聯(lián)石灣船閘臨時道路對基坑開挖的影響研究

溫友鵬

（1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交集團交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點實驗室，廣東 廣州 510230）

隨著國內(nèi)沿江產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，內(nèi)河航運需求量快速增長，為改善船閘通航能力，低等級航道的升級需求日益迫切，其中包括大量舊船閘的改擴建工程。船閘基坑工程具有施工環(huán)境、施工工序復(fù)雜等特點，安全風(fēng)險性較高，保護基坑主體和周邊結(jié)構(gòu)安全是施工重點[1-3]。

1 工程概況

1.1 建設(shè)概況

聯(lián)石灣船閘位于中山市坦洲鎮(zhèn)，1989年建成使用，船閘現(xiàn)狀存在較為嚴重的安全問題，難以滿足使用需求，需拆除回填舊船閘，新建1 座主體結(jié)構(gòu)滿足珠江干線1000 噸級船舶通航要求的船閘，船閘有效尺度為166m×16m×4.5m（長×寬×門檻水深），工程主要包括上下閘首、上下游主導(dǎo)航及護岸。由于施工場地狹窄，根據(jù)擬在上閘首左側(cè)及環(huán)繞下閘首修筑一段施工便道，以滿足基坑開挖、主體結(jié)構(gòu)的施工車輛通行要求。由于船閘基坑尺寸較大，以下分析僅考慮下閘首，臨時道路與下閘首的位置關(guān)系如圖1所示：

圖1 下閘首臨時道路與基坑斷面圖

由于擬修建臨時道路距離基坑較近，存在一定安全風(fēng)險，因此需對道路修建對基坑開挖的影響進行分析。路基加固方案采用水泥土攪拌樁，以減小由于道路及車輛荷載擠壓土體對基坑的影響，本文擬對加固方案進行驗算復(fù)核并給出相應(yīng)建議。

1.2 工程地質(zhì)條件

聯(lián)石灣船閘主要地層為第四系地層及燕山期（γ）花崗巖體，各土層特性指標見表1：

表1 主要土層特性指標統(tǒng)計表

2 承載力驗算

本工程淤泥十字板強度標準值為18.3kPa，根據(jù)《軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程》[4],計算得原狀土地基承載力為55.75 kPa。

混凝土罐車按10 立方，重量按50t 計，計算荷載為37kPa。路基按永久荷載考慮，車輛荷載按活荷載考慮，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]計算得臨時道路地基附加荷載為81.61kPa?？紤]軟土路基填筑形成的硬殼層影響，計算得臨時道路處理后地基承載力不低于72.24kPa。

初步加固方案為攪拌樁直徑0.7m，間距1.3m，樁長16m，承載力計算相關(guān)參數(shù)如表2所示：

表2 臨時道路復(fù)合地基承載力計算參數(shù)

由上述計算可得復(fù)合地基承載力93.13 kPa＞72.24kPa，滿足要求，同上，攪拌樁間距取1.4m，計算得復(fù)合地基承載力87.88 kPa，仍滿足要求，因此可將樁間距定為1.4m。

打設(shè)攪拌樁主要目的是將路基及車輛荷載傳遞至基坑以下，減小基坑開挖時臨時道路對基坑變形的影響，因此采用有限元方法分別對路基未加固及采用攪拌樁加固兩種情況進行計算。

3 計算模型

考慮施工的時序性及三維空間特性，采用Midas/GTS 軟件建立三維有限元模型，分析修建道路對船閘基坑開挖的影響?？紤]邊界效應(yīng)的影響，模型深度取50m，長200m，寬150m，如圖2所示。

圖2 下閘首三維數(shù)值模型

本工程影響范圍內(nèi)主要為淤泥、淤泥質(zhì)土，且涉及基坑開挖與卸載，因此模型采用修正莫爾-庫倫彈塑性本構(gòu)，卸載模量取壓縮模量的3 倍，不考慮滲流固結(jié)，模型參數(shù)取值如表3所示：

表3 計算模型參數(shù)表

水泥土設(shè)計抗壓強度為800kPa，依據(jù)《地基處理手冊》[6]，水泥土粘聚力取160kPa，摩擦角取20°，水泥土擋墻的內(nèi)摩擦角和粘聚力根據(jù)面積置換率計算。

本船閘基坑開挖深度6.9m，模型中適當簡化基坑開挖，分四層開挖，層厚分別為0.9m、2m、2m、2m。數(shù)值模擬步驟：初始地應(yīng)力平衡→臨時道路地基處理→修建臨時道路→開挖基坑第一層土體→開挖第二層土體→開挖第三層土體→開挖第四層土體。

4 計算結(jié)果

由上述模型計算得，臨時道路路基未處理，基坑開挖至坑底（6.9m）時水泥土攪拌樁支護結(jié)構(gòu)變形如圖3所示：

圖3 臨時道路未處理開挖至坑底圍護結(jié)構(gòu)變形云圖

當采用攪拌樁處理深度16m，基坑開挖至坑底時支護結(jié)構(gòu)變形及路基沉降變形如圖4、圖5所示：

圖4 開挖至坑底時圍護結(jié)構(gòu)變形云圖（16m 攪拌樁）

圖5 開挖至坑底時道路沉降云圖（16m 攪拌樁）

當采用10m 攪拌樁處理，基坑開挖至坑底時支護結(jié)構(gòu)變形如圖6所示：

圖6 開挖至坑底時圍護結(jié)構(gòu)變形云圖（10m 攪拌樁）

將上述臨時道路地基未處理及采用16m 攪拌樁處理、采用10m 攪拌樁處理三種情況下，基坑開挖后支護結(jié)構(gòu)變形結(jié)果統(tǒng)計如表4所示：

表4 下閘首不同工況下基坑支護結(jié)構(gòu)變形

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[7]，按二級基坑變形控制要求，由表4 可知未做地基處理情況下基坑變形不能滿足要求，采用16m 攪拌樁與采用10m 攪拌樁計算結(jié)果相近，因此攪拌樁可穿過基坑開挖深度，取8 ～10m 進行加固。

5 結(jié)論

（1）聯(lián)石灣船閘工程因施工需要修筑一臨時道路，按二級基坑考慮，在臨時道路路基及上部車輛荷載作用下基坑開挖后變形不能滿足規(guī)范要求，應(yīng)進行加固處理。

（2）按地基承載力計算下閘首攪拌樁處理取樁間距1.4m，樁徑0.7m，三角形布置。為減小臨時道路對基坑開挖的影響，采用攪拌樁能將道路荷載傳遞至坑底以下，通過數(shù)值分析計算，可知攪拌樁采用16m 與10m計算結(jié)果相近，因此可考慮將樁長設(shè)置為8m ～10m。