雙排鋼板樁圍堰在如意坊隧道工程中的應用

羅志安，游嬋林

(廣東珠榮工程設計有限公司，廣東 廣州 510610)

鋼板樁最初主要應用于工民建的深基坑支護，由于其施工快速方便、擋土止水防滲效果較好，且鋼材可回收重復利用，故在水利工程導流圍堰使用中愈加廣泛。雙排鋼板樁圍堰相較于常規(guī)土石圍堰，具有結構自身剛度大、整體性好、止水效果好、施工周期短等特點[1]，為軟土地區(qū)常用的圍堰結構形式之一。但雙排鋼板樁圍堰結構受力復雜，對支護結構的受力和變形，以及樁—土共同作用的機理等問題的研究有待進一步完善[2]，在國內并未形成相關的設計與施工規(guī)范，理論研究遠落后于實踐。

1 工程概況

如意坊隧道位于廣州市荔灣區(qū)，東起內環(huán)路如意坊立交，向西南下穿珠江后與芳村大道通過相連，主線全長為1 511 m，其中岸上敞開段長為396 m，岸上暗埋段長為497 m，江中沉管段長為618 m。暗埋段為現(xiàn)澆施工，與沉管接頭部位位于河道內，需要在圍堰的圍蔽下進行干地施工。

2 工程地質條件

場區(qū)地貌屬珠江三角洲沖積平原，覆蓋土層主要有全新統(tǒng)海陸交互相沉積層(Q4mc)淤泥、淤泥質土、淤泥質砂、砂土，上更新統(tǒng)沖積層(Q3al)粘土、粉質粘土、砂土，殘積層(Qel)；下伏基巖主要為白堊系大塱山組三元里段(K2d1)灰?guī)r質礫巖、含礫粉細砂巖和黃花崗段(K2d2)粉砂巖、泥質粉砂巖、泥巖夾灰?guī)r、泥巖夾粉砂巖等。圍堰鋼板樁主要嵌固在表層淤泥及深厚淤泥質細砂層中，其中淤泥層厚為0.6～4.2 m，含有機質0.83%～13.6%，天然含水量為40%～65%，液性指數為1.45～1.6，孔隙比為1.3～1.6，壓縮模量為1～3 MPa，屬高壓縮性土，N=1.0～4.0擊，平均為1.8擊；淤泥質細砂層厚為5.5～13.6 m，飽和松散，顆粒不均勻，局部相變?yōu)榉邸⒓毶?，N=2.0～9.0擊，平均為5.1擊。

圍堰基礎水下地層分布及圍堰填料物理力學性質見表1所示。

表1 圍堰基礎土層分布及力學指標

3 圍堰設計

1) 圍堰設計標準

工程主要建筑物為1級，導流建筑物圍堰等級為4級，考慮破堤后防洪標準不降低，圍堰擋水標準取200年一遇洪水位7.79 m，堰頂高程取8.8 m(均為廣州城建高程系)。

2) 圍堰設計

圍堰位于暗埋段與沉管段接頭外側，堰頂高程為8.8 m，最大擋水高度為4.29 m，頂寬為7.0 m，采用雙排鋼板樁對拉、中部回填砂的結構形式，鋼板樁采用拉森Ⅳ型，下部進入淤泥質砂層，樁長為18 m，在高程6.8 m處設置間距為2 m的Φ32鋼筋拉桿，并在該高程設置2根32a槽鋼拼接的鋼圍檁(斷面結構如圖1所示)。

圖1 圍堰結構示意(單位：高程m，尺寸mm)

4 穩(wěn)定與結構驗算

雙排鋼板樁圍堰采用兩側鋼板樁和中部拉桿來約束堰體內填料，鋼板樁同堰體一起通過抗剪切的方式抵抗水平推力，類似板樁結構；同時鋼板樁內堰基及填土自重大，可用于抵抗圍堰的整體滑動與傾覆，又類似于重力式結構。雙排鋼板樁圍堰的破壞形式是多樣的，各種破壞形式都有其不同的機理[3]。但總體來說，可分為整體穩(wěn)定破壞與內部結構破壞失效兩種，計算可分為穩(wěn)定性計算和結構內力計算兩部分[4]。

4.1 整體穩(wěn)定分析計算

雙排鋼板樁圍堰整體穩(wěn)定計算一般將其視為一種“自主式”的重力體[5]，以往的工程經驗表明該方法能滿足一般工程實踐的需要。

雙排鋼板樁圍堰一般用于淤泥軟土地區(qū)，整體穩(wěn)定破壞形式一般為圓弧滑動。雙排鋼板樁中部回填砂可看作為一種整體重力式支擋結構，主要利用其中部回填料的重力起到抗滑穩(wěn)定作用，其整體抗滑動、抗傾覆等可參照《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JTJ 120—2012)重力式水泥土擋墻計算。驗算時外江側取200年一遇高潮位7.79 m，背水側取排干水后的河床高程3.5 m，鋼板樁及回填砂平均容重為18 kN/m3，采用理正深基坑水泥土擋土墻模塊進行圍堰整體穩(wěn)定計算，計算過程中將外江側水等效為濕容重為10 kN/m3、干容重為0 kN/m3、粘聚力為0 kPa、內摩擦角為0°的土層，各項計算結果均滿足規(guī)范規(guī)定要求(計算結果見表2)。

表2 圍堰整體穩(wěn)定計算結果

4.2 結構內力計算

1) 傳統(tǒng)驗算方法

目前雙排鋼板樁圍堰結構的設計還沒有明確規(guī)范，相關設計還停留在半理論半經驗的階段[6]。由于雙排鋼板樁之間通常采用拉桿鏈接，拉桿主要起傳遞拉力的作用，且鋼筋截面較小，不能傳遞彎矩，因此并不能按照基坑雙排樁支護的計算方法簡化為門式鋼架。鄧義釗等[7]通過理正雙排樁模型與有限元模型的計算對比，也證實了基坑雙排樁支護計算模型并不適用于雙排鋼板樁圍堰設計。

周連有[8]提出等值梁法、自由支撐法及變位法，在20世紀七八十年代在海河圍堰設計中多次成功應用，但該一系列方法均基于極限平衡法，沒有考慮結構及土體變形，假定與實際受力狀況有一定的差別，故目前很少使用。

雙排鋼板樁圍堰受力結構模型有兩種處理方式：樁間土填土寬度較小時，樁間土體主動土壓力相對迎水側荷載很小，可認為支護結構所承受的水平推力都作用在后排樁上[9]，可將外側鋼板樁作為錨碇樁，內側鋼板樁按錨碇式擋土墻設計[10]；圍堰寬度較大時，不能忽略樁間土對雙側鋼板樁的主動土壓力，可將雙排鋼板樁簡化為單排鋼板樁加錨桿支護的結構形式。

如意坊隧道雙排鋼板樁圍堰頂寬7 m>5.3tan(45°-30°/2)，故采用理正深基坑中的單排樁加錨桿支護模塊進行圍堰的內部結構計算[1]。

計算時取外江側200年一遇高潮位7.79 m、內河側水位取排干水后的河床高程3.50 m，計算結果見表3。

表3 主要內力計算結果

2) 有限元法

有限元法是工程分析中廣泛應用的數值計算方法，由于它的通用性和有效性，受到工程技術界的高度重視[11]。相比上述傳統(tǒng)驗算方法的歸納簡化，有限元法主要考慮土體及結構的本構原理，不存在人為土壓力分配，可考慮空間效應，更具有普遍性的適用性和精確性，相比上述半理論半經驗的傳統(tǒng)方法更科學。

計算通過GeoStudio的SIGMA/W模塊進行，采用二維平面有限元模型，計算材料參數見表1，巖土參數選用摩爾-庫倫。其中鋼板樁采用梁單元模擬，拉桿采用桿件單元模擬，模型底部采用固定約束，兩個側面采用法向約束，計算模型見圖2。

圖2 圍堰有限元平面模型示意

由于鋼板樁幾何截面較復雜，本文在建模時，將其等效為每延米慣性矩相等的矩形截面[7]，拉森Ⅳ型鋼板樁每延米慣性矩為38 600 cm4，經換算可等效為截面高度為16.7 cm的矩形樁。

施工過程為打鋼板樁→中部填砂→設拉桿→拉桿上方填砂→基坑內排水。計算得各支擋結構主要內力參數見圖3～5所示，變形量見圖6～7所示。

圖3 前排樁彎矩示意

圖4 后排樁彎矩示意

圖5 拉桿軸力示意

圖6 圍堰水平位移等值線示意

圖7 圍堰沉降等值線示意

3) 結構驗算

采用傳統(tǒng)驗算方法和有限元法的支擋結構主要內力設計值見表3。由表3可見，兩種計算方法的計算結果差距不大，從偏保守安全的角度，選用傳統(tǒng)驗算方法的結果進行結構內力驗算。其中拉桿軸力作用在圍檁上，圍檁可看做為以拉桿位置為支點的連續(xù)梁，可簡化為簡支梁進行圍檁彎矩計算[12]，計算公式為：

Mmax=0.1*Ra*l

(1)

式中Mmax為拉桿軸力產生的最大彎矩設計值，kN·m；RA為拉桿軸力設計值，kN；l為拉桿間距，m，本工程取2.0 m。

由表3可見，該圍堰結構內力設計均滿足各構件安全穩(wěn)定要求。

5 實施效果及變形監(jiān)測

1) 該圍堰在填砂施工過程中，部分作業(yè)段出現(xiàn)靠近河床面高程處向兩側擴張、形成“八”字形的變形，局部鋼板樁施工質量較差密扣不嚴處出現(xiàn)漏砂現(xiàn)象，樁頂填砂下沉明顯，但后期變形收斂，并未出現(xiàn)失穩(wěn)及結構破壞；而部分使用全新完好鋼板樁的作業(yè)段則未出現(xiàn)該現(xiàn)象。建議在以后的項目設計中可在下方增設一排拉桿，提高圍堰的整體性，防止因施工質量問題造成圍堰漏砂失效。

2) 該圍堰在2019年建成投入使用，多次攔擋超過7.3 m高潮水位的情況下運行良好。

3) 圍堰在施工及擋水使用過程中進行了位移及沉降監(jiān)測，監(jiān)測結果表明在圍堰施工期間的變形主要以沉降為主，施工期間最大沉降高度約0.4 m，發(fā)生在樁頂處，經分析主要由于堰基為未經處理的淤泥及淤泥質砂層排水固結引起；運行期間最大水平位移約為0.15 m，傾向基坑側，與有限元計算值接近，發(fā)生在基坑排水后，但后期基本穩(wěn)定無變化。

6 結語

1) 計算雙排鋼板樁圍堰的整體穩(wěn)定時，可將其看作為整體的重力支擋結構，既能發(fā)揮鋼板樁的支護及防滲作用，又能發(fā)揮樁間填土的重力穩(wěn)定作用。

2) 雙排鋼板樁圍堰堰頂寬度較大時(大于Htan(45°-Φ/2)時)，可將雙排鋼板樁簡化為單排鋼板樁加錨桿支護的結構形式進行支擋結構內力計算。與有限元計算結構相比較，該計算結果略偏保守，可用于實際工程中。