0 引言
港口、码头、隧道等工程的建设常常涉及到围堰施工。随着工程规模逐渐变大，再加上施工过程中易受影响，原来沿用的围堰形式已无法适用。模袋材料适合水力灌砂，用作模袋的土工织物具有透水但不漏砂的特性，近年来逐渐采用模袋砂围堰施工方法［1 － 2］。模袋砂围堰是一种较为新型的围堰技术，又称砂袋围堰或管袋围堰，它的施工原理是先用土工布缝制成袋型，人工安设在预定位置，然后用水力吹填的施工方法，将砂土充填入袋中，构筑成定型的围堰，随着砂土的脱水固结，很快形成一道挡水围堰。模袋砂围堰可根据不同的水深设计不同的围堰宽度，围堰越宽抗水压能力越强。由于围堰是由一个个大砂袋组成，因此只要宽度能达到一定的标准，它所形成的整体重量就可以抵御很强的水压力［3］。砂袋围堰及吹砂筑岛平台是在土袋围堰平台基础上的一种深化和发展，它适用于较大水深和流速情况下的河床，具有就地取材、施工工艺简单、工期短、投资小、拆除方便和不污染环境等优点［4］。模袋砂围堰施工集挖、装、运、卸过程于一体，主要靠船舶、机械施工，不但节省劳力，而且施工速度快、质量高［5］。
舟山海底沉管隧道采用外侧为充砂长管袋( 双排钢管桩模袋砂) + 内侧为黏土堰体，并在黏土堰体范围设SMW 工法桩。广州洲头咀隧道采用两侧为模袋砂+ 中部拉森钢板桩的堰体型式。国外自20 世纪60 年代末就开始采用塑性混凝土作为防渗墙体材料。1989 年我国首次将塑性混凝土用于福建水口水电站围堰防渗墙并获成功，随后在水电工程中推广应用。模袋砂围堰和塑性混凝土防渗墙相结合的堰体型式在国内内河沉管隧道中没有先例，本文以红谷沉管隧道充砂长管袋围堰为依托，介绍了赣江中游的充砂长管袋围堰施工顺序及工艺，铺排船、运砂船和吹砂船把砂水混合物吹填至内外侧编织袋中，形成内外侧充砂长管袋围堰，中部砂芯吹填砂与两侧充砂长管袋同步施工直至一期围堰顶部。三轴搅拌桩机加固吹填砂，金泰成槽机挖槽，并浇筑强度较低的塑性混凝土，形成3 层夹心防渗结构。围堰施工过程中提出了多项实用性强的设计变更，塑性混凝土防渗墙厚度从500 mm 调整至800 mm，解决了利用非常规小型成槽机无法挖岩的设备缺陷。二期黏土防渗斜墙调整为钢筋混凝土挡墙，加快了汛期堰体成型速度，保证了南昌老城区防洪安全。利用施工速度快、成本低、适用性强的聚丙烯编织布+小型砂包反压的轻型围堰护坡替代了劳动密集型砂卵石垫层和格宾石垫护坡，按期完成了围堰边坡防护。南昌过江沉管隧道特高特大型充砂长管袋围堰的成功建成，给国内内河过江通道的设计和施工提供了有力的技术保障，可为今后类似沉管隧道工程提供借鉴和参考。
1 工程概况
1． 1 地理位置
南昌红谷隧道穿越赣江，连接红谷滩新区与东岸老城区市政道路，距离上游南昌大桥1． 4 km，距离下游八一大桥2． 3 km。
1． 2 设计概况
端头整体两侧分离式充砂长管袋围堰轴线长约651 m，填筑高度约20 m，底部宽度约120 m，顶部宽度约10 m，填筑方量约80 万m3，分别在18． 5 m 高程和9． 7 m 高程设3． 0 m 宽的平台。堰体内外侧边坡坡比分别为1∶ 2． 5 和1∶ 3． 0，围堰边坡防护采用砂卵石垫层+ 格宾石垫。16． 7 m 以下围堰采用两侧充砂长管袋和中间砂芯横断面结构，在砂芯范围施工三轴搅拌桩槽壁加固和塑性混凝土防渗墙隔断赣江水。16． 7 m以上堰体外侧为黏土防渗斜墙，内侧为充砂长管袋。充砂长管袋围堰示意图如图1 所示。
1． 3 周边环境及地形
红谷隧道东岸围堰紧邻船舶，上游水政船舶距围堰约10． 0 m，下游海事船舶距围堰约50 m。围堰进入赣江主航道。围堰处河床高程为2． 8 ～ 18 m，河岸高程在18． 0 m 左右，江中端头河床高程2． 8 m，整个围堰座落在1∶ 26． 2 的斜坡地段。
图1 充砂长管袋围堰示意图
1． 4 地质水文环境
赣江河床以下地层主要是粗砂、砾砂、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩，岩层标高为1． 8 ～ 2． 0m。赣江4—6 月为主汛期，10 月—次年2 月为枯水期，汛期水位一般在18． 0 ～ 19． 0 m。根据历年赣江水文资料，水位16 ～ 18 m，流速0． 2 ～ 0． 5 m/s; 水位18 ～20 m，流速0． 5 ～ 0． 8 m/s; 水位20 ～ 22 m，流速0． 8 ～1． 2 m/s。
2 施工组织顺序
围堰采用“平面分区、竖向分层”的施工顺序，内外堰体及其中部砂芯同步施工，其间穿插围堰坡面防护工序。施工组织顺序: 清基—充砂长管袋施工至+18． 2 m、吹填砂施工至标高+ 16． 7 m—管袋砂固脚施工、黏土回填至标高+ 18． 2 m—塑性混凝土防渗墙施工— + 18． 2 m 以下护坡施工— + 18． 2 m 以上充砂长管袋施工— + 18． 2 m 以上黏性土防渗墙施工混凝土— + 18． 5 m 以上护坡施工—围堰顶泥结碎石路面和防浪墙施工。
3 施工准备及堰基清理
1) 抓斗船和运砂船并靠清理基底杂物和淤泥，特别是围堰防渗体系范围内的障碍物清理至关重要，直接影响到围堰防渗体系的封闭水效果，是围堰内基坑施工安全的关键因素。
2) 围堰充砂长管袋施工前，利用测深仪对围堰基础高程进行扫测，并分析测量数据，确定基础平整度是否满足施工要求，必要时安排潜水员水下探摸。对基础凹凸较大的区域，利用抓斗船水下整平围堰基底，局部采用充砂袋找平。充砂长管袋围堰基底质量检验标准见表1。
表1 充砂长管袋围堰基底质量检验标准
4 充砂长管袋及吹填砂施工
围堰范围内船舶迁移决定了施工组织顺序，先施工下游堰体，再施工上游堰体，最后合拢江中端头堰体，施工过程中2 次迎水作业。堰体底部河床标高从岸边往江中逐渐降低，按照先深后浅从江中往岸边逐步推进的方式进行施工。围堰首层内、外侧充砂长管袋施工顺序根据横断面方向河床高程确定，先施工标高较低的一侧。围堰即将出水面时，内侧堰体先行，外侧堰体随后，防止船舶被困在围堰内。内外侧堰体均按照3 层一个循环进行施工，同一层长管袋标高一致，特别是上、下游和江中端头堰体分离施工，给袋体标高控制加大了难度。
水下充砂长管袋施工利用铺排船、吹砂船和运砂船三船并靠作业; 水面以下3 m 充砂长管袋施工利用对拉船、吹砂船和运砂船进行施工; 水面以上充砂长管袋施工采用人工铺袋，利用吹砂船和运砂船进行充填施工。
围堰上游和下游区段从上游往下游垂直围堰轴线顺水流方向铺设充砂长管袋。围堰江中区段紧邻主航道，水流湍急并形成回旋区，铺排船无法抛锚定位，只能平行围堰轴线铺设充砂长管袋。
4． 1 充砂长管袋袋体设计
4． 1． 1 充砂长管袋尺寸
土工织物袋分层厚度根据5 年一遇3 月份月平均水位16． 6 m 来划分，16． 6 m 高程以上充填厚度0． 7m，16． 6 m 高程以下充填厚度为0． 5 m。
充砂长管袋采用透水性好、保砂性较好的单层聚丙烯编织布，每卷编织布宽度为6 m × 200 m，扣除缝制搭接0． 125 m，每幅布加工后，宽度为5． 75 m，充砂长管袋铺排船滚筒长度40 m。充分考虑堰体宽度、材料幅宽、加工场地大小、铺排船滚筒长度和河床坡度等因素，横向( 轴线方向) 用6 幅布，考虑到拼缝损耗，按照34 m 考虑。充砂长管袋编织布规格性能如表2 所示。
长管袋平面分为2 部分，前端为隔舱，主要作用是靠其模袋砂自重沉放定位，后部为长管袋袋体。施工区域水深和流速决定了隔舱的宽度，隔舱宽度小，长管袋无法通过自重顺利下沉，且沉放位置与设计位置偏差较大; 隔舱宽度大，隔舱充填砂重力过大造成袋体被撕裂。隔舱与第1 排袖口之间距离H = 赣江水位高度+ 水面至舢板底高度+ 舢板高度+ 1 m。其他每排袖口之间的距离为6 m，最后一排袖口距袋体端部之间的距离不大于3 m。围堰上下游长管袋沿轴线方向的长度均为34． 0 m，垂直轴线方向的宽度根据顶部堰体宽度和边坡坡度进行推算。当堰体宽度超过34． 0m 时，平行轴线方向布设多个袋体，当长管袋宽度小于34． 0 m 时，每个高程铺设一个袋体。长管袋袖口布置平面图如图2 所示。
表2 充砂长管袋编织布规格性能
图2 长管袋袖口布置平面图( 单位: m)
4． 1． 2 织物袋排布
施工前根据围堰设计图和现场地形情况绘制每层织物袋排布平面和整体纵剖面图，上下层袋体之间错缝距离不小于3 m，同一层袋体之间搭接不小于2 m。袋体在横断面方向上必须连续，不得分袋，即每个断面上每层袋体只能用1 个宽度足够的砂袋，纵向上袋体长度可根椐施工机具和现场条件确定［6］。以6． 0 ～6． 5 m 高程长管袋排布为例进行说明，下游外侧堰体布设7 个长管袋，每个袋子尺寸为34 m × 41． 8 m，内侧布设3 个长管袋。江中堰体外侧和内侧各布设2 个长管袋。上游外侧堰体布设11 个长管袋，每个袋子尺寸为34 m × 41． 8 m，内侧布设5 个长管袋。充砂长管袋围堰袋体布置平面和剖面如图3 和图4 所示。
图3 充砂长管袋围堰6． 0 ～ 6． 5 m 高程袋体布设图
4． 2 长管袋缝制加工
长管袋缝制采用FGB4 － 1 型大型厚料工业缝纫机，编织布采用6 层“丁缝”缝制，2道粗锦纶线，针脚间距≤7 mm，缝制后接缝强度符合设计要求。围堰长管袋形状呈矩形或异形，首先把编织布加工成袋体大小逐块铺在地面上，工业缝纫机沿编织布四周拼缝行走加工成型。加工时，拼幅缝制时移动缝纫机，并使前移速度与缝纫机针脚送布速度一致。拼缝设置在与上下层袋体的叠合部位，尽量避免通条出现在袋体两侧，确保袋体的接缝强度。缝制好后，折叠成形，堆放于阴凉干燥处，并注明袋体的尺寸、充填位置和序号［7］。长管袋“丁缝”缝制如图5 所示。
图4 充砂长管袋围堰布袋纵断面图
图5 长管袋“丁缝”缝制大样图
4． 3 充砂长管袋施工工艺流程及操作要点
4． 3． 1 施工工艺流程
充砂长管袋施工工艺流程如图6 所示。
图6 充砂长管袋施工工艺流程图
4． 3． 2 操作要点
1) 测量定位
河床至水面以下3 m 范围长管袋利用GPS 在定位船船舷边缘通过锚机绞前后锚调整船位的方式进行船体定位，充分考虑水流流速( 0． 6 ～ 0． 8 m/s) 和水深( 16 ～ 18 m) 对长管袋定位的影响，铺排船定位位置比设计往上游偏移2 ～ 3 m。长管袋定位及充填砂如图7所示。
水面以上长管袋采用全站仪控制长管袋轴线及边线，水准仪控制充砂袋的厚度，利用喷漆每隔5 m 在砂袋上进行边线划线定位，便于现场模袋定位。充填时先充砂袋四角，充砂厚度20 cm，将砂袋固定即可，然后由中间向四边各灌口充灌，既可保证砂袋的充灌厚度，也可保证砂袋不易移位。
图7 长管袋定位及充填砂照片
2) 展放长管袋
人工将砂袋平展在甲板上，将滚筒钢缆上的尼龙绳套在长管袋尾部拉环上，启动滚筒电动装置开始卷袋，当袋头第1 排充灌袖口处于船舷时停止卷袋。铺排船定位及展放长管袋如图8 所示。
图8 铺排船定位及展放长管袋照片
3) 充填砂施工充填砂为细砂，干容重为1 567 kg /m3，水下内摩擦角为21°，水上内摩擦角为23°，d85不大于0． 7 mm，含泥量小于5%。苏鑫工26 铺排船、运砂船和泰顺机899 吹砂船三船并靠，利用冲砂船上的液压水枪将水与砂按1 ∶ 0． 75 混合造浆，泥浆体积分数宜控制在20% ～ 45%，然后采用泥浆泵抽取混合浆通过输泥管输送充入砂袋中，充填饱满度宜为85% 以上，泥浆泵出口压力控制在0． 2 ～ 0． 3 MPa，工效1 500 m3 /d。
①充填隔舱。将充砂管插入隔舱进行充填，在充填过程中，安排人工来回踩踏或用木棍敲打砂袋，使土颗粒重新排列趋于紧密，加快袋体排水固结速度，待整个砂袋达到屏浆阶段，适当减少充填砂袋机械或停止充填，以防布袋爆裂，留有一定固结脱水时间［7］。
②充填及沉放长管袋。隔舱充填完成后，放下船舷的活动船板，在铺排船滚筒的控制下，利用隔舱内充填砂自重将长管袋沉入江底。隔舱沉至江底时，第2排袖口正好位于船板顶面，将第1 排袖口与第2 排袖口之间充填砂，并根据袖口排距确定铺排船移位长度。最后一排袖口在江底进行充填砂，充填管与长管袋袖口之间通过活扣绳固定，充填完成后，人工把活口绳和充填管拖至铺排船，以便重复利用。每层模袋砂充填完成后，应派潜水员探摸检查砂袋的坡比和搭接情况是否满足设计要求，指导下一层长管袋施工。长管袋充填砂及沉放如图9 所示。
图9 长管袋充填砂及沉放照片
管袋在水中下沉时，起初做加速运动，随着下沉速度的增加，抵抗管袋下沉的阻力也增大。当管袋的有效重力与所受的水流阻力相等时，管袋匀速下沉。长管袋的沉降力学特性可用沉速表征，管袋沉速与管袋的几何特性、填充度及河流的流速、含砂量有关［8］。
4． 4 中部砂芯施工
回填砂尽量与袋装砂同步进行，每完成高度2 m( 即大约4 层袋装砂高时) ，采用吹砂船直接将砂泵送至模袋砂之间。为了减少吹填砂的流失，回填砂回填标高均低于长管袋0． 5 ～ 1． 0 m，沿轴线方向滞后长管袋8 ～ 10m，泵送吹填砂时，应顺水流方向进行泵砂。特别注意施工前需固定好泥浆泵管，防止由于管理不善造成泥浆泵管头刮坏砂袋。
5 围堰防渗体系施工
5． 1 塑性混凝土配合比
塑性混凝土是一种水泥用量较低并掺有较多膨润土、黏土等材料的大流动性混凝土，水泥、膨润土用量以及其间的比例关系对塑性混凝土强度、弹性模量和渗透系数有很大的影响。为降低塑性混凝土的强度和弹性模量，提高混凝土的防渗能力，塑性混凝土膨润土掺量比较高，砂率一般都在60%以上［9］。现场根据试验确定的配合比进行试配生产，并在现场进行取样复核试验，塑性混凝土配合比及试验结果见表3。
表3 塑性混凝土配合比
5． 2 施工工艺
防渗墙两侧施工850@ 600 三轴搅拌槽壁加固至岩层，相邻两幅三轴搭接250 mm，该三轴搅拌桩具有一定的止水效果。为了加强防渗墙相邻幅段接缝止水，接缝范围三轴搅拌桩之间净距为750 mm，防渗墙成槽过程中，槽壁机直接挖掉一部分三轴搅拌桩，实现防渗墙接缝与两侧三轴搅拌桩的紧密结合。原设计防渗墙厚度为600 mm，入中风化泥质粉砂岩2． 0 m，饱和单轴抗压强度7． 8 ～11． 2 MPa。每幅防渗墙宽度7． 2 m。采用小径旋挖钻机+ 非标槽壁机组合工艺成槽具有工效低、施工时间长、安全风险大和入岩深度无法保证等缺点。通过研究和论证，把防渗墙厚度调整为800 mm，入岩深度保持2． 0 m 不变，并设单侧便道，采用常规金泰SD60槽壁机直接成槽，提高了工效，保证了防渗墙施工安全和止水效果，为围堰内基坑施工创造有利条件。塑性混凝土防渗墙槽壁加固平面如图10 所示。
图10 塑性混凝土防渗墙槽壁加固平面布置图( 单位: cm)
6 黏土防渗斜墙调整为钢筋混凝土挡墙
东岸围堰黏土防渗斜墙正值汛期施工，无法在赣江水位上涨至已完成堰体顶面18． 2 m 高程之前把堰体施工至24． 7 m 高程，围堰无法满足南昌老城区的防洪要求。经多方论证和研究，把18． 2 m 以上黏土防渗斜墙调整为钢筋混凝土挡墙( 如图11 所示) 。钢筋混凝土挡墙施工受天气的影响较小，可以分段多作业面组织施工，1个月完成了700 m 钢筋混凝土挡墙结构，满足了防洪要求。18． 2 m 以上堰体调整前后横剖面如图11 所示。
图11 18． 2 m 以上堰体调整前后横剖面图( 单位: mm)
7 围堰护坡施工
7． 1 施工准备
堰体边坡防护施工之前，对充砂长管袋袋体进行统一检查，修补赣江水面以上破损袋体，防止赣江水位上涨之后，水流冲刷袋体破损部位造成砂土流失，从而影响高水位堰体的稳定性。袋体缝补利用工业缝纫针人工修补，缝线利用充砂长管袋拼缝缝线，补丁大小根据破损处面积确定，补丁每边超出破损边缘10 cm。
7． 2 堰体外侧护坡施工
围堰18． 2 m 高程以下外侧护坡采用150 mm 厚砂卵石垫层+ 300 mm 厚格宾石垫，底部标高位于赣江水面以上1． 5 m，现场采用轴线方向分段、水平高程方向分层的方式平行组织施工，纵向每段长约20m，每段竖向分2 层进行组织施工。砂卵石垫层超前格宾石垫1 个区段，确保连续作业。格宾石垫施工需投入大量人力，工效极低。经过对安全质量、进度、环保和经济性等指标综合考虑，把护坡调整为聚丙烯编织布+ 小型沙包反压的护坡方式，按期完成了堰体护坡。
调整后的围堰护坡施工底部高程为水面以下2m，现场采用350 g /m2 的聚丙烯编织布直接覆盖在充砂长管袋上方，聚丙烯编织布上方水平向缝制加筋带，加筋带水平间距500 mm，沿着加筋带方向缝制加筋带绑扣，便于沙包与编织布固定牢固，加筋带绑扣间距0． 5 m。格宾网护坡和聚丙烯编织布+ 小型沙包反压的护坡如图12 所示。
图12 格宾网护坡和聚丙烯编织布+ 小型沙包反压的护坡
7． 3 堰体内侧护坡施工
围堰内堰体护坡为400 mm 厚砂卵石，为了加快施工进度，降低施工成本，调整为350 g /m2 的聚丙烯编织布护面。堰体护坡调整最大的问题是聚丙烯编织布的抗老化性，现场的编织布经过1 a 后，检测数据见表4。
表4 编织布1 a 后的强度数据
7． 4 堰体管袋砂固脚施工
堰体管袋砂固脚宽度为10 m、厚度为2． 0 m，沿着围堰外坡脚设置，主要防止外堰体坡脚处长管袋破损造成充填砂流失，影响堰体的稳定性。长管袋固脚同样采用铺排船定位，吹砂船把砂水混合体充填至长管袋中，但是由于袋体宽度较窄，利用铺排船定位工效低，且现场不具备布设2 艘铺排船的作业条件，为了确保堰体的安全稳定和施工进度，发明了一种新型的编织袋固脚做法。利用同规格的编织布加工成袋装水泥编织袋规格尺寸，编织袋内装填中粗砂并扎紧袋口，船舶把装中粗砂的小型编织袋运送至固脚轴线位置，采用人工抛填固脚，定期扫测确保固脚断面尺寸。
8 结论与讨论
南昌红谷隧道东岸围堰采用充砂长管袋堰体有如下优点: 1) 充分利用当地资源优势，堰体充填砂全部来自赣江，后期围堰拆除的砂弃之于赣江，在确保堰体安全稳定的前提下，最大限度地降低施工成本和围堰施工及拆除过程中对赣江的污染，实现了人与自然的和谐相处; 2) 充砂长管袋围堰施工速度快且便于后期拆除，历经5 个月完成了近80 万m3 的堰体，并经2 个月拆除完成; 3) 围堰堰体稳定性好，堰体内外水位差最大约20 m，且水位变化大，堰体最大沉降量为230mm，最大水平位移量为80 mm; 4) 围堰防渗效果好，通过在围堰坡脚设降水井及明挖排水沟等截排水系统，有效抽排了围堰渗漏水，保证了围堰内堰底10 m深基坑的施工安全。充砂长管袋围堰在沉管隧道工程及类似工程中具有推广价值。
在充砂长管袋围堰施工过程中也存在需要进一步优化解决的问题: 1) 堰体迎水侧受铺排船施工工艺的影响需设置拼缝，工业缝纫机针头会对裂膜丝聚丙烯编织土工布的纤维造成不同程度的破坏，该拼缝强度需采取措施进一步提高以满足设计要求; 2) 泥浆泵吹填细砂容易，吹填中粗砂较困难，容易堵管，无形增加了围堰施工成本，需开发一种专用冲砂泵用于吹填中粗砂; 3) 充砂长管袋围堰体是柔性结构，塑性混凝土防渗墙具有较大的弹性模量，可是防渗墙两侧的三轴水泥土搅拌桩强度较大，对防渗墙的变形具有一定的约束作用，需要发明一种加固砂层防止防渗墙成槽过程中槽壁坍塌的方法; 4) 堰体砂芯侧的充砂长管袋堰体边坡为1∶ 0． 3，不适用于动水作业条件，需进一步调整坡比或者增设边坡平台。
摘自：隧道建设