航運(yùn)樞紐二線船閘平面布置的優(yōu)化

航運(yùn)樞紐二線船閘平面布置的優(yōu)化

近年來，隨著我國(guó)沿江地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，內(nèi)河運(yùn)輸運(yùn)輸呈現(xiàn)出高、成本低、能源少、污染少等特點(diǎn)?，F(xiàn)有船閘規(guī)模小、航道等級(jí)低的局面越來越難以適應(yīng)快速增長(zhǎng)的內(nèi)河貨運(yùn)量需求，迫切需要提升船閘通過能力和航道等級(jí)來突破內(nèi)河航運(yùn)瓶頸。在船閘工程建設(shè)中常常采用增設(shè)具有建設(shè)難度較低、施工期通航基本不受影響、通過能力大等優(yōu)點(diǎn)的二線船閘，但是增設(shè)的二線船閘往往受到現(xiàn)有一線船閘建筑物、周邊土地資源、環(huán)境條件等制約，船閘平面布置調(diào)整余地有限。殷志權(quán)本文以上海油墩港航道整治工程?hào)|大盈船閘工程為例，通過分析原外河引航道駁岸結(jié)構(gòu)方案、導(dǎo)流堤結(jié)構(gòu)方案和閘室施工方案可能存在的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性差、施工風(fēng)險(xiǎn)大、環(huán)保性差等問題，提出外河引航道采用高樁承臺(tái)叉樁式駁岸結(jié)構(gòu)、外河導(dǎo)流堤采用高樁墩臺(tái)導(dǎo)流堤結(jié)構(gòu)、閘室施工采用SWM工法基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)等優(yōu)化方案，解決了由于受空間限制、資源緊缺和環(huán)保壓力情況下建造二線船閘等技術(shù)難題。1引航道和閘室布置條件東大盈船閘位于油墩港河道北端吳淞江處，主要承擔(dān)通航任務(wù)，現(xiàn)因航道升級(jí)需要，擴(kuò)建二線船閘。其中一線船閘位于現(xiàn)河道中心，建于1978年，閘首口門寬12m，閘室長(zhǎng)300m，寬14m，實(shí)際通航300噸級(jí)船舶。船閘外閘首向北距吳淞江約430m，距東大盈水閘泄水支流約100m，向南距中心河約1350m;新建二線船閘布置在一線船閘東側(cè)，為500噸級(jí)船閘，其有效尺寸為190m×23m×4.64m(長(zhǎng)×寬×檻上水深)。根據(jù)新建二線船閘規(guī)模和位置的要求，其布置受到上下游吳淞江、中心河、一線船閘及居民區(qū)的限制(圖1)。考慮結(jié)構(gòu)布置需要、施工管理等因素，外閘首與現(xiàn)有船閘內(nèi)閘首齊平;考慮盡量減少征地拆遷，尤其是減少對(duì)東側(cè)居民區(qū)影響，確定兩閘首軸線間距離約83.8m，閘室西邊線距現(xiàn)有油墩港河道東岸線約49.0m，新建二線船閘外引航道駁岸離居民區(qū)約23m。因此，二線船閘閘室與閘室錯(cuò)開布置，二線船閘外閘首公路橋與一線老船閘公路橋在同一軸線上。引航道的平面布置采用不對(duì)稱型，直線進(jìn)閘，曲線出閘布置，靠船建筑物布置在引航道東側(cè)本工程具有以下特點(diǎn)、難點(diǎn):1)周邊環(huán)境復(fù)雜，場(chǎng)地狹窄，施工風(fēng)險(xiǎn)高。二線船閘工程雖位于現(xiàn)有一線船閘東側(cè)陸上，閘室與閘室錯(cuò)開布置，但由于一、二線船閘軸線間距離較小(約83.8m)，特別是二線船閘外河輔導(dǎo)航墻和調(diào)順段駁岸前沿線與一線船閘閘室邊線距離僅34.5m，且外河導(dǎo)流堤駁岸線近一線船閘口門處與現(xiàn)河道駁岸線凈距最小僅7m，顯然增加了維護(hù)現(xiàn)有一線船閘等構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全和控制施工風(fēng)險(xiǎn)等難度。2)地質(zhì)條件差、開挖深度大。根據(jù)本工程地質(zhì)報(bào)告，引航道駁岸、閘室基礎(chǔ)幾乎都座落于軟土上，其從上到下的土層分別是(1)3)地質(zhì)水文條件差。根據(jù)本工程地質(zhì)報(bào)告，在整個(gè)船閘工程的坑底附近存在(3)4)建設(shè)規(guī)模大、土方開挖量大，環(huán)保壓力大。船閘有效尺寸為190m×23m×4.64m(長(zhǎng)度×寬度×檻上水深)，上、下游引航道長(zhǎng)共計(jì)970m，基坑開挖面積達(dá)9158m5)使用要求高。在二線船閘施工期間，不得斷航及影響現(xiàn)有一線船閘的通航安全和防洪排澇的安全。2結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化2.1外河軌道走廊涂料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化2.1.1低樁承臺(tái)直立式駁岸結(jié)構(gòu)施工難點(diǎn)根據(jù)總平面布置需要，新建二線船閘閘室與一線船閘閘室錯(cuò)開布置，二線船閘閘室位于一線船閘內(nèi)閘首南側(cè)，結(jié)果導(dǎo)致二線船閘外河輔導(dǎo)航墻和調(diào)順段駁岸前沿線與一線船閘閘室邊線距離僅34.5m，經(jīng)過邊坡穩(wěn)定等驗(yàn)算，理論上能滿足大開挖施工空間的需要，為此原外河輔導(dǎo)航墻和調(diào)順段駁岸結(jié)構(gòu)采用常規(guī)的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的低樁承臺(tái)直立式駁岸結(jié)構(gòu)(圖2)。但該方案存在施工期間可能引起閘室沉降、位移等使用風(fēng)險(xiǎn)。1)由于基坑開挖較深，且開挖土體指標(biāo)較差，經(jīng)放坡后，開挖坡頂線距離現(xiàn)有河道駁岸線不足5m，加之一線閘室閘墻為漿砌條石結(jié)構(gòu)，整體性較差，基坑開挖期間易造成閘墻側(cè)向變位而破環(huán)。2)由于坑底附近存在中透性粉砂層，與一線閘室底下基礎(chǔ)具有較強(qiáng)的連通性，采用常規(guī)輕型井點(diǎn)降水進(jìn)行基坑開挖而未采用攪拌樁或旋噴樁等止水、截水措施，不僅存在流砂管涌等較大施工風(fēng)險(xiǎn)，而且容易造成閘室結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)處地下水位下降產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不均勻沉降等破壞閘室結(jié)構(gòu)問題。3)由于采用大開挖和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，土方開挖量大和灌注樁施工產(chǎn)生的廢棄泥漿等會(huì)產(chǎn)生較大的環(huán)境負(fù)面影響，不符合新時(shí)代生態(tài)文明建設(shè)要求。4)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，施工工期較長(zhǎng)，施工質(zhì)量不易保證，且存在軟土坡面圍護(hù)難等技術(shù)問題。因此，有必要對(duì)原外河引航道駁岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，宜選用一種對(duì)閘室無結(jié)構(gòu)安全和使用安全影響且經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性好的駁岸結(jié)構(gòu)方案。2.1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案綜合考慮外河引航道駁岸的高度、地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)，本駁岸采用高樁承臺(tái)叉樁式駁岸結(jié)構(gòu)方案更加合適(圖3)。其主要優(yōu)點(diǎn)如下:1)該結(jié)構(gòu)不但適應(yīng)施工空間狹窄情況，而且只是淺部開挖，開挖邊線遠(yuǎn)離一線船閘閘墻，可確保其閘墻安全，且可減少對(duì)現(xiàn)有一線船閘地面道路等構(gòu)筑物破環(huán)范圍，節(jié)省工程投資。2)由于該結(jié)構(gòu)開挖較淺，土方開挖量大大減少，也減少了對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，減輕了環(huán)保壓力。3)基坑開挖面上移進(jìn)入弱透水層，并且位于施工常水位之上，降低了流砂、管涌危害，以及因降水帶來周邊建筑物不均勻沉降等安全隱患。4)該結(jié)構(gòu)采用前板樁后叉樁的方案，不僅充分發(fā)揮了承臺(tái)板卸荷作用而減少板樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力，而且充分發(fā)揮叉樁抵抗水平力能力強(qiáng)的作用，使得結(jié)構(gòu)方案更加經(jīng)濟(jì)、合理。同時(shí)，前板樁和叉樁可進(jìn)行工廠化預(yù)制，與原結(jié)構(gòu)鉆孔灌注相比施工更快、更環(huán)保。該結(jié)構(gòu)采用有限元程序進(jìn)行建模，按照m法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，m值按照《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中板樁碼頭要求選取;樁基也根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)樁基規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，樁基施工要求采用靜壓樁施工工藝以減少震動(dòng)對(duì)現(xiàn)有建筑物的影響。2.2高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)方案由于新建二線船閘與一線船閘、東大盈水閘之間距離較近，為減少一線船閘和東大盈港水閘泄水對(duì)二線船閘外引航道水流流態(tài)的影響，以及減少船舶航行的互相影響，確保船舶運(yùn)行安全，考慮在一、二線船閘之間設(shè)導(dǎo)流堤，位置見圖1。其中，外導(dǎo)流堤長(zhǎng)405m，外導(dǎo)流堤岸線均以圓弧與現(xiàn)有河道駁岸平順連接。從平面布置上看，導(dǎo)流堤總體寬度較小，尤其是外導(dǎo)流堤近一線船閘口門處，二線船閘駁岸線與現(xiàn)河道駁岸線凈距最小僅有7m。原設(shè)計(jì)考慮，為方便施工、節(jié)約投資，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的低樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)方案，施工方案采用在一線船閘引航道上即外河側(cè)設(shè)置雙排鋼板樁大圍堰，進(jìn)行大開挖干施工，并要求拆除現(xiàn)有駁岸而一起重建(圖4)。其主要不足是在一線船閘口門處設(shè)置大圍堰，縮小了一線船閘口門引航道有效運(yùn)營(yíng)的寬度，影響一線船閘的正常運(yùn)行，其次采用圍堰大開挖施工工藝，水上施工風(fēng)險(xiǎn)較大、施工工期較長(zhǎng)。為避免對(duì)一線船閘運(yùn)行影響和減少施工風(fēng)險(xiǎn)及縮短工期，擬采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，墩臺(tái)以下設(shè)置3排ue788800mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)25m，靠近二線船閘的外引航道側(cè)設(shè)一排200mm×500mm隔流板樁，樁長(zhǎng)11m，該結(jié)構(gòu)在二線船閘駁岸側(cè)采用長(zhǎng)短樁結(jié)合，近現(xiàn)河道駁岸側(cè)采用疏樁，施工水位以上再現(xiàn)澆墩臺(tái)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是:1)充分利用現(xiàn)有陸域條件來施工樁基和墩臺(tái)，將水工施工工藝全部轉(zhuǎn)化為陸上施工工藝，不僅避免水上施工的風(fēng)險(xiǎn)，而且避免施工期間對(duì)一線船閘運(yùn)營(yíng)的影響;2)采用長(zhǎng)短樁組合結(jié)構(gòu)，充分利用長(zhǎng)樁抵抗水平土壓力等整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，減少了樁基工程量，節(jié)約工程投資。高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)采用有限元程序進(jìn)行建模，按照m法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，m值按照《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中板樁碼頭要求選取;樁基也根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)樁基規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。高樁墩臺(tái)隔導(dǎo)流堤結(jié)構(gòu)2.3．3結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)閘室是船閘的重要組成部分，占工程投資比重較大，結(jié)構(gòu)方案是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。本工程在充分考慮京杭大運(yùn)河上船閘和上海地區(qū)船閘運(yùn)行特點(diǎn)及相關(guān)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出“U”形整體式結(jié)構(gòu)、扶壁式閘墻整體式結(jié)構(gòu)和扶壁式閘墻分離式結(jié)構(gòu)3種方案，并經(jīng)過結(jié)構(gòu)整體性、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、抗?jié)B性、土方開挖量、工期、經(jīng)濟(jì)性等綜合比選，最終推薦采用整體性好、影響范圍小、土方開挖量較小、工期較短、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)的“U”形整體式結(jié)構(gòu)方案。但上述3種方案，原設(shè)計(jì)均采用了放坡大開挖+輕型井點(diǎn)降水的的施工工藝，其不僅要求有足夠的開挖空間，而且要求環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)較低。從平面布置情況可知，二線船閘閘室邊線離現(xiàn)有河道駁岸線較近，加之閘室開挖深度較大、地質(zhì)較差，放坡開挖后的邊坡線自然離現(xiàn)河道駁岸較近，施工期間又要降水，現(xiàn)有河道駁岸極易產(chǎn)生水平外移和沉降，甚至影響到船閘正常使用，另外，大開挖的總體土方開挖量大，墻后回填量也大，對(duì)環(huán)境造成極大的負(fù)面影響。為減少對(duì)周邊環(huán)境的影響、減輕環(huán)保壓力，設(shè)計(jì)提出引進(jìn)土建基坑工程中常采用的SMW工法基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案，支撐體系采用1道鋼筋混凝土支撐+1道坑鋼支撐。該方案優(yōu)點(diǎn):1)占用施工場(chǎng)地小，能遠(yuǎn)離現(xiàn)有河道駁岸，環(huán)境影響小;2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中三軸攪拌樁內(nèi)的內(nèi)插H型鋼可重復(fù)回收利用，經(jīng)濟(jì)性好、施工便捷;3)采用垂直開挖閘室，大大減少土方開挖量和墻后回填量，對(duì)環(huán)境二次污染最小?；訃o(hù)相關(guān)計(jì)算按上海市《基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行，SMW工法基坑圍護(hù)剖面見圖6。3高樁駁岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案1)增建二線船閘的結(jié)構(gòu)方案直接關(guān)系到一線船閘的結(jié)構(gòu)安全及使用安全，對(duì)其使用條件、周邊環(huán)境條件、施工條件、環(huán)保要求等多方面分析研究，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的意義。2)根據(jù)外河引航道所面臨的環(huán)境條件分析，提出高樁承臺(tái)叉樁式駁岸結(jié)構(gòu)方案代替原低樁承臺(tái)駁岸結(jié)構(gòu)方案，不僅確?，F(xiàn)有一線船閘在外引航道駁岸施工期間的結(jié)構(gòu)安全及