某二線船閘基坑施工對(duì)既有一線船閘的影響分析

劉志軍，姜 燕，黃茂興，謝志杰

(1.廣東省源天工程有限公司, 廣東 廣州 511340；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；3.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635)

1 工程概況

廣東省某水利樞紐工程正常蓄水位為10.81 m，總庫(kù)容為3.018億m3，過(guò)閘流量大于5 000 m3/s，工程等別為Ⅰ等，規(guī)模為大(1)型[1]?，F(xiàn)有一線船閘為單線Ⅲ級(jí)船閘，船閘閘室有效尺寸為180 m×23 m×4.5 m(閘室長(zhǎng)×寬×門(mén)檻最小水深)，可通行船舶1 000 t級(jí)。為提高干流航道的通航能力，新建1 000 t級(jí)的二線船閘。二線船閘布置在既有一線船閘右側(cè)，兩閘平行布置，中心距為90 m，以上閘首上游面對(duì)其布置，二線船閘和一線船閘相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 二線船閘和一線船閘相對(duì)位置示意

二線船閘上閘首左側(cè)與一線船閘門(mén)庫(kù)段相接，二線船閘門(mén)庫(kù)段基坑與一線船閘門(mén)庫(kù)最近距離僅6.25 m；二線船閘閘室臨近一線船閘閘室及下閘首門(mén)庫(kù)，其中距一線船閘閘室最近距離為36.8 m，距下閘首門(mén)庫(kù)最近距離僅16.67 m[2]?？傮w上，二線船閘和一線船閘距離較近，二線船閘在地連墻施作、基坑開(kāi)挖時(shí)均可能影響一線船閘既有建筑物的受力和變形特征[3]。

二線船閘基坑采用雙排連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)方案，且存在較深厚砂層，本文采用有限元方法分析了二線船閘施工對(duì)一線船閘既有建筑物的影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了支護(hù)方案的可靠性以及加固措施的有效性。

2 工程地質(zhì)情況及力學(xué)參數(shù)

根據(jù)勘察資料[4]，一、二線船閘場(chǎng)地表層為填砂、填土，呈稍濕、松散狀，滲透性屬中等—強(qiáng)，場(chǎng)地內(nèi)主要的巖土層為：

1a層素填土：以粘性土為主，灰褐色，軟塑為主，土質(zhì)不均，含少量生活垃圾，局部含碎石。

1b層填砂：以中粗砂為主，部分為粉細(xì)砂，灰黃色，稍濕，呈松散—稍密狀，主要分布于上游引航道段。

1-1層粉質(zhì)粘土：呈軟塑—可塑狀；1-3層中粗砂：松散，承載力一般，中等—強(qiáng)滲透性；2-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：呈流塑—軟塑，不透水—微透水；2-3層粉細(xì)砂層，稍密—中密，滲透性中等—強(qiáng)，穩(wěn)定性差；3-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；4-1、4-3層圓礫土、卵石土，中密—密實(shí)，承載力較好，滲透性強(qiáng)。

下伏基巖主要為泥盆系天子嶺組中風(fēng)化灰?guī)r、灰質(zhì)頁(yè)巖及砂巖，承載力好，透水率大部分小于3 Lu。

船閘主體結(jié)構(gòu)段地質(zhì)縱剖面見(jiàn)圖2所示。主體結(jié)構(gòu)建基面位于2—3層粉細(xì)砂層，建基面以上為1-3、1b中粗砂層和2-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；建基面以下為4-3層卵石層和強(qiáng)、中風(fēng)化巖。各土層主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1[5]。

圖2 船閘主體結(jié)構(gòu)段地質(zhì)縱剖面示意

表1 各土層主要物理力學(xué)參數(shù)

3 二線船閘典型基坑方案及與一線船閘既有建筑物的位置關(guān)系介紹

3.1 二線船閘支護(hù)設(shè)計(jì)及與一線閘基礎(chǔ)情況說(shuō)明

典型基坑支護(hù)剖面如圖3所示，基坑左岸采用雙排地連墻支護(hù)，墻距為5.15 m，連續(xù)墻厚度為1.2 m，樁長(zhǎng)約為41 m，基坑頂高程為13.91 m，最低開(kāi)挖面高程為-8.64 m?；迂Q向設(shè)置3道支撐，支撐截面為1.3 m×0.95 m，支撐間距為6 m。右岸采用樁徑為1.2 m的單排地下連續(xù)墻，樁頂高程為8.0 m，樁長(zhǎng)為30 m，本次靠近一線船閘為左岸支護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖3 典型基坑支護(hù)剖面示意

二線船閘基坑結(jié)構(gòu)與一線船閘既有建筑物的相互關(guān)系分述如下：

1) 二線船閘上閘首門(mén)庫(kù)段基坑臨近一線船閘上閘首門(mén)庫(kù)，最近距離約為6.25 m，鄰近一線船閘上閘首及上閘首門(mén)庫(kù)段地基采用水泥攪拌樁和高壓旋噴樁加固。其中水泥攪拌樁樁徑為850 mm，樁的中心距為600 mm，高壓旋噴樁樁徑為800 mm，中心距為600 mm。

2) 二線船閘上閘首普通段基坑臨近一線船閘閘室段，最近距離約為36.8 m。鄰近一線船閘閘室段采用振沖+PHC管樁做地基處理。樁徑及樁間距同上。

3) 二線船閘閘室段鄰近一線船閘閘室，最近距離約為36.8 m。鄰近一線船閘閘室段地基采用振沖樁加固，樁徑及樁間距同上。

4) 二線船閘閘室段2-2斷面鄰近一線船閘下閘首門(mén)庫(kù)，最近距離約為16.67 m。鄰近一線船閘閘室段地基采用振沖樁加固，樁徑及樁間距同上。

3.2 主要施工保護(hù)措施

二線閘施工對(duì)一線閘保護(hù)有較大影響的關(guān)鍵措施如下：

1) 由于該工程地質(zhì)條件復(fù)雜，場(chǎng)地表層覆蓋砂層厚、巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。若地連墻施工遇到溶洞發(fā)生坍塌，容易危及到一線閘既有建筑物變形及安全。故在施工二線閘地連墻前，每槽地連墻均采用超前鉆查明每個(gè)槽段嵌入巖層是否存有溶洞、土洞，并對(duì)已探明巖溶區(qū)域，對(duì)地連墻兩側(cè)槽壁進(jìn)行預(yù)注雙液漿填充固化[5]，中間部位采用預(yù)注水泥漿的處理方法，從而提高抗巖溶局部坍塌的能力。

2) 為確保二線船閘施工上游引航道縱向圍堰及支護(hù)結(jié)構(gòu)不斷航，采用延伸法先行施工鋼棧橋片平臺(tái)，進(jìn)而利用鋼棧橋平臺(tái)施工復(fù)合擋土墻結(jié)構(gòu)中的大直徑鋼管樁形成上游縱向圍堰；為順利施工基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提供了有力的保障措施，也確保了相鄰的一線船閘運(yùn)營(yíng)不斷航[6]。

4 對(duì)一線船閘影響的有限元分析

4.1 計(jì)算模型

采用實(shí)體單元模擬各土層，地連墻、支撐、立柱及連板采用梁?jiǎn)卧M，并假定各土層均服從修正-摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，地連墻、立柱、支撐及連板則假定為彈性體。模型的邊界條件為：底邊固定約束、兩側(cè)法向約束、上部自由。對(duì)于一線船閘經(jīng)加固后的土層簡(jiǎn)化為復(fù)合土體，采用Midas/GTS NX內(nèi)嵌的加強(qiáng)土模型模擬。

施工順序模擬過(guò)程為：① 初始應(yīng)力場(chǎng)獲取，且位移清零；② 二線船閘地連墻施工；③ 基坑開(kāi)挖和支護(hù)體系施作。

4.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探資料結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)給定各土層的計(jì)算參數(shù)[7](見(jiàn)表2所示)。

表2 計(jì)算參數(shù)取值

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

1) 上閘首門(mén)庫(kù)段開(kāi)挖

二線船閘上閘首門(mén)庫(kù)段基坑支護(hù)體系包含左側(cè)格柵式雙排地連墻、右側(cè)單排地連墻、3道支撐和7道立柱。上閘首門(mén)庫(kù)及一線船閘既有建筑物有限元模型如圖4所示。各土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)表2選取。

圖4 上閘首門(mén)庫(kù)及一線船閘建筑物有限元模型示意

一線船閘上閘首及門(mén)庫(kù)地基經(jīng)加固處理后開(kāi)挖二線船閘上閘首門(mén)庫(kù)段基坑。開(kāi)挖完成后一線船閘上閘首及門(mén)庫(kù)變形情況如圖5所示。

(a)水平位移

(b)豎向位移

經(jīng)計(jì)算分析可知，一線船閘上閘首及門(mén)庫(kù)地基經(jīng)加固處理后再開(kāi)挖二線船閘上閘首段基坑時(shí)，一線船閘上閘首門(mén)庫(kù)產(chǎn)生的最大水平位移為10 mm，最大沉降為7.66 mm，均發(fā)生于門(mén)庫(kù)臨近二線船閘側(cè)頂部；上閘首產(chǎn)生的最大水平位移為0.87 mm，最大沉降為0.49 mm，均發(fā)生于上閘首臨近二線船閘側(cè)底部。由此可見(jiàn)，二線船閘上閘首基坑開(kāi)挖對(duì)一線船閘既有建筑物變形影響較小。

2) 上閘首普通段開(kāi)挖

二線船閘上閘首普通段基坑支護(hù)體系與上閘首門(mén)庫(kù)段相同，上閘首普通段及一線船閘閘室有限元模型如圖6所示。

圖6 上閘首普通段及一線船閘閘室有限元模型示意

一線船閘閘室段地基經(jīng)加固處理后開(kāi)挖二線船閘上閘首普通段基坑。開(kāi)挖完成后一線船閘閘室變形情況如圖7所示。

(a)水平位移

(b)豎向位移

經(jīng)分析可知，一線船閘閘室產(chǎn)生的最大水平位移為0.53 mm，發(fā)生于臨近二線船閘側(cè)頂部；最大沉降為0.044 mm，發(fā)生于臨近二線船閘側(cè)頂部。由此可見(jiàn)，二線船閘上閘首普通段基坑開(kāi)挖對(duì)一線船閘既有建筑物變形影響較小。

3) 閘室1-1段開(kāi)挖

二線船閘閘室1-1段臨近一線船閘閘室，其基坑支護(hù)體系包含左側(cè)格柵式雙排地連墻、2道支撐和5道立柱及右側(cè)單排地連墻。二線船閘閘室段及一線船閘閘室有限元模型如圖8所示。

圖8 閘室及一線船閘閘室有限元模型示意

一線船閘閘室段地基經(jīng)加固處理后開(kāi)挖二線船閘閘室段基坑(一線船閘閘室產(chǎn)生的變形情況如圖9所示)，開(kāi)挖時(shí)一線船閘閘室產(chǎn)生的最大水平位移為8.4 mm，最大沉降為3.2 mm，均發(fā)生于臨近二線船閘側(cè)上部。由此可見(jiàn)，二線船閘閘室段基坑開(kāi)挖對(duì)一線船閘既有建筑物變形影響較小。

(a)水平位移

(b)豎向位移

4) 閘室2-2段開(kāi)挖

閘室2-2段臨近一線船閘下閘首門(mén)庫(kù)，其基坑支護(hù)體系與閘室1-1段相同。閘室2-2段及一線船閘下閘首門(mén)庫(kù)有限元模型如圖10所示。

圖10 閘室及一線船閘下閘首門(mén)庫(kù)有限元模型示意

一線船閘下閘首門(mén)庫(kù)地基經(jīng)加固處理后開(kāi)挖二線船閘閘室基坑，一線船閘下閘首及門(mén)庫(kù)變形情況如圖11所示。

(a)水平位移

(b)豎向位移

計(jì)算可知，一線船閘下閘首門(mén)庫(kù)產(chǎn)生的最大水平位移為23.1 mm，發(fā)生于下閘首門(mén)庫(kù)臨近二線船閘側(cè)頂部，下閘首產(chǎn)生的最大位移為16.0 mm，發(fā)生于下閘首近二線船閘側(cè)頂部；下閘首門(mén)庫(kù)產(chǎn)生的沉降較小，而下閘首臨近二線船閘側(cè)上部產(chǎn)生的最大沉降為13.1 mm。由此可見(jiàn)，二線船閘閘室段開(kāi)挖對(duì)一線船閘下閘首及門(mén)庫(kù)變形有影響，但仍變形滿(mǎn)足規(guī)范[8]要求。

5 對(duì)一線船閘影響的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

為及時(shí)掌握二線船閘施工時(shí)一線船閘的變形動(dòng)態(tài)，在二線船閘施工前對(duì)一線船閘上閘首及門(mén)庫(kù)、下閘首及門(mén)庫(kù)、閘室及上、下游導(dǎo)航墻頂部布置了63個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)二線船閘施工期間一線船閘及中間土體的位移發(fā)展情況。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，二線船閘施工過(guò)程中一線船閘上閘首門(mén)庫(kù)、上閘首、閘室、下閘首、下閘首門(mén)庫(kù)等的累計(jì)水平位移量介于-3.0～22.9 mm之間，其中上閘首門(mén)庫(kù)段建筑物累計(jì)水平位移量在-3.0～22.9 mm間；上閘首普通段各測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移量介于-2.3～3.5 mm之間，變形量較??；下閘首普通段各測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移量介于2.2～7.9 mm之間，位移量較??；下閘首門(mén)庫(kù)段臨近二線船閘側(cè)各測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移量介于0.3～18.6 mm。

二線船閘施工過(guò)程中一線船閘上閘首門(mén)庫(kù)、上閘首、閘室、下閘首、下閘首門(mén)庫(kù)等的累計(jì)沉降量介于0.15～10.89 mm之間，其中上閘首門(mén)庫(kù)段建筑物累計(jì)沉降量在2.51～10.89 mm之間；上閘首普通段各測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移量較小，介于3.55～5.06 mm之間；閘室段臨近二線船閘側(cè)各測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移量介于0.51～5.61 mm之間；下閘首普通段各測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移量介于2.65～5.44 mm之間，位移量較??；下閘首門(mén)庫(kù)段臨近二線船閘側(cè)各測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移量介于1.81～7.74 mm。

有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析見(jiàn)表3，由表3可見(jiàn)，二線船閘施工對(duì)一線船閘建筑物雖有影響，但影響較小，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較吻合。

表3 一線船閘基坑開(kāi)挖鄰近建筑物位移統(tǒng)計(jì) mm

6 結(jié)語(yǔ)

廣東某二線船閘與既有一線船閘平行布置，二線船閘門(mén)庫(kù)與一線船閘門(mén)庫(kù)最近距離為6.28 m，二線船閘圍護(hù)結(jié)構(gòu)距一線船閘最近僅1 m，場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜，二線船閘基坑采用雙排連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)方案，本文采用有限元方法分析了二線船閘基坑施工對(duì)一線船閘既有建筑物的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。主要結(jié)論如下：

1) 總體而言，二線船閘基坑采用雙排連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)方案，其開(kāi)挖施工對(duì)一線船閘有一定影響，但影響較小。

2) 一線船閘上閘首產(chǎn)生的最大水平位移僅10 mm、最大沉降僅7.66 mm。觀測(cè)期內(nèi)，上閘首累計(jì)位移量最大值為22.9 mm、最大沉降量為10.89 mm，均滿(mǎn)足變形要求，說(shuō)明了支護(hù)方案的可靠性。

3) 相對(duì)其他部位，二下船閘施工對(duì)一線船閘下閘首和門(mén)庫(kù)的影響最大，水平位移最大達(dá)23.1 mm，最大沉降量達(dá)到13.1 mm，實(shí)測(cè)最大水平位移為18.6 mm、最大沉降達(dá)7.74 mm。實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本吻合，二線船閘施工對(duì)一線船閘下閘首變形影響較明顯，但仍滿(mǎn)足規(guī)范變形要求。