沉管對接端深基坑支撐拆除受力分析

仇正中，韓鵬鵬，劉陪陽

（1、中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北武漢，430040；2、中交第二航務(wù)工程局有限公司第五工程分公司，湖北武漢，430040；3、長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北武漢，430040；4、交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北武漢，430040）

引言

沉管管節(jié)對接端深基坑位于陸上暗埋段與水中沉管段連接處，提供陸上段主體結(jié)構(gòu)施工場地及其與沉管管段對接作業(yè)空間。深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)由防滲墻、鎖口鋼管樁及支撐組成，當(dāng)陸上段主體結(jié)構(gòu)施工完成后，需將圍護(hù)結(jié)構(gòu)拆除，完成首節(jié)沉管與陸上段主體結(jié)構(gòu)對接。對接端圍護(hù)結(jié)構(gòu)拆除施工風(fēng)險大、工序多、作業(yè)時間長，如支撐拆除、鎖口鋼管樁拆除、塑性止水墻拆除、對接端清理及對接端整平等工序，絕大部分施工工序需順序作業(yè)，對工期影響較大。

支撐拆除是對接端圍護(hù)結(jié)構(gòu)拆除的首要工序，支撐拆除的施工工藝主要有3 種，對接端回水至基坑內(nèi)外水位平齊，水下切割支撐；對接端回填飽和砂至支撐下部，吊機(jī)進(jìn)入，干施工環(huán)境拆除支撐，如天津海河沉管隧道[1]；對接端回水至支撐下部，通過浮箱平臺拆除支撐[2]。采用水下拆除方案，對接端圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力清晰，拆除過程結(jié)構(gòu)安全，但是潛水作業(yè)受水深、水溫及裝備限制，施工工期長，且水下可控性差[3-4]；采用回填飽和砂和回水方案，均需進(jìn)行支撐拆除過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)驗算，確保在拆除過程中其余支撐安全，由于回填飽和砂方案后期還需要將基坑內(nèi)、鋼端殼、鋼管樁附近位置回填砂清理干凈，施工復(fù)雜，可控性差。因此進(jìn)行深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐回水方案驗算，對選擇深基坑支撐拆除方案至關(guān)重要。

1 項目概況

襄陽市東西軸線道路工程魚梁洲段項目連接樊城老城區(qū)和東津新城，起于規(guī)劃旭東路東側(cè)，止于縱四路，主線全長5 400 m，項目兩過漢江，沉管段總長1 011 m，為國內(nèi)整體建設(shè)規(guī)模最大的內(nèi)河沉管隧道。

項目沉管與隧道對接端共四處，其中東汊、西汊對接端設(shè)置陸上最終接頭，東津、樊城為首節(jié)沉管與現(xiàn)澆隧道連接點。沉管對接端基坑深度較大，樊城對接端深度最小約18 m，東津?qū)佣松疃茸畲蠹s26 m，綜合施工難度最大。

東津?qū)佣酥喂? 層，第1 道支撐采用鋼筋混凝土支撐，截面尺寸為800×900 mm，混凝土支撐間距為6m，冠梁1 400×1 200 mm；第2、3、4、6、8 道支撐采用φ800×20 mm 鋼斜撐，與支護(hù)結(jié)構(gòu)成45°角布置，間距3 m；第7 道支撐（換撐）采用φ800×20 mm 對撐。鋼圍檁采用雙拼工63C；第5道支撐采用鋼筋混凝土支撐，截面尺寸為1 200×1 000 mm，間距為6 m，砼圍檁尺寸為1 200×1 200 mm。共設(shè)置6 根610×610 mm 格構(gòu)柱。

圖1 鋼筋混凝土支撐平面布置

圖2 鋼支撐平面布置

圖3 換撐平面布置

圖4 對接端支撐斷面示意圖

2 計算參數(shù)及工況分析

2.1 計算參數(shù)

東津?qū)佣嘶铀谕翆又饕獮棰芊圪|(zhì)黏土、④2 粉細(xì)砂、⑤圓礫，土層參數(shù)如下表所示。鋼支撐、地連墻、混凝土支撐材料參數(shù)如表1 所示。土層與地連墻的摩擦系數(shù)取為0.3。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

鋼支撐及混凝土支撐力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 鋼及混凝土力學(xué)參數(shù)

2.2 計算工況

根據(jù)施工需要，支撐按照以下步驟拆除，計算工況見表3。

表3 計算工況

3 計算結(jié)果及分析

3.1 數(shù)值模型及邊界條件

通過有限元軟件Abaqus 進(jìn)行模型搭建，基坑深度為26 m，為了消除邊界效應(yīng)，模型大小設(shè)計為3 倍基坑以上，大小為108 m×90 m×80 m?？拷瓊?cè)平臺寬度為18 m，平臺外為1：1.5 的放坡?；娱L度方向選取40 m 進(jìn)行計算，模型搭建見圖5。

圖5 有限元模型示意圖

土層四周為滾軸邊界，底部固定三個方向自由度。鎖口鋼管樁按照抗彎剛度等效為厚度1 m 的地連墻。地連墻與土體之間設(shè)置庫倫摩擦，切向摩擦系數(shù)為0.36，法向為硬接觸。格構(gòu)柱與支撐連接處、鋼支撐與系梁連接處約束Z 方向的自由度?；炷料盗汉突炷林沃g固接[5]。

3.2 模型驗證

對接端鋼筋混凝土支撐（第1、5 層）內(nèi)部布置鋼筋應(yīng)力計，鋼支撐（第2、3、4、6、7、8 層）端部布置軸力計，沿鎖口鋼管樁深度方向布置測斜管。支撐軸力、鋼管樁深層水平位移數(shù)值模型值與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比見圖6、圖7[6]。

圖6 深層水平位移對比

圖7 各道支撐軸力對比

由圖6、圖7 可知，鎖口鋼管樁深層水平位移監(jiān)測值和計算值變化趨勢基本一致，計算值比監(jiān)測值略大，距離基坑頂部12 m 處（第五層鋼筋混凝土支撐附近），位移達(dá)到最大值10.2 mm，此時監(jiān)測值和計算值誤差2.2 %；支撐軸力監(jiān)測值和計算值擬合較好，誤差基本在20 %以內(nèi)，支撐拆除前，八道支撐中第五道鋼筋混凝土支撐軸力最大約2 700 kN，此時監(jiān)測值和計算值誤差3.3 %。由以上分析可見，深層水平位移及支撐軸力監(jiān)測值與計算值變化趨勢較為一致，誤差較小，故文中的模型假定合理，計算結(jié)果可靠。

3.3 支撐軸力計算

以最后拆除的第2 層鋼支撐軸力為例，施工步驟1～7 時，第2 層鋼支撐軸力計算如圖8 所示。

圖8 順序拆除支撐第2 層鋼支撐軸力圖

根據(jù)施工步驟拆除支撐，各層支撐軸力極值（標(biāo)準(zhǔn)值）見表4。

表4 支撐軸力標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2018）[7]，支撐軸力設(shè)計值：

式中：0γ為支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，取1.1；fγ為作用基本組合的綜合分項系數(shù)，取1.25；Nk為支撐軸力標(biāo)準(zhǔn)值。鋼支撐軸力最大值出現(xiàn)在拆除第五層鋼筋混凝土支撐后第4 道鋼支撐荷載，設(shè)計值N=3 310 kN；鋼筋混凝土支撐軸力最大值出現(xiàn)在拆除第6 層鋼支撐后第5 道鋼筋混凝土支撐荷載，設(shè)計值N=7 326 kN。

根據(jù)《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS152-2012）[8]，鋼支撐自重產(chǎn)生的最大彎矩設(shè)計值：

附加彎矩：

鋼支撐強(qiáng)度：

支撐豎向平面穩(wěn)定性：

根據(jù)《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS151-2011）[9]，第5 層鋼筋混凝土全部縱向鋼筋面積=16690mm2；鋼筋混凝土軸向受壓承載力設(shè)計值：

Nu=0.9φ(fcA+fy+As)=20852kN＞7326kN，滿足規(guī)范要求；

自重引起的彎矩設(shè)計值：

M=γ0γf γcbhl2/10=109 kNm，小于設(shè)計配筋，滿足規(guī)范要求。

3.4 深層水平位移計算

根據(jù)施工步驟拆除鋼支撐，鎖口鋼管樁處不同深度水平位移見圖9。

圖9 支撐拆除鋼管樁深層水平位移

由圖9 可知，鎖口鋼管樁處深層水平位移最大值出現(xiàn)在拆除第5 道鋼筋混凝土支撐時，深度約16 m（第5 層鋼筋混凝土支撐附近），最大水平位移15.5 mm。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（GB50202-2018）[10]，一級基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移預(yù)警值為55 mm，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

基于有限元軟件Abaqus，對襄陽市東西軸線沉管隧道東津?qū)佣松罨又尾鸪桨高M(jìn)行分析，得到如下結(jié)論。

1）支撐拆除前，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與深基坑數(shù)值模型數(shù)據(jù)深層水平位移及支撐軸力值變化趨勢較為一致，極值誤差較小，模型假定合理，計算結(jié)果可靠。

2）回水拆除鋼支撐，鋼支撐軸力最大值出現(xiàn)在拆除第五層鋼筋混凝土支撐后第四道鋼支撐荷載，為2 407 kN；鋼筋混凝土支撐軸力最大值出現(xiàn)在拆除第六層鋼支撐后第五道鋼筋混凝土支撐荷載，為5 328 kN；支撐結(jié)構(gòu)計算均能滿足規(guī)范要求。

3）回水拆除鋼支撐，鎖口鋼管樁處深層水平位移最大值出現(xiàn)在拆除第五道鋼筋混凝土支撐時，深度約16 m，最大水平位移15.5 mm，滿足設(shè)計要求。

4）襄陽市東西軸線東津?qū)佣松罨涌刹扇』厮林蜗虏?，通過浮箱平臺拆除支撐方案，計算方法及結(jié)果可對沉管對接端深基坑支撐拆除方案提供參考。