1 引言
随着城市现代化建设不断推进与交通需求不断增长，交通基础设施建设得到迅速发展。然而，在跨海域及滨海地区进行交通工程建设时面临地基软弱、地层含水量高等挑战，为克服此类工程难题，围堰工程被广泛应用于复杂海域条件下的工程建设。由于该环境下地质条件复杂，水文条件具有较高不确定性，对围堰工程的质量与施工控制提出了更高要求。因此，系统研究复杂海域条件下堰筑法施工关键技术具有重要的现实意义。
目前关于围堰建设的研究主要针对内河地区。Chen等系统总结了3种封底混凝土极限应力的计算方法，并通过ANSYS有限元软件对具体模型进行了模拟，将计算结果与实测数据进行了对比。Shao等为提高钢围堰的安全性并尽可能降低成本，提出了基于响应面法与粒子群优化算法的多目标优化方法，对深水桥梁基础施工中的双壁钢围堰结构进行了优化，确定了内、外壁板的厚度，并通过有限元计算与试验进行了验证。Jiang等以工期最短、造价最低、质量最高为目标，建立了钢管桩围堰施工方案多目标优化模型，提出了一种改进的麻雀搜索算法，并依托长沙市济南大道工程验证了所提方法的有效性和优越性。上述研究并未充分涉及滨海地区特殊地质下的围堰建设。
关于复杂海域条件下的围堰工程研究多集中于桥梁围堰。祝兵等以某跨海大桥哑铃型围堰为原型，制作了1∶60围堰模型，采用波浪水槽试验系统，研究了波浪周期、波高等对围堰波浪力的影响。魏凯等提出了一种基于现场实测水压力的围堰波浪力计算方法，并依托平潭海峡公铁两用大桥B39号墩施工围堰，结合数值模拟进行了验证。段伦良等运用有限差分软件Flow-3D建立了水流作业下围堰周围海床冲刷的模型，研究了跨海桥梁施工过程中围堰周围流场特征及吃水深度、流速对围堰周围海床局部冲刷深度的影响。然而，现有研究中鲜有涉及复杂海域环境下超宽堰筑法隧道施工相关工程，随着交通建设规模扩大与工程条件日趋复杂，在复杂海域条件下进行超宽围堰法隧道建设不可避免。
鉴于此，本文依托深中通道东人工岛堰筑段隧道工程[，通过文献调研、项目类比、现场实践等方法，结合相关工程设计及地质勘察资料，梳理项目实施过程中的施工关键技术，如复杂海域超宽围堰设计、海域超宽围堰施工及稳定性控制、异形深大基坑开挖组织、海域隧道结构大体积混凝土防裂抗渗，形成一套复杂海域条件下超宽堰筑法隧道施工关键技术，以期为后续相关工程建设提供借鉴和参考。
2 工程背景
2.1 工程概况
深圳至中山跨江通道项目（以下简称深中通道）位于珠江下游核心区域，北距虎门大桥约30 km，南距港珠澳大桥约38 km，是我国“十三五”规划重大工程，也是集超宽超长海底隧道、超大跨海中桥梁、深水人工岛及水下互通于一体的集群工程。项目路线西起深圳侧沿江高速公路机场互通立交，向西跨越珠江口内伶仃洋海域，于中山马鞍岛登陆，止于横门互通立交，全长约24 km，其中海中段长度约22.4 km。
深中通道整体采用“东隧西桥”方案，其中隧道工程起于深圳侧东人工岛，以暗埋段形式下穿深圳侧沿江高速公路，出东人工岛后设堰筑段，而后以沉管隧道形式向西进入珠江，先后下穿大铲航道、机场支航道、矾石水道，最终至西人工岛。东人工岛堰筑段隧道位于深圳宝安机场南侧，紧邻福永码头（最近处距离围堰约50 m），设计里程为K6+550~K7+030，全长480 m。堰筑段隧道工程包含主线隧道及堰筑段范围内的F匝道和G匝道，是实现陆域隧道与海域沉管隧道衔接的关键过渡工程，其平面布置如图1所示。根据总体设计方案，东人工岛堰筑段隧道在围堰内采用变宽分叉隧道明挖现浇施工，围堰段隧道设计里程为K6+511.5~K7+072，沿隧道轴线长560.5 m，两侧宽度分别约为126 m和216 m，周长约1 393.4 m。
2.2 工程地质条件
工程所在地隶属华南褶皱系，地质条件相对复杂，地层复杂多变，其中淤泥层最大厚度达15 m，具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、渗透性低、承载力低、易触变与流变等特点。工程区间地质纵断面如图2所示，地层自上而下依次为回填中粗砂层、淤泥质土层、黏性土与砂类土层、花岗岩残积土层，底部为全风化花岗岩、强风化岩层和中风化岩层，以中风化岩层为主，堰筑段隧道岩土层特征见表1。详勘及补勘资料揭示，场地淤泥层厚度变化大、分布广泛，在工程所在地东北部、西南角范围均分布有深厚淤泥，导致地基稳定性极差，承载力为35～60 kPa，在荷载作用下易发生侧向滑移、挤出及不均匀沉降，进而导致围堰与基坑施工面临显著的不均匀沉降风险。
图1 深中通道东人工岛堰筑法隧道平面布置
图2 堰筑段隧道地质纵断面图
表1 堰筑段隧道岩土层特征
2.3 水文地质条件
项目位于珠江入海口，平均高潮位1.28 m，平均低潮位-0.18 m，最大潮差3.22 m，平均潮差1.47 m。场区地表水主要为雨水及堰体渗水，地下水包括松散岩类承压水和基岩裂隙水，其中松散岩类承压水主要赋存于砂砾层及含砾中粗砂层，基岩裂隙水主要为风化裂隙水和构造裂隙水。地下水对长期浸水条件下的混凝土结构具有弱腐蚀性，场区广泛分布的淤泥层、淤泥质土、黏土、粉质黏土具有较强的吸水能力，易导致土体滑移、突水突泥等工程问题，对工程建设造成不良影响。
3 工程设计施工重难点
（1）复杂海域超宽围堰设计受限东人工岛堰筑段隧道工程临近海域，地质条件复杂、地下水丰富、淤泥层厚度大且分布不均，不同于传统围堰设计，在设计中需考虑水位波动以及施工栈桥重载交通的影响。此外，工程位于深圳宝安机场南侧约3 km处，靠近机场起落航线，围堰高度受到严格限制。该围堰属超宽围堰工程，轴线长约560 m，周长约1400 m，工程体量大，围堰设计限制条件多、难度大。
（2）海域超宽围堰施工及稳定性控制困难围堰施工的安全性与稳定性对整个工程的建设质量具有重要影响，东人工岛堰筑段明挖隧道施工过程中，易发生钢板桩渗漏现象，且海域较大的水流冲击、水位变化及波浪荷载会增大围堰侧向压力及变形，进而影响围堰稳定性，造成施工安全隐患。
（3）海域异形深大基坑开挖组织复杂东人工岛隧道基坑属于异形深大基坑，基坑最宽处为72 m，最深处为20 m，呈不规则形状。场区地下水丰富，地质结构复杂，异形深大基坑开挖易导致地下水管涌、周边地面沉降、坑底隆起以及支护结构变形等问题。加之工期紧张、海上作业条件差，如何在保证工期、克服海上作业困难、解决工程变形问题的前提下顺利完成工程建设，是对施工组织的巨大挑战。
（4）海域隧道结构大体积混凝土防裂抗渗难度大东人工岛隧道基坑位于水中回填砂区段，淤泥层厚度大，地下水与海水水位相持平且相互贯通；堰筑段施工区位于水中，堰内陆域标高低于最低海平面约5 m，基坑体量大，长时间受海洋侵蚀环境影响，且下伏风化花岗岩，防渗水难度大，施工风险高。东人工岛堰筑段隧道为自建拌合站浇筑，隧道主体结构厚度大、尺寸大，由于采用分层浇筑的施工方式，先浇底板结构对后浇侧墙结构的约束极大，结构主体混凝土开裂风险极高。
4 海域临时围堰与基坑支护结构设计
4.1 海域临时围堰设计
一般内河围堰设计多采用钢套筒围堰，但存在钢套筒围堰拆除难度大、水下作业风险高等问题。东人工岛堰筑段隧道工程地质条件复杂，水位波动大，且受深圳宝安机场起落航线限制，大型围堰施工设备使用受限，因此不适合采用钢套筒围堰设计。钢板桩围堰因其强度高、施工灵活、防水性好等优点而逐渐得到广泛应用，但单排钢板桩水平位移较大，抗弯能力差。相比之下，双排钢板桩具有体积小、影响范围小、止水可靠、能承受较大变形及施工速度快等优点。综合考虑场地工程地质、水文地质和建设要求，结合双排钢板桩自身优势，依据《水利水电工程围堰设计规范》（SL645—2013）、《钢板桩支护技术规程》（T/CECS720—2020），最终确定采用双排钢板桩围堰设计，围堰及子围堰平面布置如图3所示。
图3 围堰及子围堰设计平面图
堰体标高+3 m，堰顶标高+6 m，堰宽10 m。钢板桩长度为30~33 m，内外排钢板桩之间采用钢拉杆连接，堰顶设L型扶壁式挡墙，围堰内采用膜袋砂反压以及膜袋混凝土护面，堰体内海平面以下8 m采用中粗砂换填，局部软弱土层采用旋喷桩加固。
同时，围堰外侧抛填块石，按1∶3边坡与抛石护脚顺接，抛石体顶宽10 m，顶标高-2 m，块石自上而下分别为50 cm厚级配碎石、50 cm厚二片石以及块石。
为尽早开展围堰内部施工，在围堰西侧增设一道子围堰，采用双排钢管桩结构（图4），顶部采用扶壁式挡墙（图5），挡墙东侧设1∶1边坡与基坑地面顺接，边坡自下而上为2 m厚块石、0.5 m厚级配碎石、土工布及袋装砂反压；西侧为顶宽10 m、顶标高-2 m的膜袋砂，按1∶3坡度设置边坡并与隧道顶板上方2 m 厚回填块石顺接，两者之间设0.5 m 厚级配碎石，上铺土工布。
图4 钢管桩子围堰剖面图（单位：cm）
图5 扶壁式挡墙子围堰剖面图（单位：cm）
4.2 基坑支护结构设计
针对东人工岛堰筑段隧道工程地质条件复杂、地下水丰富、淤泥层厚度大且分布不均、水位波动大的工程重难点，基坑支护采用1 m厚地下连续墙和钢管桩两种形式（图6）。其中匝道、②号基坑和③号基坑开挖深度较浅（13.21~16.60 m），支护结构采用一道混凝土支撑与ϕ80 cm钢支撑；①号基坑开挖深度较大（16.60~17.96 m），支护结构采用两道混凝土支撑与ϕ80 cm钢支撑。各段基坑开挖深度及支护结构形式见表2，部分里程处支护结构横断面如图7所示。可以看出，随着基坑开挖深度的不断加大，基坑支护主要通过增设ϕ80 cm钢支撑进行加强。
图6 支护结构设计方案平面
表2 堰筑段基坑开挖深度及支护结构形式
图7 支护结构横断面
5 海域堰筑法隧道施工关键技术
5.1 海域超宽围堰施工及稳定性控制技术
针对复杂海域地层含水量高、强度低、承载能力低、易发生不均匀沉降等工程难点，采用表层清淤、施设钢板桩、围堰地基处理等施工方法，以降低各因素对工程建设的干扰，保障复杂海域临时围堰施工顺利建设。钢板桩围堰平面施工顺序如图8所示，总体为：首先进行表层清淤，整体换填中砂至原海床面；随后打设内外排钢板桩，并在外排钢板桩外侧进行袋装碎石和袋装土护顶、块石抛填以及在内外排之间铺设土工膜；然后进行钢拉杆安装、堰体内中粗砂回填，并进行内排钢板桩内侧反压土坡施工，适时加固反压土坡下方软弱下卧层；最后进行围堰降水和内部场地平整，为围堰结构施工创造条件。
图8 钢板桩围堰平面施工顺序示意
进行清淤作业时，采用差分全球定位系统（DGPS）与HYPACK软件相结合的施工技术，实现对清淤过程的实时监控，有效避免超挖现象发生。主要做法为：在挖泥船上安装差分全球定位系统，陆地基准台与船台共用同一组卫星，通过观测、修正得到有效数据；利用HYPACK软件进行数据处理、实时修正等操作，在远程显示设计挖泥区段轮廓线、设计挖槽边线、挖泥运行轨迹及实时导航数据，实时反馈挖深、瞬时水位、挖槽横断面等关键数据。施工中结合导标法与实时动态GPS定位，勤打水砣，严格控制挖泥厚度，实现精准清淤。
钢板桩型号为U型750 mm×225 mm×14.5 mm，采用起重船配振动锤沉桩，并利用钢管桩安装双排槽钢作为定位导向装置，以桩尖设计高程为主要控制标准。针对局部淤泥较厚区域，适当增加桩长，确保桩端穿透残积粉质黏土层进入下层深度不小于2 m；通过套索检查后续桩与先打桩之间的锁口连接；针对钢板桩围堰施工完成后出现的局部渗漏，在围堰内侧打设旋喷桩止水，旋喷桩打入钢板桩底以下不小于1 m；此外，对外侧钢板桩及配套钢围凛、套管、托架等进行防腐处理，以应对海域腐蚀环境。
为控制因复杂地质条件可能引发的钢板桩渗漏现象以及围堰侧向压力和变形问题，对地质较差、施工后较薄弱的部位采用旋喷桩加固，主要包括新旧钢板桩接口位置的条形加固（桩长26 m和29 m）、钢板桩间及模袋砂区域淤泥层的条形加固（桩长0.7~6.7 m）、部分钢板桩变形较大位置的格构式加固（桩长18 m），以及钢板桩间的双排旋喷桩止水墙加固（桩长16 m）。旋喷桩设计桩径为0.7 m，间距为0.5 m，水泥浆液采用P.0.42.5普通硅酸盐水泥拌制，水灰比为1∶1。通过以上措施，有效保障了围堰的止水效果与整体稳定性。
5.2 海域异形深大基坑开挖施工组织
为降低复杂海域地质条件与地下水对异形深大基坑的影响，克服海上工程建设困难并确保工期，异形深大基坑开挖施工组织遵循“整体分区、分段顺筑”的基本原则。
堰筑段基坑区段划分如图9所示，包含主线隧道及F、G匝道隧道，其中主线隧道分为3个独立基坑。总体工序为：①独立开挖西端主线基坑与东端F、G匝道基坑；②顺序开挖东端主线基坑；③西端主线基坑开挖完成后，施工子围堰（图3），在子围堰与原钢板桩围堰形成整体、子围堰西侧回水后，拆除西端钢板桩堰体，开始E32管节相关水上工程作业；④开展中间主线基坑的顺序施工。
图9 堰筑段基坑区段划分示意
在分区施工基础上，堰筑段单个基坑按照“整体围护、降水辅助、竖向分层、纵向分段、先撑后挖、结构自下而上分段顺筑”的组织原则进行施工。主要工序为：场地平整；施作搅拌桩、地下连续墙、立柱桩、格构柱、降水井；掏槽浇筑冠梁、第一道钢筋混凝土支撑及栈桥；随后依次开挖土体，架设钢围檩与钢支撑，施加预加力；开挖土体至基底，设置泄水孔，浇筑素混凝土垫层、结构底板；继而依次浇筑侧墙、中隔墙混凝土，拆除支撑，回填覆土，封闭底板泄水孔。
单个基坑形成止水封闭后进行土方开挖及内支撑施工，各基坑均由西向东（由深到浅）单作业面施工。开挖前进行坑内预降水，土方采用分层分段台阶法开挖，遵循“分层、分步、对称、平衡、限时”原则，坑底土方开挖、封底与主体结构底板施工流水作业，直至完成基坑开挖。基坑纵向施工工序如图10所示。
5.3 海域隧道结构大体积混凝土防裂抗渗技术
针对海域隧道大体积混凝土防裂抗渗问题，通过素混凝土试验块缩尺模型、足尺模型等多尺度试验以及数值模拟研究，确定了适用于海域堰筑法
图10 基坑纵向施工工序
明挖现浇隧道主体结构的混凝土最佳配合比，见表3。其中，温控膨胀抗裂剂由钙镁复合膨胀剂与水化温升抑制剂复合而成；级配碎石中，小石（5~10 mm）与大石（10~20 mm）的质量比为3∶7。同时，结合《海工明挖隧道现浇混凝土结构收缩裂缝控制技术指南》（T/CHTS 10136—2024），明确了混凝土入模温度的控制要求（表4）。针对混凝土的抗腐蚀性能，对混凝土细骨料、粗骨料等技术指标提出了明确要求，确保混凝土的抗腐蚀性能符合《水运工程混凝土施工规范》（JTS 202—2011）、《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ275—2000）的相关规定。
为有效控制海域堰筑法明挖隧道超宽矩形结构大体积混凝土的裂缝与渗漏，开发了一套海工大体积混凝土智能温控及循环冷却水系统。在侧墙钢筋绑扎完成后按80 cm间距布置双层冷却水管，水管距侧墙混凝土表面50 cm。冷却循环水系统由外径40 mm，壁厚3 mm的焊接钢管、球阀、水泵、供水管、水罐等组成，侧墙冷却水管设计如图11所示，实际布置如图12所示。
表3 堰筑法明挖现浇隧道混凝土最佳配合比(单位：kg/m3)
表4 混凝土入模温度控制要求
图11 侧墙冷却水管设计（单位：cm）
6 实施效果与评价
东人工岛堰筑段隧道工程采用双排钢板桩围堰（图13）及子围堰设计（图14），建成后围堰稳定性良好，未对工程建设产生负面影响。堰筑段围堰顶部水平位移累计值的历时曲线如图15所示，大体积混凝土浇筑效果如图16所示。可见，采用双排钢板桩围堰及子围堰的设计方式，围堰变形得到有效控制，
保证了围堰施工的稳定性；采用合适配合比并配合智能温控与循环冷却水系统，浇筑形成的大体积混凝土仅出现少量渗漏和裂缝处，很大程度上保障了工程建设质量，满足了工程建设需求。
图12 侧墙冷却水管实际布置
图13 双排钢板桩围堰建成效果
图14 子围堰建成效果
图15 围堰顶部水平位移
图16 大体积混凝土浇筑实际效果
7 结论
本文依托深中隧道东人工岛堰筑段隧道工程，详细阐述了其工程特点及重难点问题，从超宽围堰设计、围堰施工稳定性控制、异形深大基坑开挖施工组织以及海域隧道结构大体积混凝土防裂抗渗方面总结了相应的关键技术措施。
（1）针对复杂海域地质条件下的超宽围堰设计，采用了双排钢板桩围堰及子围堰设计，使得建成后围堰稳定性良好，围堰结构变形几乎可以忽略。
（2）针对超宽围堰施工及稳定性控制，采用了差分全球定位系统与HYPACK软件相结合的清淤施工技术，在地质薄弱区域适当增加钢板桩桩长并采用旋喷桩加固，避免了钢板桩渗漏，减小了围堰变形，保证了围堰施工的稳定性。
（3）针对深大基坑开挖组织问题，提出“整体分区、分段顺筑”的总体组织原则，单个基坑按照“整体围护、降水辅助、竖向分层、纵向分段、先撑后挖、结构自下而上分段顺筑”的施工方法，有效保障了基坑施工按时按质完成。
（4）针对隧道结构大体积混凝土的防裂抗渗问题，提出了适合海域堰筑法明挖现浇隧道主体结构混凝土的最佳配合比，建立开发了海工大体积混凝土智能温控及循环冷却水系统，有效减少了大体积混凝土裂缝和渗漏现象的发生。