羅 毅，王建新，彭 琦，王崢崢，馬 敏

(1.深圳市市政設(shè)計研究院有限公司， 廣東 深圳 518029；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

隨著海底隧道、臨海道路、跨海大橋等海域條件下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，水中圍堰和明挖基坑的應(yīng)用越來越多[1-2]，例如澳門大學(xué)新校區(qū)海底隧道[3]、天津海河大橋[4]等。雙排鋼板樁圍堰具有止水效果好、影響范圍小、結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、能承受較大變形、回收利用方便等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，已經(jīng)在涉水工程的基坑圍護(hù)中廣泛應(yīng)用[7-8]。

在海域復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和水文條件下，雙排鋼板樁圍堰與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變形控制是該類工程需要研究的重點(diǎn)問題，張玉成等[9]通過分析軟土基坑設(shè)計的4個關(guān)鍵因素，結(jié)合理論計算，研究雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形，提出了雙排樁簡化計算方法。吳留偉等[10]通過有限元法分析鋼板樁圍堰施工全過程，研究了不同施工工況下圍堰變形情況，得出圍堰設(shè)計時應(yīng)采用設(shè)計高潮位，并對施工全過程進(jìn)行模擬。司鵬飛等[11]針對上海地區(qū)河道工程地質(zhì)條件，建立有限元模型，研究了圍堰寬高比、鋼板樁插入比、鋼板樁型號、拉桿布置等對雙排鋼板樁圍堰變形特征的影響，給出了圍堰設(shè)計參數(shù)的參考取值。目前，相關(guān)研究主要集中在圍堰設(shè)計參數(shù)對自身變形和穩(wěn)定性的影響上，而對雙排鋼板樁圍堰與明挖基坑相互影響作用的分析研究較少，更缺乏海域環(huán)境中圍堰明挖法基坑開挖對圍堰變形影響因素的全面研究。

本文以深圳海濱大道一期A段雙排鋼板樁圍堰與明挖基坑工程為背景，借助有限元模擬方法，系統(tǒng)的研究了海域環(huán)境雙排鋼板樁圍堰與明挖基坑變形特性及影響因素，分析了圍堰與基坑距離、基坑內(nèi)支撐形式及基坑開挖步序等因素對鋼板樁圍堰變形的影響作用，為相關(guān)工程設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

深圳海濱大道一期A段(聽海路—西鄉(xiāng)大道) 擬建工程是海濱大道全線(37.4 km，自南山—沙井)的一段，起點(diǎn)接聽海路(現(xiàn)名為臨海大道)地下道路，以隧道的形式往西穿越前海灣，進(jìn)入寶安中心區(qū)的海岸線后，道路豎向上抬，在裕安西路之前隧道出地面，終點(diǎn)接西鄉(xiāng)大道，如圖1所示。海濱大道海底隧道選址場地為深圳市前海片區(qū)的海灣內(nèi)，沿江高速位于海灣區(qū)西南側(cè)。海灣區(qū)內(nèi)有雙界河、新圳河與桂廟渠等水體匯入，海灣內(nèi)淤泥淤積較嚴(yán)重，需進(jìn)行清淤處理。隧道全長5.50 km，其中海域段長2.34 km，全段采取海底隧道方案。海濱大道海底隧道設(shè)計為雙向8車道，單洞最大跨度約20 m，屬大跨海底市政公路隧道，設(shè)計行車速度80 km/h。隧道擬采用箱型結(jié)構(gòu)形式，受縱斷面標(biāo)高控制，隧道建成后，上覆巖土體較薄。本項目海域段隧道位置比較特殊，臨近沿江高速的安全、防洪保障、環(huán)境保護(hù)和生態(tài)景觀要求高；同時，海域圍堰、超深基坑及軟弱地層等復(fù)雜施工環(huán)境，使圍堰施工與基坑支護(hù)難度大，風(fēng)險高。

圖1 深圳海濱大道隧道工程總體方案

本工程在建造工法選擇、施工工序轉(zhuǎn)換等方面都有較大難度。主線隧道沿線布設(shè)11條進(jìn)出匝道，隧道線位銜接原因，海底隧道埋深較淺，隧道賦存的第四系覆蓋層較厚，礦山法隧道要求隧道圍巖條件較好，盾構(gòu)法隧道必須保證有一倍洞徑的覆土厚度，因此礦山法和盾構(gòu)法不適用；隧址區(qū)域清淤后水深很淺，且臨近沿江高速，限制了沉管法管節(jié)浮運(yùn)和錨定沉放作業(yè)的可行性，因此，工程可行的施工工法為明挖法；較筑堤地下連續(xù)墻圍堰明挖法和土石圍堰明挖法，雙排鋼板樁圍堰明挖法在對沿江高速的影響、清淤與土石方堆填量、圍堰堆載清淤影響、工程造價等方面具備較明顯的優(yōu)勢，因此擬采用雙排鋼板樁圍堰明挖法施工。

2 雙排鋼板樁圍堰—明挖基坑數(shù)值模型

為方便研究不同工況下海域雙排鋼板樁圍堰與明挖基坑的變形規(guī)律，選取深圳海濱大道一期A段具有代表性的圍堰與基坑橫斷面如圖2所示。根據(jù)該工程的初步設(shè)計文件，基坑全長42 m，開挖深度10 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 m厚的地下連續(xù)墻，豎向設(shè)置兩道鋼筋混凝土支撐。雙排鋼板樁之間填充吹填砂并通過鋼拉桿連接形成圍堰，內(nèi)側(cè)鋼板樁長24.7 m，外側(cè)鋼板樁長17.7 m，圍堰寬度為8 m，基坑兩側(cè)預(yù)留施工平臺寬度為8 m。圍堰內(nèi)側(cè)設(shè)置反壓膜袋沙，寬度為10 m，高度為3.6 m，坡比為1∶1.5。

由于模型沿基坑寬度方向幾何對稱，在建模時只選取模型的一半進(jìn)行分析，根據(jù)工程經(jīng)驗，最終確定模型的地層尺寸為水平方向100.0 m，豎向43.6 m，足以避免邊界條件的干擾。借助有限元軟件PLAXIS建立平面應(yīng)變有限元模型如圖 3所示，整個模型單元數(shù)約為3 000個，節(jié)點(diǎn)數(shù)約為24 750個，土體采用15結(jié)點(diǎn)三角形單元模擬，修筑圍堰采用的吹填砂和膜袋沙模型單元也采用15結(jié)點(diǎn)三角形單元模擬，用板單元模擬鋼板樁與連續(xù)墻，用錨定桿模擬混凝土支撐。模型在左、右兩側(cè)邊界約束土體的水平方向位移，底部約束土體水平方向和豎直方向的位移。假定淤泥底高程為0.0 m，計算水位采用設(shè)計高水位9.7 m。

圖2 深圳海濱大道雙排鋼板樁圍堰與明挖基坑典型橫斷面

圖3 雙排鋼板樁圍堰-明挖基坑有限元模型

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

鋼板樁、地連墻采用板單元模擬，混凝土支撐采用錨定桿單元模擬，材料設(shè)置為線彈性模型，鋼板樁、地連墻及混凝土支撐的材料參數(shù)見表2。鋼板樁、地連墻和周圍土體間的相互作用通過設(shè)置界面接觸單元模擬。

表2 鋼板樁、地連墻及混凝土支撐材料參數(shù)

數(shù)值模擬按照本工程圍堰修筑和基坑開挖的實際施工方案進(jìn)行，并對開挖面內(nèi)進(jìn)行降水?；臃?步開挖，多次降水方案，每開挖一層降水至開挖底面以下1 m。按照實際施工順序分成11步施工工況進(jìn)行施工過程模擬，計算分析步見表3。

3 雙排鋼板樁圍堰與明挖基坑變形特性分析

3.1 鋼板樁圍堰施工過程變形特性分析

通過模擬得到的不同工況下內(nèi)外側(cè)兩排鋼板樁水平位移見圖4，可以看到，內(nèi)外側(cè)兩排樁在相同標(biāo)高位置的變形趨勢和大小比較一致，圍堰樁身發(fā)生較大的水平側(cè)移，外側(cè)樁的最大位移出現(xiàn)在樁頂，而內(nèi)側(cè)樁出現(xiàn)在距樁頂約5 m處；在圍堰施工完成(工況5)后鋼板樁最大水平位移約為76 mm，變形主要發(fā)生在圍堰底以下的黏土層；在基坑開挖完成(工況12)后鋼板樁最大水平位移增大到接近113 mm，但樁身的變形趨勢與工況5差別較小，說明基坑開挖造成鋼板樁及周圍土層較大的整體水平側(cè)移。

表3 施工過程計算工況

圖4 不同工況下內(nèi)外側(cè)鋼板樁水平位移

3.2 基坑支護(hù)變形特性分析

模擬得到三次基坑開挖工況下地連墻水平位移如圖5所示，可以看出，第一次基坑開挖(工況8)完成后最大位移出現(xiàn)在地連墻頂，約為14.2 mm；隨著繼續(xù)開挖，地連墻體中部和下部發(fā)生較大水平側(cè)移，由于地連墻上部受到水平方向混凝土支撐的作用，地連墻最大水平位移的位置逐漸下移；而地連墻頂部位移隨著開挖略有減小，可能原因是基坑開挖逐步降水導(dǎo)致地連墻外側(cè)承受的水壓力下降；第三次開挖造成地連墻體中下部發(fā)生較大的水平側(cè)移，最大水平位移達(dá)到39 mm，可以考慮調(diào)整支撐形式，增加第三道支撐以減小墻體位移。

圖5 三次開挖工況下地連墻水平位移

4 雙排鋼板樁圍堰變形影響因素分析

為了系統(tǒng)研究不同工況下海域環(huán)境雙排鋼板樁圍堰的變形影響因素，在前面模擬的基礎(chǔ)上，通過改變設(shè)計參數(shù)得到不同的計算方案，分別研究圍堰與基坑距離、基坑內(nèi)支撐形式及基坑開挖步序等因素對鋼板樁圍堰變形的影響，分析圍堰與基坑間的相互作用特征。

4.1 圍堰與基坑距離的影響

為了研究圍堰與基坑距離(即施工平臺寬度)對鋼板樁圍堰及地連墻變形的影響，在前面模擬方案基礎(chǔ)上，僅改變施工平臺寬度，保持其它參數(shù)不變，選擇施工平臺寬度分別為5 m、7 m、9 m、11 m、13 m五種方案進(jìn)行模擬，得到圍堰與基坑距離對鋼板樁水平位移的影響作用。從圖 6基坑開挖后鋼板樁頂水平位移與施工平臺寬度的關(guān)系可以看出，內(nèi)外側(cè)鋼板樁頂水平位移隨施工平臺寬度增加呈增加趨勢，但增加幅度不大，施工平臺寬度由增加5 m增加到13 m，鋼板樁頂水平位移僅增加8 mm左右。

圖6 鋼板樁頂水平位移與施工平臺寬度的關(guān)系

4.2 基坑內(nèi)支撐形式的影響

基坑內(nèi)支撐形式是基坑支護(hù)的重要設(shè)計參數(shù)之一[17]，為了考查基坑內(nèi)支撐形式對鋼板樁圍堰變形的影響，在第3節(jié)模擬方案基礎(chǔ)上，保持其它參數(shù)不變，通過僅改變基坑內(nèi)支撐設(shè)計方案，建立五組數(shù)值計算模型，對應(yīng)的支撐方案見表 4 (其中混凝土支撐水平間距設(shè)置為9 m，鋼支撐水平間距設(shè)置為3 m，軸向剛度為3×106kN/m)，模擬得到不同基坑內(nèi)支撐形式計算方案下內(nèi)外側(cè)鋼板樁水平位移如圖7所示?？梢钥闯觯瑥闹畏桨?到方案5，基坑支護(hù)整體剛度逐漸變小，鋼板樁頂水平位移呈明顯的增大趨勢，說明增大基坑支護(hù)整體剛度可以有效減小鋼板樁位移。

表4 不同支撐形式數(shù)值計算方案

圖7 不同支撐形式計算方案下鋼板樁頂水平位移

4.3 基坑開挖步序的影響

基坑開挖步序也是基坑設(shè)計的重要參數(shù)之一，為了考查基坑開挖步序?qū)︿摪鍢秶咦冃蔚挠绊?，在?節(jié)模擬方案基礎(chǔ)上，保持基坑內(nèi)設(shè)置兩道混凝土支撐，其它參數(shù)不變，通過僅改變基坑開挖步序設(shè)計方案，建立四組數(shù)值計算模型，對應(yīng)的開挖方案見表5(每步開挖前基坑內(nèi)降水至開挖底面以下1 m)，模擬得到不同基坑開挖步序計算方案下內(nèi)外側(cè)鋼板樁與地連墻水平位移如圖8所示。從圖8可以看出，鋼板樁頂水平位移隨開挖步序增加略有減小，但鋼板樁位移的減小幅度較小，說明鋼板樁變形主要決定于基坑和圍堰自身剛度。

表5 不同開挖步序數(shù)值計算方案

圖8 不同開挖方案下鋼板樁頂水平位移

5 結(jié) 論

本文借助PLAXIS有限元模擬軟件，以具體工程為背景開展了海域環(huán)境雙排鋼板樁圍堰與明挖基坑的數(shù)值建模和變形分析，研究了圍堰變形的主要影響因素，得出以下結(jié)論：

(1) 基坑開挖可以造成圍堰較大的水平位移，圍堰設(shè)計時應(yīng)考慮圍堰修筑、抽水、清淤及基坑開挖全過程選擇最不利工況進(jìn)行計算。

(2) 地連墻最大變形出現(xiàn)在墻體中下部，基坑支護(hù)設(shè)計時應(yīng)考慮加強(qiáng)中下部支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度。

(3) 施工平臺寬度和基坑內(nèi)支撐形式對鋼板樁圍堰變形有較大影響，而基坑開挖步序?qū)︿摪鍢秶咦冃斡绊戄^小。通過減小施工平臺寬度和增大基坑內(nèi)支撐剛度等方式可以減小鋼板樁圍堰變形。