沉管隧道軸線干塢深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案比選研究*

曾波存,潘傳宗,任耀譜,周興濤

(1.中交第二航務工程局有限公司,湖北 武漢 430040; 2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司,北京 100088; 3.湖北文理學院土木工程與建筑學院,湖北 襄陽 441053)

0 引言

近年來,我國各地相繼建成(在建)一批長大沉管隧道[1-2],如深中通道沉管隧道、大連灣海底隧道、南昌紅谷隧道、襄陽漢江沉管隧道等,沉管隧道已成為現(xiàn)代綜合交通運輸體系中的一種重要跨海越江通道。作為沉管隧道管節(jié)預制的關(guān)鍵場所,大型干塢深基坑是沉管隧道工程的重要組成部分,也是沉管隧道設(shè)計的重點和難點。為了減少土方開挖和回填施工量,多數(shù)工程采用軸線干塢形式,即將干塢布置在隧道軸線上,在全部管段拖出干塢后,將干塢排干,進行隧道陸上部分的施工。軸線干塢深基坑占地面積大、暴露時間長,在管節(jié)預制階段,基坑內(nèi)不允許設(shè)置內(nèi)支撐體系,且在沉管預制過程中,干塢基坑土體需經(jīng)歷開挖、充水、排水等復雜過程,基坑支護結(jié)構(gòu)所受荷載復雜。盡管干塢深基坑是臨時工程,但由于規(guī)模大、工程費用高,對工期影響明顯,同時受到場地、通航等制約,干塢深基坑圍護結(jié)構(gòu)方案比選在沉管隧道工程設(shè)計中具有舉足輕重的作用。

干塢深基坑支護結(jié)構(gòu)體系設(shè)計面臨周邊環(huán)境沉降控制、干塢坑底地下水控制、干塢基坑邊坡穩(wěn)定性控制等諸多技術(shù)難題,合理的干塢深基坑支護設(shè)計方案對保證沉管隧道工程的成敗及周邊環(huán)境安全至關(guān)重要。彭紅霞等[3]對移動干塢方案和3種固定干塢方案進行了綜合比較,論述了不同干塢方案在不同環(huán)境中的適用性及其優(yōu)缺點。林永貴等[4]以廣州如意坊放射線沉管隧道干塢基坑格形連續(xù)墻為例,建立基坑開挖支護的三維計算模型,探討了格形連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)的力學特性。曲瑩等[5]對上海外環(huán)線越江沉管隧道干塢平面布置方案、干塢基坑邊坡穩(wěn)定性及基坑底部隆起量進行了探討。邢永輝[6]基于佛山市汾江路南延線沉管隧道工程,提出了一種新型的旁建干塢方案,以避免軸線干塢工期長、獨立干塢造價高的缺點。范國剛等[7]結(jié)合建設(shè)環(huán)境、沉管隧道規(guī)模、管段結(jié)構(gòu)類型等,對內(nèi)河復雜環(huán)境條件下的沉管隧道干塢選擇方法進行了探討。黃光虎等[8]基于強度折減法,對港珠澳大橋沉管隧道干塢大型臨時工程擬建場地的巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性開展了數(shù)值分析。韓秀娟等[9]對南昌紅谷隧道干塢深基坑塑性混凝土防滲墻的施工工藝進行了探討。劉力英等[10]以廣州洲頭咀沉管隧道軸線干塢塢口模袋砂圍堰工程為背景,基于有限元法分析了干塢塢口模袋砂圍堰的空間變形效應。楊春山等[11]以廣州洲頭咀沉管隧道模袋砂圍堰工程為背景,分析了干塢抽水引起的模袋砂圍堰變形規(guī)律。趙康林等[12]對南昌紅谷沉管隧道干塢塢底合理優(yōu)化分區(qū)施工技術(shù)進行了探討。

本文以襄陽漢江魚梁州沉管隧道西汊干塢深基坑工程為依托,采用FLAC3D有限差分數(shù)值軟件,分別建立放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式止水墻、錨拉雙地下連續(xù)墻+封底混凝土、錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土3種支護方案干塢深基坑數(shù)值分析模型,對比分析不同支護方案的圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形特性,并結(jié)合實際地質(zhì)條件與施工技術(shù),系統(tǒng)開展干塢圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的比選研究。

1 工程概況

1.1 干塢基坑幾何特征

襄陽漢江魚梁洲沉管隧道西汊干塢采用軸線干塢布置方案,預制臺座沿隧道軸線一字排列,自塢口段往洲內(nèi)方向按W1管節(jié)→WS管節(jié)設(shè)置預制臺座,全長446 m,沉管預制臺座間距10 m,在西側(cè)塢口處預留長度40 m塢口段,為WS管節(jié)沉放對接施工提供作業(yè)空間。干塢東側(cè)塢尾及南側(cè)設(shè)置出入塢坡道。臨江對接端最大開挖深度達24.2 m,塢底寬76.2 m,塢頂寬104.2 m,干塢頂部地面整平標高64.000 m,建設(shè)使用周期長達18個月。西汊干塢區(qū)深基坑分兩期開挖,第1期整體放坡開挖至塢底標高滿足沉管管節(jié)預制需求,第2期塢底局部垂直開挖至暗埋段結(jié)構(gòu)底標高滿足隧道結(jié)構(gòu)施工需求,如圖1所示。

圖1 西汊干塢總平面布置Fig.1 General layout of the west branch dry dock

1.2 工程地質(zhì)與水文條件

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,場地主要由如下由雜填土、粉細砂、卵石混圓礫、卵石、中砂、泥巖地層組成(見圖2),在局部區(qū)域夾雜淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,雜填土揭示層厚0.50～5.0 m,粉細砂揭示層厚0.65～13.80 m,卵石混圓礫揭示層厚6.0～10.0 m,卵石地層厚度約25.0 m。漢江西汊河道水面寬約300 m,河底標高52.770～62.370 m,最深水深約10 m,最高水位68.570 m,最低水位59.750 m,年平均水位61.520 m。

圖2 西汊干塢段局部地質(zhì)縱剖面Fig.2 Local geological longitudinal section

2 不同支護結(jié)構(gòu)體系設(shè)計方案

西汊軸線干塢位于隧道軸線上,干塢深基坑坑底高程不僅要考慮浮運時的水位高程、管節(jié)高度、管節(jié)浮起時的干舷高度、管段浮起時底部到塢底的最小距離、干塢底部基礎(chǔ)墊層厚度等因素,又要兼顧后期陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板高程條件。因此,在管節(jié)預制與浮運沉放階段,干塢深基坑坑底高程設(shè)置為52.000 m,一旦管節(jié)浮運安裝完成后,對其進行二次開挖,以達到陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板高程條件。

2.1 放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式素混凝土止水墻組合方案

干塢基坑上部采用放坡開挖,中部存在一施工平臺(標高57.000 m),下部采用錨索地下連續(xù)墻進行垂直開挖支護,干塢基坑上部邊坡區(qū)域采用管井法以降低地下水位,下部垂直開挖段在錨索地下連續(xù)墻下側(cè)施作素混凝土止水墻,以封堵垂直開挖區(qū)外側(cè)的地下水,在管節(jié)預制與浮運階段,內(nèi)側(cè)垂直開挖段坑底標高為52.000 m,一旦管節(jié)浮運安裝完成后,進行二次開挖,以滿足陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板高程要求。干塢基坑周邊場坪標高64.000 m,坑內(nèi)二次開挖后基坑深度19.65～15.00 m。上部7 m 采用1∶3 放坡開挖,進行坡面防護。下部采用1 m厚錨索地下連續(xù)墻支護,上部鋼筋混凝土地下連續(xù)墻深18～22 m,下部素混凝土止水墻段深度38～42 m,止水墻伸入粉質(zhì)黏土層。

在干塢使用階段,設(shè)置2道錨索,錨索豎向間距2.5 m,縱向間距1.5 m;每根錨索采用3根1×7φs15.2鋼絞線,長度15～20 m,預加力100 kN;在二次開挖階段,根據(jù)二次開挖深度,增加1道錨索,1～2道鋼管內(nèi)支撐。

2.2 錨拉雙地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案

考慮到管節(jié)預制與浮運階段坑內(nèi)不能存在內(nèi)支撐,同時為了有效控制干塢深基坑周邊地層變形,采用錨拉雙地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)。該支護結(jié)構(gòu)體系與雙排樁支護結(jié)構(gòu)類似,由上下雙排鋼拉桿與前、后兩排地下連續(xù)墻組成一個井式超靜定結(jié)構(gòu),在受力時結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生與主動土壓力反向作用的力偶,使雙地下連續(xù)墻的位移與變形明顯減小,而且受力條件和整體穩(wěn)定性好。

前墻厚度1.2 m,后墻厚度0.8 m,前后墻間距40 m,鋼拉桿直徑90 mm,上排鋼拉桿連接點位于地面以下2 m處,上下兩排鋼拉桿豎向間距6.8 m,縱向間距1.5 m。在管節(jié)預制與浮運階段,坑底標高為52.000 m,浮運完成后,進行二次開挖,使得坑底標高滿足陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板標高要求。初次開挖封底混凝土處基坑時,需在坑深8.6 m處架設(shè)1道臨時鋼支撐,澆筑封底混凝土后拆除鋼支撐進行沉管預制。在管節(jié)浮運完成且基坑二次開挖前,鑿除已澆筑的封底混凝土,進行二次開挖,到達陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板設(shè)計標高后,再次澆筑2 m厚鋼筋混凝土板以隔斷地下水,且由于基坑開挖深度較大,為了保證基坑穩(wěn)定性,需在最終坑底上部2.5 m設(shè)置1道鋼支撐,進行陸域隧道主體結(jié)構(gòu)澆筑,該方案可明顯減少土方開挖量。

2.3 錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案

考慮到干塢基坑開挖深度較大,豎向上需設(shè)置7排預應力錨索,通過鉆孔將鋼絞線錨固于坑外穩(wěn)定的土體中,并通過預先施加的錨拉力,有效控制基坑周邊土體的沉降和地下連續(xù)墻的水平位移。地下連續(xù)墻體厚度取1.2 m,錨索豎向間距2.5 m,水平縱向間距1.5 m。在管節(jié)預制與浮運階段,坑底標高為52.000 m,浮運完成后,進行二次開挖,使得坑底標高滿足陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板標高要求;初次開挖與二次開挖階段,分別需在坑底設(shè)置2 m厚鋼筋混凝土板以截斷地下水;在管節(jié)浮運完成且基坑二次開挖前,鑿除已澆筑的封底混凝土,進行二次開挖,到達陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板設(shè)計標高后,再次澆筑2 m厚鋼筋混凝土板以隔斷地下水。在坑底混凝土底板封閉前,需采用管井法降低坑內(nèi)地下水位,該方案可明顯減少土方開挖量。

3 不同支護方案數(shù)值模擬對比分析

3.1 數(shù)值模型與參數(shù)選取

采用FLAC3D軟件,對3種支護方案建立快速拉格朗日有限差分數(shù)值模型,并考慮干塢深基坑的對稱性,取1 /2基坑尺寸建立分析模型,如圖3所示。各數(shù)值模型頂部為自由地表,左側(cè)施加水平向位移固定約束邊界條件,右側(cè)為對稱邊界,施加水平位移固定約束邊界條件,模型底部同時施加水平與豎向位移約束邊界條件?；诂F(xiàn)場巖土工程勘察報告,將土體單元從上至下劃分為粉細砂層、卵石混圓礫層、圓礫層,各土層本構(gòu)模型均采用基坑工程分析中廣泛應用的硬化土模型(plastic-hardening model簡HS模型或PH模型),該模型不僅可以反映土體應力、應變的非線性特性和深基坑工程復雜的應力路徑,而且模型參數(shù)可以從常規(guī)三軸試驗獲得?；贔LAC3D手冊案例并結(jié)合現(xiàn)場巖土工程勘察報告,各土層PH模型的物理力學參數(shù)取值如表1所示。數(shù)值計算時初始地下水位高程取實際觀測值62.730 m,最終降水后的地下水位高程低于基坑坑底2 m,采用滲流(fluid)模塊對深基坑降水過程進行模擬,以獲得土體降水階段的孔隙水壓力分布,然后關(guān)閉滲流模塊,進行土體固結(jié)計算,以模擬降水所引起的基坑土體有效應力重分布。地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)采用liner結(jié)構(gòu)單元模擬,liner單元與坑周土體接觸面的剛度參數(shù)采用FLAC3D手冊所建議的10倍等效剛度法取值,為簡化計算,接觸面的強度參數(shù)取1×1015,不考慮接觸面的分離與滑動。錨索采用cable單元模擬,其初始預張拉力為100 kN,為簡化計算,同樣不考慮錨固段與土體的滑動,cable單元界面強度參數(shù)取1×1015,界面剛度參數(shù)基于現(xiàn)場張拉試驗獲得。鋼管支撐采用beam單元模擬,其直徑為609 mm,管厚16 mm,彈性模量為200 GPa,泊松比為0.3。方案2中的鋼拉桿同樣采用cable單元模擬,但是不考慮錨固段,以體現(xiàn)其受力特性,鋼拉桿直徑為90 mm,彈性模量為200 GPa,泊松比為0.3。為確保數(shù)值計算過程收斂及穩(wěn)定性,各支護方案土體開挖采用分層開挖法模擬,每層厚度不超過4 m,上一層開挖計算收斂后再開挖下一層。

表1 各土層PH模型物理力學參數(shù)取值Table 1 Values of physical and mechanical parameters of PH model for each soil layer

圖3 各支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of each support structure design scheme

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

由圖4可知,放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+素混凝土止水墻方案的地下連續(xù)墻最大水平位移為0.012 m,位于距地表13.4 m處;錨拉雙地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案的地下連續(xù)墻最大水平位移為0.057 m,位于距地表10 m處;錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案的地下連續(xù)墻最大水平位移為0.027 m,位于距地表16.5 m處。由于放坡開挖的卸荷效應,方案1的地下連續(xù)墻水平位移明顯小于方案2與方案3。同時由圖4可知,由于錨索及拉桿的加固效應,3種支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的地下連續(xù)墻水平位移最大值都位于垂直開挖頂面以下。根據(jù)基坑規(guī)范,圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.3%H=90 mm,3種支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案均滿足設(shè)計要求。

圖4 地下連續(xù)墻水平位移Fig.4 Horizontal deformation of diaphragm wall

圖5為3種支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的地下連續(xù)墻彎矩隨距地表深度變化規(guī)律曲線。由圖5可知,放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+素混凝土止水墻方案的地下連續(xù)墻最大彎矩為520.5 kN·m,位于距地表14.1 m處;錨拉雙地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案的地下連續(xù)墻最大彎矩為716.7 kN·m,位于距地表11.2 m處;錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案的地下連續(xù)墻最大彎矩為1 093.7 kN·m,位于距地表17.9 m處。方案1的地下連續(xù)墻彎矩最大值明顯小于方案2與方案3。同時由圖5可知,3種支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的地下連續(xù)墻彎矩最大值都位于垂直開挖頂面以下。

圖5 地下連續(xù)墻所受彎矩Fig.5 Bending moment of diaphragm wall

各方案數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6a可知,下部垂直開挖區(qū)域的地層水平位移明顯要大于上部放坡區(qū)域的地層水平位移;上部放坡區(qū)域的地層垂直變形明顯大于下部垂直開挖區(qū)域的地層垂直變形,整個開挖面的垂直變形最大值位于上部斜坡坡肩處。由圖6b與6c對比分析可知,方案2的坑周地層水平位移最大值發(fā)生于頂面以下中部區(qū)域,而方案3的坑周地層水平位移最大值發(fā)生于坑底附近,方案2的地層變形控制效果要弱于方案3。

圖6 各方案數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Numerical simulation results of eack scheme

4 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案比選與優(yōu)化

4.1 方案比選

由以上分析可知,錨拉雙地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案可靠性較高、工期較短,但工序復雜、綜合造價高;錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案構(gòu)造簡單、施工工序簡單,但錨索數(shù)量較多,砂卵石地層錨索長期使用可靠性較低,綜合造價略高;放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式止水素混凝土止水墻組合方案雖然土方開挖量大、降水代價較高,但是該方案施工方便,整體可靠性較高、綜合造價較低、施工可行性較高,施工區(qū)域土質(zhì)以砂卵石為主,開挖出的廢料可以經(jīng)處理后用于臨時結(jié)構(gòu)、止水帷幕等混凝土澆筑中。

綜合數(shù)值模擬結(jié)果及以上造價、施工難易程度、安全性等方面比選評價,認為當干塢基坑地層下部存在穩(wěn)定連續(xù)的相對隔水層時,放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式止水素混凝土止水墻組合方案為最優(yōu)方案;當干塢基坑地層下部為深厚強滲透砂卵石地層時,可選擇放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案作為最優(yōu)方案。

4.2 優(yōu)化設(shè)計

地質(zhì)鉆探顯示干塢區(qū)域工程水文地質(zhì)條件為:西汊干塢西側(cè)半?yún)^(qū)隔水黏土層埋深約60～65 m,東側(cè)半?yún)^(qū)隔水黏土層埋深超過100 m,地下連續(xù)墻成槽難度較大?；谝陨锨闆r,確定了西汊干塢深基坑支護結(jié)構(gòu)東西側(cè)分區(qū)設(shè)計的思路:在K9+975處設(shè)置1 000 mm厚,長64 m的素混凝土止水墻,將西汊干塢基坑分割成東西兩半?yún)^(qū)(見圖7),西半?yún)^(qū)采用放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式止水素混凝土止水墻組合方案,東半?yún)^(qū)采用放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案。

圖7 西汊干塢縱斷面分區(qū)設(shè)計(單位:m)Fig.7 Zoning design of west branch dock(unit:m)

對西汊干塢全段范圍內(nèi)基坑上部7 m范圍內(nèi)進行放坡開挖至標高57.000 m處,并在干塢沉管預制及現(xiàn)澆隧道期間內(nèi)進行全過程坑外降水至標高56.000 m處?；游鱾?cè)半?yún)^(qū)地表下60～65 m深處存在厚度約3～6 m的粉質(zhì)黏土層,可起到部分坑底封水作用,該區(qū)域內(nèi)粉質(zhì)黏土層厚度>5 m的段落,止水墻深度按伸入粉質(zhì)黏土層5 m確定,粉質(zhì)黏土層厚度<5 m的段落,止水墻深度按穿透粉質(zhì)黏土層確定,無粉質(zhì)黏土層段落深度與鄰近段落一致?；訓|側(cè)半?yún)^(qū)坑底100 m深度范圍內(nèi)均為強透水地層,采用封底混凝土方案進行坑底封水;東西兩區(qū)之間設(shè)置橫向止水帷幕搭設(shè)進入粉質(zhì)黏土層。

表2 不同方案比選評價Table 2 Comparison of joint configuration options

5 結(jié)語

1)通過數(shù)值模擬研究,認為放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落地式素混凝土止水墻組合方案的支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形要明顯小于錨拉雙地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案與錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案的支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形。

2)綜合數(shù)值模擬結(jié)果與實際施工條件分析,認為當干塢基坑地層下部存在穩(wěn)定連續(xù)的相對隔水層時,放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式止水素混凝土止水墻組合方案為最優(yōu)方案。

3)西汊干塢所在區(qū)域地層存在隔水黏土層深埋且不連續(xù)的特點,西側(cè)半?yún)^(qū)隔水黏土層埋深約為70 m,東側(cè)半?yún)^(qū)隔水黏土層埋深超過100 m,在K9+975處設(shè)置1 000 mm厚,豎向長64 m的素混凝土止水墻,將西汊干塢基坑分割成東西兩半?yún)^(qū),西半?yún)^(qū)采用放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式止水素混凝土止水墻組合方案,東半?yún)^(qū)采用放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案。