淺海隧道基坑雙排鋼板樁圍堰支護(hù)數(shù)值研究

楊鯉銘，康建旗

（天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

引 言

隨著海底基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，水中圍堰明挖基坑愈來愈多?，F(xiàn)有研究主要針對最常見的橋墩承臺水下圍堰基坑，一般采用鋼板樁圍堰+內(nèi)支撐深基坑形式，例如天津海河大橋[1]、杭州市跨京杭大運(yùn)河大橋[2]等，該類基坑的寬度和長度都較小。武漢東湖隧道[3]是比較典型的水下隧道圍堰基坑工程，但其圍堰與基坑圍護(hù)分離，間隔較遠(yuǎn)，監(jiān)測表明二者相互作用不明顯。

本文研究的雙排鋼板樁圍堰基坑工程位于深圳某海灣內(nèi)，該處地質(zhì)環(huán)境和水文條件極其復(fù)雜，圍堰與基坑距離較近，相互作用顯著，雙排鋼板樁圍堰穩(wěn)定性及基坑豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制是該工程重點(diǎn)研究問題。雙排鋼板樁多應(yīng)用在軟土地區(qū)或深基坑[4-5]，張玉成[6]等針對4個基坑設(shè)計中的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，結(jié)合理論計算優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，選取雙排鋼板樁方案，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。王風(fēng)梅[7]等通過有限元方法對比雙排鋼板樁的3種加固方案效果，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合加固的效果最好。晏明等[8]介紹了幾種常用的雙排樁結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的計算方法，結(jié)合有限元模擬優(yōu)化了比例系數(shù)法的土壓力分布，總結(jié)了雙排鋼板樁的排距優(yōu)化取值范圍。侯永茂[9]等通過監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)大跨度雙排鋼板樁具有三維空間效應(yīng)，分析得出圍堰前、后排鋼板樁的變形特性存在差異。目前針對水下雙排鋼板樁圍堰穩(wěn)定性及基坑變形特性分析研究甚少，對影響圍堰穩(wěn)定與基坑變形的各個因素，如雙排鋼板樁的插入深度、圍堰寬度、圍堰與基坑間距進(jìn)行研究，分析圍堰穩(wěn)定與基坑變形及其相互作用，將為施工設(shè)計提供理論依據(jù)及優(yōu)化方案，具有重要的工程實(shí)際意義。

1 工程概況

海底隧道選址場地為深圳市某海灣內(nèi)，隧道采用圍堰明挖法施工，圍堰型式為雙排鋼板樁，施工圍堰沿路線長度約1 600 m，起點(diǎn)和終點(diǎn)分別與海岸陸域段相接，隧道海域段采取分段分倉施工方式，沿線設(shè)置5處分倉獨(dú)立的施工區(qū)域，基坑擬采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

基坑全長91.7 m，開挖深度12.4 m。雙排鋼板樁之間填充吹填砂并通過鋼拉桿連接形成圍堰，鋼板樁厚度為0.4 m，內(nèi)側(cè)鋼板樁長22.9 m，外側(cè)鋼板樁長16.5 m，圍堰寬度為8 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 m厚的地下連續(xù)墻。豎向設(shè)置3道支撐，第一道支撐采用混凝土支撐，第二、三道支撐采用鋼支撐。雙排鋼板樁圍堰基坑斷面見圖1。

圖1 雙排鋼板樁圍堰基坑斷面示意

2 數(shù)值模擬

2.1 模型設(shè)置

許多學(xué)者采用FLAC3D數(shù)值研究方法對雙排樁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形等進(jìn)行研究和分析，計算結(jié)果與工程實(shí)測結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了FLAC3D數(shù)值軟件建立的計算模型是合理可行的[10-12]，本文也將采用FLAC3D數(shù)值軟件展開分析。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖對地表沉降影響范圍一般為開挖深度的3～4倍，對深度的影響范圍為開挖深度的2～3倍，基于平面應(yīng)變假定，建立二維平面模型，寬度為180 m，深度為48 m，共有5 346個單元網(wǎng)格，F(xiàn)LAC3D二維幾何模型見圖2。

圖2 FLAC3D幾何數(shù)值模型

土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，雙排鋼板樁與地下連續(xù)墻采用線彈性實(shí)體單元，鋼拉桿與支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元。地下連續(xù)墻彈性模量取值30 GPa，雙排鋼板樁彈性模量取值200 GPa，支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

固定X、Y、Z三個方向的位移為0，在自重應(yīng)力作用下完成土層沉積固結(jié)過程模擬，然后清除歷史位移與塑性區(qū)，按照實(shí)際施工順序分成5步施工工況進(jìn)行施工過程模擬，具體工況見表2；其中，在圍堰抽水過程中，鋼板樁圍堰的受力平衡狀態(tài)被打破，變成懸臂梁受力結(jié)構(gòu)，不斷受到外側(cè)海水的壓力作用，通過在圍堰外側(cè)施加三角形水壓完成該過程的模擬。

表2 施工過程

2.2 結(jié)果分析

在內(nèi)側(cè)鋼板樁樁長為22.9 m（插入深度15.3 m）、外側(cè)鋼板樁樁長為16.5 m（插入深度8.9 m）、圍堰寬度為8 m、距離基坑18.4 m的情況下（方案一），圖3為工況2～5開挖階段的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢，其中，地下連續(xù)墻在工況2清淤結(jié)束后完成施工，自工況3開始才受到開挖卸載的影響。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化

可以看出，隨著開挖進(jìn)程的不斷進(jìn)行，地下連續(xù)墻的水平位移量不斷增大；開挖初期，地下連續(xù)墻的水平位移變形較小，最大水平位移發(fā)生在頂部；開挖完成時，地下連續(xù)墻的水平位移達(dá)到最大，最大變形為3.62 mm，頂部受到水平向混凝土支撐的作用，使最大水平位移的位置下移。相對于開挖深度而言，此基坑工程的支撐與立柱設(shè)計數(shù)量足夠且剛度較大，故地下連續(xù)墻的變形受到限制，整體變形很小。雙排鋼板樁的水平位移逐漸增加，最大變形均發(fā)生在頂部，各工況變形趨勢一致；抽水與清淤過程完成后，鋼板樁發(fā)生較大的水平位移；在基坑開挖第一步（工況3），鋼板樁再次發(fā)生較大的水平位移，在開挖第二、三步，樁身幾乎沒有發(fā)生變形，原因是在基坑內(nèi)部開始施工水平向支撐，大大限制了鋼板樁的變形。內(nèi)側(cè)鋼板樁最大水平位移為26.57 mm，外側(cè)鋼板樁最大水平位移為30.52 mm，兩排鋼板樁變形趨勢及大小基本一致，內(nèi)側(cè)鋼板樁插入深度大，整體穩(wěn)定性比外側(cè)鋼板樁高，最終變形相較偏小。

3 圍堰設(shè)計參數(shù)影響分析

在方案一的基礎(chǔ)上，通過變化幾何參數(shù)得到不同的研究方案（表3），分別研究鋼板樁的插入長度、圍堰的寬度、圍堰與基坑的間距等因素對鋼板樁自身及地下連續(xù)墻的變形影響，分析基坑的穩(wěn)定性。

表3 研究方案

3.1 外側(cè)鋼板樁插入深度H1的影響

圖4為地下連續(xù)墻與雙排鋼板樁在不同插入深度H1下的水平位移變化趨勢。分析發(fā)現(xiàn)，不同H1方案的地下連續(xù)墻水平位移變形趨勢基本一致，水平位移沿墻身先增大后減??；地下連續(xù)墻的整體水平位移隨H1的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，說明H1存在優(yōu)化區(qū)間。不同H1的內(nèi)外側(cè)樁變形趨勢一致，變形大小幾乎不變，H1的增加甚至有增大樁頂水平位移的趨勢，改變H1對改善圍堰的穩(wěn)定性影響較小，若H1過大，被動區(qū)土壓力增加，會降低鋼板樁的抗傾覆能力，使樁頂水平位移略有增加。考慮到經(jīng)濟(jì)節(jié)省，外側(cè)鋼板樁的最佳插入比約為1.2。

圖4 外側(cè)鋼板樁插入深度對支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響

3.2 內(nèi)側(cè)鋼板樁插入深度H2的影響

圖5為地下連續(xù)墻與雙排鋼板樁在不同插入深度H2下的水平位移變化趨勢。

可以看出，隨著H2的增加，地下連續(xù)墻的水平位移逐漸減??；插入深度為15.3 m、20.4 m時，地下連續(xù)墻的水平位移幾乎相同，說明在插入深度大于15.3 m后對墻體變形影響不大。H2的增加會明顯改善內(nèi)、外側(cè)樁的水平位移；但是當(dāng)H2＞15.3 m后，H2的增加對樁身變形影響不大。綜合考慮技術(shù)安全與經(jīng)濟(jì)節(jié)省的目標(biāo)，內(nèi)側(cè)鋼板樁的最佳插入比約為2.0。

圖5 內(nèi)側(cè)鋼板樁插入深度對支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響

3.3 圍堰寬度B的影響

圖6為地下連續(xù)墻與雙排鋼板樁在不同圍堰寬度B下的水平位移變化趨勢。地下連續(xù)墻與雙排鋼板樁的水平位移隨著圍堰寬度B的增大而減小，原因是圍堰的寬度越大，剛度越大，抵抗變形的能力就越大。B=6 m時，地下連續(xù)墻、內(nèi)、外側(cè)鋼板樁的最大水平位移分別為3.8 mm、43.56 mm、49.06 mm，雙排鋼板樁的位移接近安全值?？紤]到技術(shù)安全、經(jīng)濟(jì)節(jié)省，建議圍堰寬度為B=8 m。

圖6 圍堰寬度B對支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響

3.4 圍堰與基坑的間距L的影響

圖7為地下連續(xù)墻與雙排鋼板樁在不同間距L下的水平位移變化趨勢。綜合分析，地下連續(xù)墻的水平位移隨著間距L的增大而減小，圍堰等效地面載荷，距離基坑越遠(yuǎn)，對基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響越小。圖中表明間距L對雙排鋼板樁的整體水平位移沒有影響，原因有兩個：

1）雙排鋼板樁自身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)沒有變化；

2）本次討論的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計剛度足夠大，基坑隨開挖產(chǎn)生的擾動非常小，水壓等其他外荷載對雙排鋼板樁的影響就更小。因此，可根據(jù)實(shí)際施工需要合理調(diào)整圍堰與基坑間距。

圖7 圍堰與基坑的間距L對支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響

4 結(jié) 語

本文運(yùn)用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值軟件，實(shí)現(xiàn)了具體工程的數(shù)值建模和變形分析，探究了不同圍堰設(shè)計參數(shù)對雙排鋼板樁、地下連續(xù)墻及基坑工程的影響，為工程設(shè)計提供了更多理論支持和優(yōu)化方案，給出了設(shè)計參考建議，并得出以下結(jié)論：

1）方案一地下連續(xù)墻、內(nèi)側(cè)鋼板樁、外側(cè)鋼板樁的最大水平位移分別為3.62 mm、26.57 mm、30.52 mm，均在安全值內(nèi)，符合安全要求。

2）隨H1的增加，地下連續(xù)墻的水平位移先增大后減小，內(nèi)外側(cè)鋼板樁的頂部水平位移略有逐漸增加的趨勢。外側(cè)鋼板樁的最佳插入比約為1.2。

3）內(nèi)側(cè)鋼板樁的插入深度H2對雙排鋼板樁的變形影響較大，H2的增加會明顯改善內(nèi)、外側(cè)樁的整體水平位移；隨著H2的增加地下連續(xù)墻的水平位移逐漸減小，說明有效地增加內(nèi)側(cè)鋼板樁插入深度對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性十分有利，但是超過一定范圍后，對抑制變形的作用不再明顯。內(nèi)側(cè)鋼板樁的最佳插入比約為2.0。

4）地下連續(xù)墻與雙排鋼板樁的水平位移隨著圍堰寬度B的增大而減小，圍堰的寬度越大，剛度越大，抵抗變形的能力就越大。

5）地下連續(xù)墻的水平位移隨著間距L的增大而減小，圍堰相當(dāng)于地面載荷，距離基坑越遠(yuǎn)，對基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響越??；對雙排鋼板樁的變形幾乎沒有影響。因此，可以根據(jù)實(shí)際施工需要合理調(diào)整圍堰與基坑間距。

采用數(shù)值模擬方法研究了方案一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下圍堰深基坑工程的變形與穩(wěn)定性。在方案一的基礎(chǔ)上，研究了外側(cè)鋼板樁插入深度H1分別為8.9 m、15.3 m、20.4 m時地下連續(xù)墻與雙排鋼板樁的水平位移變化，增大H1只在優(yōu)化區(qū)間內(nèi)起到改善結(jié)構(gòu)變形的作用；H2＞15.3 m后對雙排鋼板樁和地下連續(xù)墻的變形影響不大；B=6 m時，地下連續(xù)墻、內(nèi)、外側(cè)鋼板樁的最大水平位移分別為3.8 mm、43.56 mm、49.06 mm，雙排鋼板樁的位移接近安全標(biāo)準(zhǔn)值，考慮到技術(shù)安全、經(jīng)濟(jì)節(jié)省，建議圍堰寬度為B=8 m。

本文研究的圍堰深基坑工程，地處軟弱土層，因此對基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計過于保守，在研究雙排鋼板樁的插入深度、圍堰寬度以及圍堰與基坑的間距等因素對地下連續(xù)墻的變形以及基坑的穩(wěn)定性的影響過程中，地下連續(xù)墻均處于十分安全的狀態(tài)。通過研究圍堰與基坑支護(hù)的變形及穩(wěn)定能夠指導(dǎo)施工和設(shè)計，為相似工程提供理論借鑒。