某港池降水期間周邊老碼頭加固措施

于 健，付建寶

(中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222)

在地下水豐富地區(qū)基坑止水設(shè)計(jì)不僅要考慮坑內(nèi)滲透量是否經(jīng)濟(jì)，還須考慮水位下降引起的周邊建筑物的變形，主要包括地基的附加沉降和不均勻沉降[1-2]，這些變形是由于基坑降水及其引起的滲流使得土體中有效應(yīng)力改變而引起的[3]。降水時(shí)伴隨著地下滲流場(chǎng)變化，基坑周邊土體的穩(wěn)定性及變形問(wèn)題較為復(fù)雜，往往采用有限元法進(jìn)行分析[4-6]。

1 工程背景

大連灣海底隧道建設(shè)工程位于大連灣內(nèi)，起始于大連灣北岸梭魚(yú)灣規(guī)劃20號(hào)路，向南下穿大連灣海域、甘井子西航道、大連港北防波堤，在南岸大連港的三、四號(hào)碼頭之間港池登陸。工程平面位置見(jiàn)圖1。

圖1 工程平面位置

為了給南岸港池暗埋段隧道施工提供干作業(yè)條件，將在大連港三、四號(hào)碼頭之間的港池外側(cè)新建臨時(shí)圍堰，并分別在四號(hào)碼頭后方70 m處、三號(hào)碼頭后方85 m處及新建的臨時(shí)圍堰上設(shè)置止水結(jié)構(gòu)，將港池內(nèi)的水排干形成一個(gè)大型基坑，見(jiàn)圖2。大連港碼頭為20世紀(jì)30年代日本人所建，目前屬于文物建筑，須予以保護(hù)，且三號(hào)碼頭后方有32庫(kù)，而本次港池排水施工使得該老碼頭結(jié)構(gòu)的受力情況發(fā)生改變，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)和三號(hào)碼頭后方的32庫(kù)可能產(chǎn)生不利影響，因此須分析此次排水施工過(guò)程對(duì)碼頭穩(wěn)定性的影響。

圖2 港池止水結(jié)構(gòu)平面布置(單位：m)

2 工程地質(zhì)及水文情況

工程場(chǎng)地從上到下地質(zhì)情況如下：

①1素填土(Q4ml)：灰褐色，由碎石及黏性土組成，碎石主要成分為石灰?guī)r，碎石含量30%～70%，粒徑2～20 cm，稍密。

②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4m)：灰黑色，流塑-軟塑，略具腥臭味，有機(jī)質(zhì)含量高，含少量貝殼，干強(qiáng)度低，韌性低，稍有光澤，無(wú)搖振反應(yīng)。

③2粉質(zhì)黏土(Q4m)：黃褐色，可塑-硬塑，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等。

⑤2含碎石粉質(zhì)黏土(Q4al+m)：灰黃-黃褐色，可塑-硬塑，含10%～30%石英巖碎石、角礫，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等。

⑥角礫(Q3al+m)：黃褐色，成分為石英巖，粒徑0.5～2 cm，含量約60%，間隙充填黏性土和細(xì)砂，中密-密實(shí)，飽和。

3 碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

3.1 碼頭分析計(jì)算模型

對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的地基承載力、抗滑、抗傾覆以及整體穩(wěn)定性采用 《港口工程地基計(jì)算系統(tǒng)》(2008版)進(jìn)行分析，同時(shí)采用有限元軟件PLAXIS 3D對(duì)碼頭及周邊土體、建筑物進(jìn)行變形分析。

四號(hào)碼頭主要為沉箱重力式結(jié)構(gòu)、三號(hào)碼頭為方塊重力式碼頭結(jié)構(gòu)，且三號(hào)碼頭后方約15.2 m處為建筑物32庫(kù)，32庫(kù)為兩層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)為預(yù)制方樁。

荷載組合均按照短暫工況考慮，碼頭前沿20 m范圍內(nèi)的均布荷載均為15 kPa，四號(hào)碼頭前沿20 m范圍以外的均布荷載為10 kPa，三號(hào)碼頭前沿20 m范圍以外的均布荷載均為20 kPa。

典型分析計(jì)算斷面及其土層分布見(jiàn)圖3。

圖3 典型斷面及土層分布(單位：m)

3.2 模型計(jì)算參數(shù)

止水結(jié)構(gòu)上部為塑性混凝土防滲墻，厚度0.8 m，防滲墻進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化板巖4 m，底部采用帷幕灌漿，進(jìn)入中風(fēng)化巖6 m，帷幕灌漿雙排布置，排距0.7 m，每排孔距1.5 m。止水帷幕防滲墻厚800 mm，密度2.0 t/m3，彈性模量400 MPa，抗壓強(qiáng)度2 MPa，抗拉強(qiáng)度0.3 MPa，滲透系數(shù)≤1×10-7cms。主要地層計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要土層參數(shù)

續(xù)表1

3.3 碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

采用港口工程地基計(jì)算系統(tǒng)對(duì)降水前和港池排水完成后兩個(gè)工況進(jìn)行穩(wěn)定性及地基承載力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各斷面安全系數(shù)

由上述計(jì)算結(jié)果可知：

1)港池排水施工對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的抗傾覆、抗滑穩(wěn)定性是有利的。

2)港池降水施工對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和地基承載力是不利的，降水至海底面時(shí)，整體穩(wěn)定安全性降低比例為8.5%～11.0%，地基承載力安全系數(shù)降低17.4%～20.2%。

3)降水前碼頭地基承載力和整體穩(wěn)定性安全系數(shù)均不滿足目前國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范的要求(不小于2)，但該碼頭已正常使用將近百年，對(duì)于當(dāng)年日本相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不得而知。實(shí)際上國(guó)內(nèi)也存在一些老碼頭的地基承載力安全系數(shù)達(dá)不到現(xiàn)有規(guī)范要求，可認(rèn)為目前狀態(tài)碼頭結(jié)構(gòu)是安全的。

3.4 有限元整體變形分析

采用有限元分析軟件Plaxis 3D對(duì)降水施工過(guò)程中碼頭結(jié)構(gòu)及其周邊土體的變形進(jìn)行分析，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，在PLAXIS 3D中Mohr-Coulomb模型為彈性-理想塑性模型，理想彈塑性材料在塑性變形階段，應(yīng)力不增加，但應(yīng)變?cè)诓粩嗟卦龃?，其?yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖4。

圖4 理想彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線

計(jì)算模型以高水位(1.89 m)為模型初始水位，水位逐漸降低至-26 m，計(jì)算過(guò)程中考慮了水位下降土體中土體中孔隙水壓力的消散，四號(hào)碼頭典型計(jì)算斷面有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。三號(hào)碼頭典型斷面有限元模型中為顯示樁的存在將部分土層進(jìn)行了隱藏(圖6)。圖6為三號(hào)碼頭上32庫(kù)的樁基礎(chǔ)，最近的樁距離碼頭前沿15 m，每排樁間隔7.5 m，因而截取7.5 m的斷面建立如圖6計(jì)算模型。每排樁包括5組樁簇，每組樁簇的距離皆為7.5 m，中間3個(gè)樁簇包含4根樁，兩端樁簇包含3根樁。樁截面為邊長(zhǎng)0.4 m的正方形，樁端承載，樁深入強(qiáng)風(fēng)化巖0.5 m。三號(hào)碼頭典型計(jì)算斷面有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖5 四號(hào)碼頭典型斷面降水完成變形云圖

圖6 三號(hào)碼頭典型斷面有限元計(jì)算模型

圖7 三號(hào)碼頭典型斷面降水完成后變形云圖

土體變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，碼頭結(jié)構(gòu)變形情況見(jiàn)表4。

表3 典型斷面最大變形及其位置

表4 典型計(jì)算斷面碼頭結(jié)構(gòu)最大變形量統(tǒng)計(jì)

上述計(jì)算結(jié)果表明：港池內(nèi)降水施工使得碼頭周邊土體發(fā)生較大的位移。從碼頭前沿線往碼頭后方沉降變形先增大后逐漸減小，至防滲墻位置沉降量基本為0 mm，其中四號(hào)碼頭發(fā)生的最大沉降量為131 mm，位于距碼頭前沿線22.7 m處；三號(hào)碼頭發(fā)生的最大沉降量為12.2 mm，位于距碼頭前沿線10 m處；土體位移主要發(fā)生在碼頭前趾前方地基內(nèi)；碼頭結(jié)構(gòu)也發(fā)生明顯的變形。

4 碼頭防護(hù)設(shè)計(jì)

通過(guò)上述分析，南接岸港池降水施工使得三、四號(hào)碼頭的承載力和整體穩(wěn)定安全系數(shù)都有不同程度的降低，可能會(huì)導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，碼頭地面沉降和水平位移也較大，三號(hào)碼頭后方的32庫(kù)基樁可能發(fā)生折斷，因此應(yīng)采取必要的處理措施。但是該碼頭已投入使用80多年，目前碼頭結(jié)構(gòu)健康狀況和碼頭下方地基情況均無(wú)法完全探明，經(jīng)過(guò)綜合考慮，擬在碼頭前方新建臨時(shí)圍堰，并在其上打設(shè)止水結(jié)構(gòu)，止水結(jié)構(gòu)采用混凝土防滲墻結(jié)合帷幕灌漿的方式，墻厚80 cm，位于碼頭前沿6 m處，深入滲透系數(shù)不大于3×10-5cm/s的巖層(中風(fēng)化巖)6 m，見(jiàn)圖8。采取防護(hù)措施后四號(hào)和三號(hào)碼頭有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖8 碼頭防護(hù)方案斷面(高程：m；尺寸：mm)

圖9 碼頭防護(hù)后降水至海底時(shí)典型斷面位移云圖

由圖9可以看出，采取防護(hù)措施后，在臨時(shí)圍堰填筑及港池內(nèi)降水施工期間，結(jié)構(gòu)的位移主要發(fā)生在新填筑的臨時(shí)圍堰上，碼頭本身的變形明顯減小，見(jiàn)表5。

表5 碼頭防護(hù)前后沉降和水平位移

5 結(jié)論

1)港池降水施工對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的抗傾覆、抗滑穩(wěn)定性是有利的。

2)目前碼頭的整體穩(wěn)定性和地基承載力均不滿足相關(guān)規(guī)范要求，考慮到目前碼頭施工狀態(tài)可認(rèn)為是安全穩(wěn)定的，但降水施工使得碼頭整體穩(wěn)定性和地基承載力均有不同程度的下降，已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范要求。

3)通過(guò)有限元分析，港池降水施工過(guò)程中碼頭結(jié)構(gòu)后方及前趾下方地基均發(fā)生較大的變形，因此須采取措施予以加固。

4)采用碼頭前方新建臨時(shí)圍堰，并在臨時(shí)圍堰上設(shè)置止水結(jié)構(gòu)的加固措施后，在整個(gè)施工期間碼頭結(jié)構(gòu)的變形較小，可有效地保護(hù)現(xiàn)有碼頭。