北江清遠(yuǎn)樞紐二線船閘基坑關(guān)鍵技術(shù)研究

高君杰 鄭躍

摘要：清遠(yuǎn)樞紐二線船閘工程，由于周圍復(fù)雜環(huán)境的制約，船閘主體建筑物的基坑需采用帶撐支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行支護(hù)，本文介紹了帶撐深基坑[1]支護(hù)設(shè)計(jì)方案、施工步驟及要求，并采用有限元軟件 Plaxis 對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為類似工程提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：帶撐支護(hù)結(jié)構(gòu);深基坑;支護(hù)設(shè)計(jì)方案;數(shù)值模擬;對(duì)比分析

中圖分類號(hào)：U61? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）03-0134-03

1船閘工程概況及特點(diǎn)

1.1船閘工程概況

新建清遠(yuǎn)水利樞紐二線船閘建設(shè)規(guī)模：按1000噸級(jí)船閘（Ⅲ級(jí)船閘）建設(shè)，船閘有效尺度為220m×34m×4.5m（閘室有效長(zhǎng)度×閘室有效寬度×檻上水深）。通航凈高為10m?？紤]過(guò)壩貨運(yùn)量需求，將新建清遠(yuǎn)水利樞紐二線船閘按照單線船閘設(shè)計(jì)。

二線船閘布置在一線船閘右岸、兩閘中心距90m。二線船閘上閘首與右岸船閘上閘首及門(mén)庫(kù)段前沿（壩軸線）平齊，上閘首左側(cè)通過(guò)地連墻支護(hù)與現(xiàn)有一線船閘門(mén)庫(kù)段相連接，右側(cè)與清遠(yuǎn)水利樞紐土壩相連接。

1.2船閘基坑工程特點(diǎn)

根據(jù)本項(xiàng)目工程地質(zhì)報(bào)告、船閘建設(shè)方案以及周邊建筑物分布情況，本船閘基坑圍護(hù)工程具有如下特點(diǎn)：

（1）本基坑縱向長(zhǎng)度約為517m，橫向?qū)挾葹?5.5m。

（2）本基坑最大開(kāi)挖深度為22.52m，屬深基坑，基坑最大水頭差為22.05m。

（3）本基坑位于原一線船閘的右側(cè)，與一線船閘平行，兩閘中心距90m，

（4）本基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)土層自上而下大致為填砂、中粗砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土混粉砂、卵石土、中風(fēng)化灰?guī)r，不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖溶，場(chǎng)地區(qū)粘性土混粉砂，較多表現(xiàn)為流塑～軟塑，地基承載力差，開(kāi)挖后邊坡穩(wěn)定性也相對(duì)較差，易發(fā)生邊坡坍塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，局部粉砂含量較多處，存在管涌、流砂的可能性。

2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

根據(jù)建設(shè)場(chǎng)地地質(zhì)勘察報(bào)告，船閘基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)土層至上而下構(gòu)成如下：①素填土：軟塑，土質(zhì)不均 ， 局部含碎石 ， 層厚約0.5m～2.5m;②填砂：稍濕，松散～稍密，層厚約2.0～19.0m;③卵石土：中密～密實(shí)，地基承載力較好，滲透性強(qiáng)，層厚約3.0～9.0m;④中風(fēng)化灰?guī)r：巖芯呈柱狀，局部呈塊狀，溶洞較發(fā)育，層厚約8.0～19.0m，場(chǎng)地地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)下表。

3基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

上游全年圍堰位于樞紐右岸土壩上游庫(kù)內(nèi)，施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)按清遠(yuǎn)水利樞紐土壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即上游圍堰建筑物級(jí)別為2級(jí)，洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計(jì)，300年一遇校核。

下游全年圍堰為樞紐右岸土壩下游，下游圍堰建筑物級(jí)別為4級(jí)，考慮到清遠(yuǎn)水利樞紐實(shí)測(cè)水文資料可靠，且上游有飛來(lái)峽水利樞紐防洪調(diào)度，洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，相應(yīng)壩下水位為▽12.91m。

3.2基坑支護(hù)方案

本項(xiàng)目基坑支護(hù)由上游導(dǎo)航墻段、上閘首段、閘室段、下閘首段和下游導(dǎo)航墻段組成，本文以閘室段基坑支護(hù)為例。閘室段支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，地下連續(xù)墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30?；拥湫蛿嗝嬉?jiàn)下圖。

3.3水平支撐體系

本基坑內(nèi)支撐主要采用水平對(duì)撐、八字斜撐、聯(lián)系梁等組合桁架形式，為土方的挖運(yùn)和施工提供較為開(kāi)闊的空間。本基坑內(nèi)支撐設(shè)計(jì)為兩層。支撐砼構(gòu)件強(qiáng)度等級(jí)為 C40。對(duì)撐最大間距8.5m，最小間距4.25m，具體支撐信息見(jiàn)表2。

3.4水平支撐系統(tǒng)施工步驟

第一步：開(kāi)挖至第一道支撐底高程，其后澆筑第一道冠梁和支撐

第二步：待第一道支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后，分層、分塊、對(duì)稱、平衡地開(kāi)挖至第二道內(nèi)支撐底高程，并澆筑第二道鋼筋混凝土腰梁和支撐;

第三步：以此類推，開(kāi)挖至基底，及時(shí)澆筑底板。

4數(shù)值模擬分析

4.1模型建立

數(shù)值模擬計(jì)算采用Plaxis 有限元軟件。根據(jù)實(shí)際尺寸，分別建立各個(gè)控制斷面的數(shù)值模型。各巖土層均采用彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則參考相關(guān)文獻(xiàn)采用 Mohr- Coulomb 準(zhǔn)則，地下連續(xù)墻及內(nèi)撐結(jié)構(gòu)采用彈性模型，水平與豎向邊界均采用位移約束邊界。結(jié)合基坑開(kāi)挖全過(guò)程，在初始應(yīng)力場(chǎng)下進(jìn)行逐步開(kāi)挖。邊界條件為：模型的側(cè)面和底面為位移邊界，限制側(cè)面水平位移，限制底面豎直位移;上面為原地面，取為自由邊界，其中典型斷面模型如圖2。

地連墻和鋼筋混凝土水平支撐的單元參數(shù)詳見(jiàn)下表。

4.2施工過(guò)程的模擬

基坑在施工過(guò)程中工序繁多，工藝也比較復(fù)雜，施工時(shí)既需要理順基坑施工各工序間的先后順序[3]，又需要確定基坑施工和主體結(jié)構(gòu)施工之間的順序。該模型模擬的施工過(guò)程為利用設(shè)計(jì)水位生成初始孔壓→利用“K0過(guò)程”生成初始應(yīng)力→激活各土層單元→激活地連墻單元→激活第1道內(nèi)支撐體系→依次開(kāi)挖土體并激活內(nèi)支撐直至坑底。在基坑每層土開(kāi)挖前，需把坑內(nèi)地下水位降到開(kāi)挖面以下0.5m。計(jì)算工況為兩個(gè)最不利工況（①對(duì)于左岸地連墻最不利工況：左岸外側(cè)水位▽12.91m，右岸外側(cè)水位▽4.5m，內(nèi)側(cè)水位基坑底以下0.5m;②對(duì)于右岸最不利工況：左岸外側(cè)水位▽5.0m，右岸外側(cè)水位▽4.5m，內(nèi)側(cè)水位基坑底以下0.5m）進(jìn)行計(jì)算。

5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，本文對(duì)閘室擋水側(cè)（左岸）前排地連墻水平位移、閘室非擋水側(cè)（右岸）地連墻水平位移和水平撐軸力進(jìn)行對(duì)比分析，具體對(duì)比值詳見(jiàn)以下圖表。

由以上圖表可以看出，地連墻的水平位移特性表現(xiàn)為中間大、兩端小的弓形特征，該特征符合典型的深厚軟弱土中帶內(nèi)支撐開(kāi)挖基坑地連墻的變形規(guī)律，隨著時(shí)間和開(kāi)挖深度的增加，地連墻的最大水平位移逐漸下移，最終移到基坑底部位置附近。擋水側(cè)（左岸）前排地連墻最大水平位移各工況模擬值為34.3mm、18.4mm，其各時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測(cè)值分別為6.2mm、19.1mm、22.3mm、25.2mm，模擬值與監(jiān)測(cè)值大致符合;非擋水側(cè)（右岸）地連墻最大水平位移各工況模擬值為26.2mm、31.1mm，其各時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測(cè)值分別為11.0mm、10.3mm、25.2mm、44.0mm，由于右岸監(jiān)測(cè)水位沒(méi)有到達(dá)設(shè)計(jì)洪水位，故監(jiān)測(cè)值最大水平位移大于模擬值最大水平位移，整體變形趨勢(shì)與監(jiān)測(cè)值大致符合;每道撐的軸力值模擬值與監(jiān)測(cè)值相比都相對(duì)較小，是由于模擬值沒(méi)有考慮溫度應(yīng)力對(duì)水平支撐軸力的影響，若采用支撐因溫度產(chǎn)生的附加軸力公式對(duì)模擬值進(jìn)行修正，其計(jì)算結(jié)果為第一道撐軸力值為5544kN，第二道撐軸力值為11355kN，與監(jiān)測(cè)值基本符合。

6結(jié)語(yǔ)

本文在分析了依托工程的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)帶撐深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案、施工步驟及要求進(jìn)行了總結(jié)，并研究了關(guān)于深基坑內(nèi)撐施工的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：

（1）本文提出了水平支撐系統(tǒng)的施工步驟、立柱施工定位控制要求以及水平支撐施工的控制要素。

（2）本文利用有限元軟件 Plaxis 對(duì)依托工程的閘室段基坑支護(hù)進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果得出：設(shè)計(jì)水平支撐計(jì)算軸力時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮溫度應(yīng)力對(duì)內(nèi)撐軸力的影響，這樣與實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)更加吻合，這對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

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