐采用。

附图说明

图1是本发明基于海洋环境下超大围堰施工工艺流程图；

图2是本发明基于海洋环境下超大围堰结构断面图；

图3是本发明基于海洋环境下背水面超大围堰结构构造图；

图4是本发明基于海洋环境下迎水面超大围堰结构构造图；

图5是本发明基于海洋环境下超大围堰结构地质图。

图中：1-yasp-ⅳ钢板桩，2-土工格栅，3-土工布，4-两层防渗复合土工膜，5-200mm厚碎石垫层，6-130mm厚膜袋砼护面，7-400g/m²土工布，8-碎石找平，9-充填袋装砂，10-袋装黏土，11-围堰轴线，12-迎水面，13-背水面，14-砾砂，15-淤泥质粉质黏土，16-粉质黏土，17-砂质黏性土，18-强风化花岗岩，19-中风化花岗岩，20-地质勘测孔。

具体实施方式：

以下通过实施例讲述本发明的详细内容，提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。

研究材料：

本研究材料涉及一座海洋环境下隧道工程，隧道全长1.2公里(跨海段长0.8公里)。采用双车道二级公路标准，设计速度40公里/小时，双向两车道，车道宽度2*3.75m。车道限界高度5.0m。侧向净宽为左右两侧各0.5m，余宽0.25m。北岸敞开段(k0+180-k0+330)结构形式为u型槽结构，北岸敞开段总长度为150m。暗埋段(k0+330-k1+190)为矩形结构，暗埋段总长度为860m，南岸敞开段(k1+190-k1+360)结构形式为u型槽结构，总长度为170m。通道净宽：敞开段10.75m，暗埋段15.55m；沥青混凝土路面通道采用围堰明挖法施工。据勘察地质图5勘测孔20资料显示，隧道跨海处水深约1.5-5米，河床下1-17米内为砾砂14、淤泥质粉质粘土15、粉质黏土16、砂质黏性土17、往下分布强风化花岗岩18；中风化花岗岩19，地质构造较复杂。

围堰采用层叠的冲砂膜袋，围堰为梯形断面结构。围堰堰体施工又分为东堰体和西堰体两部分。游围堰距离通道中轴线约200m，与两岸岸堤相接，上游围堰长约550m，下游围堰长约500m。水深最深5m左右，北侧水深0～2m，围堰高度为4～9.5m，堰底最大宽度161.11m，堰顶宽度约15m，堰体断面尺寸大；如施工条件需要，随着海洋水深、围堰高度的增大，可以继续加大堰底宽度，加大堰体断面面积，以增加围堰的整体稳定性、可靠性。根据围堰高度分级放坡，迎水面坡度1:3-1:4，背水面坡度1:4。所述围堰的堰底铺设有土工格栅，在所述围堰内位于宽度对称的位置处及所述围堰背水面的坡脚处均设置一道钢板桩止水帷幕，围堰内设置一道钢板桩止水帷幕，围堰背水面坡脚设置一道钢板桩止水帷幕，增加了堰体刚度、使围堰更稳定、可靠；结合两道钢板桩止水帷幕，大大增加堰体抗渗性，更加能够抵抗海洋水的浸泡和渗透，防止冲刷，防洪水。所述钢板桩止水帷幕由拉森iv型钢板桩构成，在所述钢板桩止水帷幕上沿周向每隔1m预埋一根注浆管，所述注浆管的外径为30mm，内径26mm，所述注浆管的底端为锥形管。层叠的冲砂膜袋中，层与层之间的接缝采用错缝施工，错缝间距≥2m；围堰背水面冲砂膜袋的搭接错台及接缝处依次铺设有找平层、土工布层和垫层，所述找平层和垫层均为碎石层，所述土工布为400g/m的土工布，所述垫层的厚度为200～400mm；围堰迎水面上依次设有防渗土工膜、碎石垫层和混凝土护面，所述碎石垫层的厚度为200mm，所述混凝土护面的厚度为130mm。围堰背水面冲砂膜袋的搭接错台及接缝处依次铺设有找平层、土工布层和垫层，所述找平层和垫层均为碎石层，所述土工布为400g/m的土工布，所述垫层的厚度为200～400mm；围堰迎水面上依次设有防渗土工膜、碎石垫层和混凝土护面，所述碎石垫层的厚度为200mm，所述混凝土护面的厚度为130mm。

围堰施工的主要工程量包括围堰工程施工、辅助河道拓宽拓深和上游拦水锁坝建设。围堰施工工程量约60万立方米，航道疏浚工程量约250万立方米，上游过水锁坝吹填工程量约30万立方米。

明挖隧道基坑开挖要求基坑边坡稳定性高、沉降变形量小；且工期紧，要求施工速度快，所以针对以上关键因素分析。

为了解决明挖隧道基坑开挖，边坡稳定性高、沉降变形量小；且施工速度快问题，针对上述的基于海洋环境下超大围堰的施工工艺，步骤如下：

步骤一、围堰测量放样及堰址清淤：

使用rtk-gps获取围堰膜袋安装位置，将围堰膜袋安装位置测量出来，并测量放样；要确保水下膜袋位置准确，根据测量放样的位置利用耙吸式挖泥对围堰膜袋的预安装位置进行堰址清淤施工；然后，将耙吸式挖泥船，开到测量放样的围堰膜袋位置，进行堰址清淤施工。一般情况下，一边航行一边清淤；然后进行堰底土工格栅的铺设，在图2所示堰底进行土工格栅2或土工布3铺设，采用人工及机械铺设相结合形式进行施工。近岸段用人工铺设，深水区采用机械铺设。

步骤二、膜袋充沙，包括膜袋定位及铺设：

膜袋定位用定位排或钢管插桩四周固定膜袋定位相结合施工，层与层之间的接缝采用错缝施工，错缝间距≥2m；水面以上区域根据施工前测量放样的位置，采用人工方法进行膜袋的铺设。

图2所示深水区排船膜袋充填装砂9，深水区采用铺排船进行膜袋的铺设，耙吸船运沙直接充填。施工过程，先将膜袋安装在铺排船上，铺排船铺架将膜袋慢慢伸出，边伸边将耙吸船的供沙管与袖口连接好。袖口采用活结处理，当砂管拔出后进行捆实，避免在充填沙过程中砂子跑到膜袋外面。充沙顺序从围堰断面的一边开始充填，充至设计厚度时，逐步向另一边充填，最后充填完整个膜袋，并达到规范要求。

图2浅水区人工膜袋充填装砂9：当低潮位或围堰施工到一定高程(0.0m～1.0m)，围堰水深能够满足下水要求时，采用排泵供沙人工铺袋充填。排泵由浮排装载柴油机组及沙浆泵，人工穿救生衣下水，将输砂管直接插入铺设好的砂袋直接充灌铺袋充灌。浮排可现场扎制，也可租用当地小艇用作浮具。

步骤三、防渗土工膜即土工布铺设：

膜袋堰体充填至设计标高后，如图4所示，在围堰外侧及迎水面铺设防渗土工布即土工布铺设，防渗土工布由起重潜水母船铺设完成，摊铺时采用顺流或逆流方向进行，摊铺过程中每移动2～3米的距离投抛一次碎石或袋装砂包将摊铺的防渗土工布压住，以防止上浮。防渗土工布4分陆上铺设和水下铺设。水下部分由于受水流和水深的影响，容易造成土工布被漂浮、折叠、移位甚至被水冲走等现象。为了满足施工的要求，确保铺设过程的有效安全，吸取以往经验，采用了比较可靠的办法进行铺设。

首先将防渗土工布4在陆地上进行缝制拼接，然后将其卷绕在土工布铺设滚桶上，滚桶长为30米。一般情况下边缝制边卷绕，同时两边用人工拉直以防工布在卷绕过程中的弯曲折叠。

(1)装船：装船主要是卷绕有土工布的滚桶吊至土工布铺设船的臂架上使其固定。

(2)铺设定位：铺设定位是整个铺设过程中的关键工序，它直接关系到铺设质量的好坏。本工程采用rtk-gps定位系统进行移船就位，并将定位数据输入电脑，根据计算机屏幕上实时显示的船体位置，进行移船就位，进行土防渗工布4的铺设定位作业。

(3)防渗土工布4起始边的固定：在防渗土工布铺设的起始边采用压填碎石包的方法进行压实固定，必要时可采用插入钢管桩固定定位的办法施工。

(4)图4防渗土工布4进行铺设：船体精确定位后，在土工布铺设起始边固定好，开动锚机，根据测量软件显示屏的定位位置，缓慢移船铺设。当移位走偏时及时进行纠偏。由于整个摊铺过程均在水下操作，在摊铺时尽量采用顺流或逆流方向进行。同时在摊铺过程中每移动2～3米左右的距离必须投抛碎石或袋装砂包将摊铺的土工布压住，使其不能上浮。

步骤四、钢板桩止水帷幕的施工：

在打入钢板桩之前，为保证沉桩轴线位置和竖直度，须设置一定刚度的导向架引导，其导向架可采用槽钢制作而成。安装导向架前，人工整平堰顶，使得导向架平整摆放至堰顶。打入钢板桩过程中，采用导向架引导。

如图2中所示的钢板桩采用进口拉森iv型钢板桩1。膜袋堰体充填砂9至设计标高后，进行钢板桩施工。钢板桩施工采用z550型液压振动沉桩机，作钢板桩沉桩的主要动力。打桩机为挖掘机加液压高频振动锤改装而成，激振力达220kn。

钢板桩施工采用单独打入法，以便使打设后的板桩有足够的刚度和良好的止水作用。此方法是从围堰的中间开始施打第一根起点钢板桩，然后各自往围堰前后方向开始逐根插打，每根钢板桩自起打到结束中途不停顿。

由于单块打入，易向一边倾斜，累计误差不易纠正，墙面平直度难以控制，钢板桩打入过程中需注意以下几点。

(1)打桩时要求钢板桩紧贴导向架，并随时复核导向架的轴线。

(2)打桩机吊起钢板桩，人工扶正就位。

(3)单桩逐根连续施打，注意桩顶高程不宜相差太大。

(4)在插打过程中随时测量监控每根桩的斜度，当斜度超过2％不能用拉齐方法调正时，拔起重打。

为预防出现渗水现象，钢板桩每隔1m预埋一根注浆铁管，外管径30mm，内径26mm，底部削尖开孔，即所述注浆管的底端为锥形管；若出现围堰渗水，可从注浆管往钢板桩底部进行注浆堵漏。

步骤五、围堰的护面及护顶：

为确保堰体稳定，膜袋混凝土护坡施工时应考虑内外水头差的影响，因此钢板桩施工完毕后，首先进行围堰内排水，然后进行背水面护坡处理，然后再进行迎水面护坡处理，最后进行堰顶护面。

以围堰轴线11，划分为图3背水面与图4迎水面，两侧围堰护面做法各不相同。

(1)在围堰的背水面上，如图3所示背水面，首先用碎石对膜袋与膜袋间的搭接错台及接缝进行碎石找平8处理，然后铺设一层400g/m土工布7，最后在土工布上铺设厚度为200的碎石垫层5。

(2)在围堰的迎水面上，如图4所示迎水面，在防渗土工膜4上铺设厚度为200mm的碎石垫层5，然后在碎石垫层上浇筑厚度为130mm膜袋混凝土护面6。

(3)如图4所示，围堰护顶进行袋装粘土10，然后上面铺设200mm厚的碎石护面。

采用本发明施工方法形成的围堰稳定性的各判断指标如：沉降速率vs≤10.0mm/d，深层侧向位移速率vm≤5.0mm/d，地表水平位移速率vf≤5.0mm/d，均满足有关规范要求，且隧道开挖及主体结构施工期间堰体均未出现渗漏水现象，经受住了多次台风考验，能够恨好的防止冲刷。本发明基于海洋环境下超大围堰施工工艺可为海底隧道工程、大型水坝工程、水利发电站工程等类似工程提高了可参考依据与经验指导。

在考虑到隧道主体基坑开挖方式、所处环境、施工工期以及质量安全方面，采用冲砂膜袋+钢板桩相结合的施工工艺。以往隧道采用盾构法、浅埋暗挖法、沉管法等施工工期长，工作面小；不能分段，同时施工。明挖隧道土石围堰、土袋围堰，防水、渗水效果差。明挖隧道钢板桩围堰，自稳性差，需加设钢支撑；明挖隧道钢筋混凝土板桩围堰，后期拆除费用较高。而采用本发明基于海洋环境下超大围堰的施工工艺。即采用冲砂膜袋+钢板桩相结合的施工工艺，围堰采用充砂膜袋，梯形断面结构，堰顶及围堰背水面坡脚各设置一道钢板桩止水帷幕。吸取膜袋围堰和钢板桩两者的优缺点，将两者的优点相结合，形成牢固、可靠的堰体。这样施工简单，可就地取材；施工速度快，能够缩短工期，为后续工作减轻压力；稳定性、耐久性良好，能够较好的防止冲刷，防洪水，抵抗台风；添加钢板桩止水帷幕，刚度更大，防渗性更好，能够达到非常好的隔水效果；围堰拆除方便、速度快；钢板桩可以周转使用，减少资金压力。

尽管上面对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。