虹桥机场滑行道桥不停航施工前提下水上作业围堰选型分析及应用

1.1工程概况

为提升虹桥机场运行安全，减少东西向飞机穿越跑道，2019年虹桥机场实施绕滑道系统安全改造项目。主要设计理念为：在现有B滑两端新建中间绕滑道，与现有南北绕滑道连接，从而实现飞机起降分行，减少跑道穿越，提升机场运行效率和安全，见图1。

由于B滑向北侧延伸，与现有北侧绕滑道连接必须跨越机场现有调蓄水池（240 m×280 m），考虑该水池同时兼顾机场汛期调蓄及消防功能，因此在水池上方新建1座滑行道桥。该滑行道桥跨越北调蓄水池，桥长240.6 m，桥总宽45~50 m，桥面面积约为10 892.3 m2，滑行道桥采用钢筋混凝土刚构桥，结构基础采用钢管桩基础，见图2。

1.2机场特殊施工环境分析

滑行道桥在虹桥机场北调蓄水池内施工。北调蓄水池为虹桥机场内蓄水量最大的水池（以下简称蓄水池），主要作用为：当降雨量过大时，机坪及土面区积水汇集到排水沟，排水沟汇集至蓄水池，通过蓄水池东侧的出水口强排至外侧市政河道。因此，该水池担负着机场主要防汛任务，同时也兼顾消防功能，施工期间必须保证蓄水池的正常功能。蓄水池现状示意图见图3。

施工时必须在蓄水池内设置围堰，施工完成后予以拆除。本次施工区域位于跑道端300 m及中心线两端75 m保护区以外，所有的施工必须在不停航的前提下实施，施工要求如下。

1）电磁环境影响。施工区域整体位于I类保护非敏感区，施工对电磁环境影响可控，因此大型的施工设备使用受限。

2）净空限制。施工区域毗邻跑道端，净空控制是本工程不停航方案的核心要素，因此所有的施工工序以保障机场运行安全为前提，尽可能优化施工方案，减少对机场运行的影响。

3）禁区内对施工作业限制多。在正常情况下，禁区内停航后施工区域作业时间为每天00:00~06:00，考虑进场、退场及适航检查等环节，有效施工时间仅为5h。

1.1各类围堰对比分析

根据设计图纸及地勘报告，蓄水池底标高为-0.34~-0.39 m，水面设计标高为+2.0 m，现状水位标高+2.1 m。

根据地质报告及机场蓄水池实际工作环境，围堰方案有以下几种。

1）土围堰+土袋围堰双侧围堰（见图4）。调节池蓄水内最低水位降至1.3 m，汛期最高水位3 m。采用外侧1.8 m土围堰作为工作围堰，内侧采用3 m土袋围堰作为防汛围堰。

土围堰造价成本低，施工难度一般。但机场蓄水池有消防蓄水及汛期快速集流防汛要求，土围堰占据蓄水池面积过大，导致蓄水能力及防汛能力不能够满足规范要求；且土围堰所需的用土量较大，大量车辆进出对机场运营造成极大压力。

2）土袋围堰。土袋围堰相对占蓄水池面积比土围堰+土袋围堰双侧围堰占地面积小，但是单层土袋围堰止水效果一般，且本工程在蓄水池内施工持续1 a，需经历汛期，土袋围堰可能无法抵挡汛期雨水冲击，对围堰内施工人员和设备安全保障不足。

3）拉森钢板桩围堰（见图5）。桥宽45 m，最宽变截面50 m，在便道两侧各加宽10 m，在施工70 m宽的两侧采用拉森钢板桩围堰。

拉森钢板桩具有施工速度快、止水效果好等明显优势，且拉森钢板桩占用蓄水池使用面积少，可满足施工期间蓄水池的正常运营，故是围堰的最佳选择。

2.2钢板围堰受力计算

钢板桩围堰作为蓄水池内桥梁主体施工的防护和防水结构，除承受围堰外侧及底部土体和水压力外，还受汛期蓄水池水流的冲刷作用，围堰需满足如下条件。

1）在工作状态下，能够承受围堰外侧水压力，保证桩基、承台及上部主体结构顺利施工，且有充足的安全系数。

2）在非工作状态下，能够满足蓄水池内最高水位压力，承受台风天强降雨下水位漫入围堰的水流冲刷，允许局部有破坏但可修复。

围堰施工完成后应根据设计要求在围堰上布置各类观测点。若监测数据达到或超过预警值时，应及时向建设单位、设计单位报告，会同参建各方共同分析原因并采取相应的措施后方可继续施工。

1）钢板桩截面特性。本次内力计算采用增量法，支护结构安全等级为一级，支护结构重要系数γ0取1.00。钢板桩插入土中深度6.2 m，钢板桩总长9 m，无止水帷幕，无冠梁，见表1。

2）地质资料。根据地勘报告，蓄水池内地质情况见表2。

3）钢板桩围堰2种工况。

（1）工况一。钢板桩打设完成后，蓄水池围堰内抽水至-0.3 m标高，围堰内深度2.8 m，外侧受蓄水池内水压力作用，准备浇筑封底及加刚性铰前，钢板桩处于悬臂状态。

（2）工况二。围堰内混凝土封底完成，围堰内清淤完毕。

4）2种工况下钢板桩受力计算。采用瑞典条分法计算钢板桩在水压力下总体稳定性，用MIDAS计算2种工况下土压力、弯矩、位移及剪力。基本计算信息见表3。

工况一和工况二受力计算分别见图6、图7。

5）截面验算。基坑内侧抗弯验算（不考虑轴力），σnei=Mn/Wx＜f=215.000 MPa，满足基坑外侧抗弯验算(不考虑轴力)；σwai=Mw/Wx＜f=215.000 MPa，满足抗弯要求。其中，σnei为基坑外侧最大弯矩处的正应力，MPa；Mn为基坑内侧最大弯矩设计值，kN·m；Wx为钢材对x轴的净截面模量，m3；f为钢材的抗弯强度设计值，MPa；σwai为基坑内侧最大弯矩处的正应力，MPa；Mw为基坑外侧最大弯矩设计值，kN·m。

（3）嵌固深度验算。嵌固构造深度=嵌固构造深度系数×基坑深度=0.800×2.800=2.240 m，嵌固深度采用值6.200 m≥2.240 m，满足构造要求。

（4）嵌固段基坑内侧土反力验算。

工况一，PS=501.851≤EP=794.939，土反力满足要求。

工况二，PS=501.851≤EP=794.939，土反力满足要求。

其中，PS为作用在挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力合力，kN；EP为作用在挡土构件嵌固段上的被动土压力合力，kN。

由于蓄水池底为毛石，所以打桩前需对池底石块清理。本工程钢板桩围堰采用470长臂挖机带振动机械头振动插入。由于蓄水池位于跑道端头净空限高区域内，因此钢板桩打设施工内容需要等停航后实施。围堰施工钢板桩施工工艺流程见图9。

3.1钢板桩插打施工

由于本次施工位于东西2条跑道端头，施工区域净空有严格要求，为不影响后续施工工序的展开，在蓄水池内围堰施工时采取分块、分阶段、分时间段组织流水施工。

1）净空分析。插入钢板桩时，由于咬口插入，钢板桩顶标高为14.20 m，根据跑道平均标高3.8 m，需要净空为10.4 m，故按净空11 m分析飞行升降对施工的影响。西跑道起飞爬升与围堰施工相交叉，影响西北侧50 m范围内钢板桩施工（见图10）。此部分于8月26日~8月31日00:00~6:00完成（航后施工）。

西跑道降落与围堰施工相交叉，净高11m，对本次钢板桩施工无影响（见图11）。

东跑道起飞爬升与围堰施工相交叉，影响东北侧50 m范围内钢板桩施工（见图12）。

2）净空控制措施。根据净空分析，本次施工约有150m不满足正常通航情况下施工，其余部分在控制好净空限高的条件下可施工。对激光测距传感器模块进行改造，与报警器融为一体，见图13。设置在施工机械大臂与小臂连接处，对施工区域高度进行监测。当打桩听到报警声时立即停止，降低施工高度。

板桩围堰打桩从蓄水池中间开始，先对称定位桩，其余钢板桩以定位桩为基础向两侧打设并与相邻定位桩合拢，南北两侧与蓄水池池壁结合，见图14。

单桩打入法以一块一组，从中间开始逐块插打，直至工程结束。这种打入方法施工简便，可使打桩机行走路线短、速度快。

首根钢板桩打设完毕后，测量钢板桩的平面定位、标高和垂直度。白天用挖机将钢板桩驳运至每个施工段，提前启动机械，检查机械以确保在停航后第一时间进行施工。充分利用停航时间，合理安排每日施工，使机械利用率达到最大。

3.2钢板桩围堰合龙

钢板桩由中间向南北两侧施工至池壁边缘，与蓄水池边坡固结，另外还需要注意桩体的垂直度和尺寸，如果发现问题应及时调整。

3.3钢板桩插打质量控制

1）钢板桩施工顺序控制。施工前先挖除池底毛石，再进行定位桩放样。首根桩及定位桩打设完毕后测量，测量合格后以定位桩为基准向两端打设，直至合龙。

2）钢板桩垂直度控制。第一根桩打设后，对其平面位置、桩顶标高及垂直度进行测量，测量合格后，以第一根桩为基准打设其余桩；起吊后，将后一根桩对准前一根桩锁扣振动下沉，整个过程用铅锤控制垂直度，及时调整，合格后进行下一根施工。

3）钢板桩平面线性控制。定位桩与定位桩之间用钢丝连接，以定位桩为基准沿钢丝绳方向进行桩的打设，施工过程中用全站仪测量控制。

4.1钢板桩监测

为验证使用效果，施工完成后进行分阶段监测，防止变形过大影响施工安全。

1）变形监测点沿桥长方向布置，钢板桩桩身每边均布5个监测点。监测点用短钢筋与钢板桩焊接固定。

2）监测基准点设置2个，需可靠、稳定和牢固。

3）地坪沉降和基坑坡顶位移测量采用全站仪进行，在地坪和坡顶两侧每隔40 m混凝土布置六角钉观测点，用仪器监测基坑。

4）围堰使用初期，每天监测2次，位移及变

形稳定后每天监测1次，直至结构工程施工结束。特殊情况下加密监测。

4.2钢板桩围堰在不同水位下监测数据

根据监测数据，得到钢板桩围堰变形量随着现场水位升高逐渐变大，最大变形量为2020年7月汛期，水位高2.78 m，最大变形量36 mm，变形量在安全可控范围内；且渗水量较小，渗水通过明排水沟集流至排水井后排至水池内，渗水量远远小于2台泵的排水量，说明围堰工后止水效果明显且安全。截至目前本工程钢板桩围堰已施工完成近1 a，成功抵御汛期多次强降雨的考验，在保证机场防汛与机场运营的前提下，保证施工安全和工效。汛期中的围堰实景图见图15。

拉森钢板桩围堰具有施工速度快、止水效果明显等优点。此次其在上海虹桥机场区域内成功运用，保证国内最长滑行道桥的顺利施工，最大程度减少对机场运营、安全的影响。同时，也为后续机场领域不停航施工提供宝贵借鉴。