梁磊，梁聰，郭文峰，康樂，趙旭，溫江海

（1.中國中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西 西安 710032；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055）

0 引言

圍堰在水下工程施工中主要承擔來自水土的荷載壓力，為工程施工提供類似無水的施工作業(yè)面。現(xiàn)有圍堰形式較多，淺水區(qū)域圍堰多為土石圍堰，其施工方便，造價較低[1]。橋墩施工多為鋼圍堰，占地面積小，材料可重復利用，技術較為成熟。近年來逐漸出現(xiàn)一種雙排鋼管樁圍堰[2]-[5]，具體結構為兩側插打鋼管樁，形成密閉結構，中間回填土體，提高圍堰穩(wěn)定性。這種圍堰形式同時具備土圍堰和鋼圍堰的優(yōu)點，利用土體與鋼管樁共同抵抗水土壓力，占地面積小，適用于深水或深基坑、水深4m以上、覆蓋層較厚，流速較大的砂類土、黏性土、碎石土及風化巖等堅硬河床。相較傳統(tǒng)鋼圍堰，雙排鋼管樁穩(wěn)定性更高，防水性能好，整體剛度較強。

袁聰聰?shù)萚6]利用三維數(shù)值模擬分析了鋼管樁圍堰雙側和單側鋼管樁在不同樁距下的工況圍堰的受力變形影響；朱涵成等[7]通過進數(shù)值分析，對軟巖地層管廊基坑施工時不同圍堰方案進行優(yōu)缺點比選；張玉成等[8]綜述了雙排鋼管樁圍堰的優(yōu)缺點及方案計算方法，認為現(xiàn)今的雙排鋼管樁圍堰設計計算方法未充分考慮雙排鋼管樁相互作用之間的影響。

目前國內外對雙排鋼管樁圍堰的研究還較少，且鋼管樁的間距對圍堰變形受力影響的相關研究較少，本文以蘇州市滸墅關車輛段圍堰工程為背景，分析圍堰雙側鋼管樁和單側鋼管樁在不同樁距工況下對圍堰的受力變形影響，為類似工程提供參考。

1 鋼管樁圍堰支護變形特性及施工流程

鋼管樁圍堰是將單根鋼管在圍堰兩側逐根打入水下河床土體內，并通過圍檁將相鄰的樁體進行連接并配合水工布等形成一個連續(xù)的，具有擋土和隔水的連續(xù)構造物。在鋼管樁的圍堰支護體系內，鋼管樁是主要受力構件，其駁岸施工過程中所產生的水壓力和土層壓力均由鋼管樁來承擔。

1.1 圍堰水平位移

駁岸在抽水過程中，隨著駁岸背水側水壓力的減少，圍堰臨水側水壓力和其他附加荷載共同作用在圍堰上，引起圍堰向基坑方向變形。

1.2 圍堰豎向位移

駁岸施工時，圍堰豎向位移產生的主要原因一般為圍堰的整體下沉，這是由于圍堰整體結構在自身重力的影響下發(fā)生的土體自然下沉，這種情況在軟土地區(qū)水下工程施工時表現(xiàn)得最為明顯。

1.3 施工流程

河道清淤-放樣-夯打鋼管樁-鋼管樁雙側敷設防水土工布和竹簾片-雙側鋼管樁圍檁加固-圍堰堰體拋填粘性土-背水側控制性降水—間隔觀測記錄圍堰變形和日常養(yǎng)護。

2 工程實例

2.1 工程概況

蘇州市軌道交通6號線滸墅關車輛段工程，運用庫及物資總庫需占用既有河流牌永河，占用河道長度約290m，現(xiàn)場計劃施工河道西側新建駁岸寬0.5m～3.7m，高4.41m～4.99m，圍堰形式為雙排鋼管樁+夾心土圍堰。圍堰及基坑工程總長約79m，寬約3 m。圖1為滸墅關車輛段工程圍堰平面圖。監(jiān)測點選取圍堰典型段AB段并布設7個監(jiān)測點，監(jiān)測點位于圍堰頂部背水側，自降水起，每3h對圍堰監(jiān)控量測進行1次量測。

圖1 圍堰平面圖

2.2 圍堰概況

圍堰設計水位取地勘勘察常水位3.0m，河床標高0.5m，圍堰寬度3m，圍堰兩側設置竹簾片交錯排列，同時設置防水土工布。圍堰頂部標高4.5m，鋼管樁樁長9m，插入深度5m。外側鋼管樁圍檁采用2*50*6鋼管連接，鋼管樁樁距不超過0.5m。雙排鋼管樁使用直徑16mm的鋼絲繩相互連接。圍堰設計示意圖見圖2～圖3。

圖2 鋼管樁圍堰主體斷面圖

圖3 鋼管樁圍堰平面結構布置圖

3 有限元模型

3.1 模型尺寸

根據(jù)實際工程情況，建立有限元模型，選取該圍堰典型長條段進行計算。根據(jù)相關經驗，土層厚度取鋼管樁樁長的2倍進行模擬。一般情況下，圍堰與圍檁采用彈性模型，各土層采用3D實體單元來模擬，圍堰采用2D板單元來模擬，鋼管樁、圍檁采用1D梁單元進行模擬。

圖4 有限元三維模型

3.2 模型參數(shù)選取

土體和鋼材需采用不同模型進行定義，其中土體采用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）模型，鋼材采用彈性模型（Elastic）。對于鋼管樁在有限元建模時，將鋼管樁圍堰等效為地連墻，其地連墻公式按照下式進行計算：

在本模型中，D=250mm，t=0.5m，求得轉換后的地連墻厚度h=145mm。

本文充分考慮了項目所在地區(qū)的地質情況，結合地質勘查所得到的結果，選用的材料參數(shù)如下表所示。

模型計算參數(shù)表

3.3 施工階段模擬

圍堰施工通過Midas的激活/鈍化來實現(xiàn)，模型施工階段與實際工程基本一致，準確計算各單元的內力變形情況，具體施工階段如下：

①初始滲流場與初始應力場分析；

②施工封底混凝土；

③激活鋼管樁圍堰；

④圍堰內第一次降水，抽水至常水位以下0.5m；

⑤圍堰內第二次降水，抽水至常水位以下1m；

⑥圍堰內第三次降水，抽水至常水位以下1.5m；

⑦圍堰內第四次降水，抽水至常水位以下2m；

⑧圍堰內第五次降水，抽水至常水位以下2.5m；

模型計算參數(shù)（見下表）。

4 結果分析

4.1 模型可靠性驗證

在工程施工時，圍堰中段每隔20m內設置一處水平位移監(jiān)測點，共設置7個監(jiān)測點。水平和豎向位移監(jiān)測點為共用點，監(jiān)測點設置在駁岸頂部。

由圖5與實測結果相比，數(shù)值計算在降水起始階段，總位移變化較大，隨后位移曲線逐漸變緩，最后水位從1.5m下降至0.5m區(qū)間，位移變化率再次增大，監(jiān)測點①和監(jiān)測點⑦處位移在實測和模擬中均為較小值。位移實測和數(shù)值計算結果略有偏差，兩者中最大的位移分別為14.31mm、13mm，相差9.15%。從數(shù)值計算結果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比中可以看出，數(shù)值計算結果與監(jiān)測數(shù)據(jù)相差不大，變形趨勢接近，本數(shù)值模型可反映工程實際情況。

圖5 實測與模擬對比分析

4.2 樁距對圍堰變形的影響

為研究不同樁距下，對圍堰施工降水過程中圍堰頂部總變形量的影響。保持模型其他參數(shù)不變，改變鋼管樁雙排樁距，分析鋼管樁雙排樁距同時變化圍堰頂部變形影響。保持一側鋼管樁樁距不變，改變內側或外側鋼管樁樁距，分析單側鋼管樁不同樁距時對圍堰頂部變形的影響。

鋼管樁不同樁距圍堰頂部總變形的分析結果如圖6，從圖中曲線可以看出，當樁距從本工程所采用的500mm樁距開始減小時，圍堰頂部總變形量變化率明顯小于樁距遞增時圍堰頂部總變形量變化率。故考慮材料用量的情況下，鋼管樁采用雙排間距500mm方案最為經濟和安全。

圖6 不同樁距下圍堰頂部總變形

相比于只改變內側單側鋼管樁樁距，只改變外側單側鋼管樁樁距，對圍堰頂部總變形量所產生的影響更為明顯，故在保證圍堰承載力的情況下，可以適當增大內側鋼管樁樁距，節(jié)省材料，經濟效益更為明顯。

5 結論

以滸墅關工程為依托，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結果，建立數(shù)值模型，進行實測與模擬對比，獲得與本工程相符的模型參數(shù)，進而研究鋼管樁樁距，圍檁尺寸對鋼管樁圍堰的應力變形影響，得出如下結論。

①內、外樁距同步增大會導致鋼管樁圍堰總變形，隨著樁距增幅提高，鋼管樁變形增速先提高后減緩；

②內、外側樁距單獨增大，對圍堰影響不同，相同增長幅度下，外側樁距變化對圍堰影響明顯大于內側樁距變化。本工程結果為外側樁距由0.5m增長為1m時，圍堰變形量增加20.30%，而內側樁距同等變化時，圍堰變形量增加14.31%；

③通過分析單排管樁和雙排管樁在不同樁距下頂部位移的影響，可以得出在進行圍堰施工時，在保證圍堰的承載能力的同時，可以適當減少管樁的用量。在本工程模擬中，施工方案可按內側樁距不變，外側樁距適當增大調整，減少圍堰頂部總變形量。