曹偉，吳合良

（湖南省大岳高速洞庭湖大橋建設開發(fā)公司，湖南岳陽 414021）

洞庭湖大橋葫蘆形基坑支護結構施工監(jiān)控分析

曹偉，吳合良

（湖南省大岳高速洞庭湖大橋建設開發(fā)公司，湖南岳陽 414021）

對洞庭湖大橋君山側錨碇基坑進行三維非線性有限元分析，介紹了三維模型的建立、單元選取及參數(shù)設置，對施工過程中地下連續(xù)墻、內襯在施工各工況下的變形和受力情況進行數(shù)值模擬，同時在施工過程中對地下連續(xù)墻和內襯鋼筋應力、地下連續(xù)墻深層水平位移等進行監(jiān)測，結合監(jiān)測結果及施工過程討論了三維有限元計算分析的可靠性，為基坑設計施工提供參考。

橋梁；洞庭湖大橋；基坑支護；施工監(jiān)測；有限元分析

1 工程概況

湖南大岳（臨湘—岳陽）高速公路是國家高速公路網規(guī)劃中的第12條橫線杭州至瑞麗國家高速公路在湖南省內的重要組成部分。洞庭湖大橋是大岳高速公路關鍵控制性工程，位于原洞庭湖大橋以北下游3km洞庭湖入長江的咽喉地段，東起七里山，橫跨洞庭湖，西至君山區(qū)蘆葦場。主橋采用雙塔雙跨鋼桁架梁懸索橋，跨徑組成為3×60 m+（1 480 +453.6）m+（34.58+4×60.5）m，全長2.39km。

大橋兩岸錨碇為重力式錨碇，地下連續(xù)墻深基礎?；悠矫娉屎J形，長98 m，寬64 m，由兩個不相等半徑的圓弧組成，小圓半徑28 m，大圓半徑32 m，中間設置一道隔墻，由隔墻將基礎分為錨碇前、后倉兩部分（見圖1）?；A圍護采用1.2 m厚地下連續(xù)墻，基礎頂面高程為+25.0 m，底面高程為-14.5～-22.5 m，總深度為39.5～47.5 m，共67幅，總方量約16 555 m3，采用水下C35砼澆筑。外側地下連續(xù)墻內襯從上向下依次為：基礎頂面以下0～9 m深度內厚1.5 m；9～18 m深度內厚2.0 m；18～27 m深度內厚2.5 m；超過27 m深度厚3.0 m；中間隔墻處地下連續(xù)墻兩側豎向各設1.2 m厚內襯（見圖2）。帽梁、內襯采用C30砼，普通鋼筋采用HRB400、HRB500。

圖1　錨碇基坑平面圖（單位：cm）

圖2　錨碇基坑立面圖（單位：標高為m，其他為cm）

錨碇區(qū)場地地層主要分為4層：第1層為第四紀全新世沖湖積物，以黏土和淤泥質黏土為主；第2層為礫石、卵石層；第3層為全風化～強風化混合巖；第4層為中風化～微風化混合巖。下伏中風化、微風化泥質板巖和砂質板巖的承載力高，地質條件良好，可作為錨碇基礎持力層。

地下連續(xù)墻施工采用銑槽機，接頭采用銑接法施工工藝。為防止成槽過程中孔壁坍塌，對地下連續(xù)墻內外兩側采用三軸攪拌樁進行地基加固，并在地下連續(xù)墻外側距離10 m位置做一道墻厚0.9 m的止水帷幕防滲。

2 有限元計算模型

根據(jù)錨碇基坑支護結構的特點，采用ANSYS 14.5對該基坑建立三維有限元模型，利用基坑支護結構的對稱性，取1/2部分進行模擬分析（見圖3）。模型計算范圍：豎向計算深度取基坑開挖深度的2倍，水平方向基坑長、寬取開挖深度的3倍。巖土采用Solid65實體單元模擬，地下連續(xù)墻與外側土體及開挖土體接觸面采用Targe170和Conta174接觸單元模擬，摩擦系數(shù)取0.4。計算模型考慮土圍堰荷載及施工荷載，在地下連續(xù)墻周圍一定范圍內施加地表壓力150 kPa。綜合考慮計算規(guī)模，基坑外側土體和地下連續(xù)墻采用映射網格、開挖土體采用自由網格劃分，地下連續(xù)墻外側土體及基坑底部土體網格劃分較粗，單元總計143 402個。

圖3　開挖前有限元模型

根據(jù)地勘報告，地層由淤泥質黏土（28.7 m）、砂礫層（1.1 m）、全風化板巖（9.9 m）、強風化板巖（7.2 m）、中風化與微風化板巖（20.3 m）組成?？紤]計算模型的規(guī)模，對地層結構進行簡化，大致分為3層：以黏土、淤泥質黏土及1.1 m厚礫石、卵石層為第1層，厚度按30 m考慮，材料特性按淤泥質黏土取值；第2層全風化～強風化混合巖取18 m；模型48 m以下至基底為第3層，按中風化～微風化混合巖考慮。地下連續(xù)墻槽段考慮施工偏差及施工過程泥皮對墻體環(huán)向受壓剛度的削弱，根據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》附錄T取低限值，對地下連續(xù)墻C35彈性模量按0.4折減。地層及支護結構力學性能參數(shù)取值見表1。

結合該項目實際情況，為便于計算分析，采用彈塑性理論并作如下假定：1）各層土體為各向同性的彈塑性土體；2）不考慮地下水壓力影響；3）錨碇前、后倉土體及砼澆筑采用對稱平挖流程；4）考慮內襯砼收縮及普通鋼筋對結構的影響。邊界條件：上表面為自由面；四周邊界面約束法向位移；底部約束3個方向位移。

3 計算工況及結果分析

基坑內襯采用逆作法施工，考慮開挖施工過程，計算中通過時間步考慮26種工況：1）自重應力場平衡；2）施加地表超載，施加地下連續(xù)墻后平衡；3）施加第1層內襯，第2步開挖；4）施加第2層內襯，第3步開挖；……；14）施加第11層內襯，第12步開挖；15）施加第12層內襯，第13步開挖。

通過ANSYS三維有限元計算，對地表沉降、基坑隆起、地下連續(xù)墻在開挖過程中的變形和彎矩進行分析，計算結果見表2。

表1　地層及支護結構力學參數(shù)

表2　施工階段有限元計算結果

由表2可知：施工過程中最大縱向正彎矩為787.2 k N·m，最大縱向負彎矩為-1 670 k N·m，均出現(xiàn)在最后開挖步；最大環(huán)向正彎矩為1 908.3 k N·m，出現(xiàn)在第8開挖步；最大環(huán)向負彎矩為-2 411.9 k N·m，出現(xiàn)在第12開挖步。地下連續(xù)墻最大變形量為12.5mm，出現(xiàn)在最后開挖步；基坑隆起最大值為63.2mm，出現(xiàn)在第6開挖步；地表沉降最大值為4.2mm，出現(xiàn)在最后開挖步。

4 監(jiān)測分析

根據(jù)君山側地下連續(xù)墻施工過程中需關注的重點，主要對地下連續(xù)墻和內襯鋼筋應力、地下連續(xù)墻深層水平位移進行監(jiān)測分析。

4.1地下連續(xù)墻鋼筋應力監(jiān)測

在橋軸線上、與橋軸向成45°及與垂直橋軸線方向成15°角上分別布置地下連續(xù)墻鋼筋應力測點（見圖4）。鋼筋應力計布設在預設槽段的中部徑向剖面內弧和外弧主筋上，每層對應布置2支元件。君山側小圓共8層，每層5個槽段需監(jiān)測，每個槽段16個鋼筋應力計；大圓共9層，每層5個槽段需監(jiān)測，每個槽段18個鋼筋應力計；大小圓隔斷處8層，每層1個鋼筋應力計。共布設178個鋼筋應力計。

圖4　地下連續(xù)墻鋼筋應力計布置示意圖（單位：cm）

根據(jù)監(jiān)測結果，地下連續(xù)墻鋼筋累計最大拉應力為32.94 MPa，位于1#槽段外側；累計最大壓應力為-36.20 MPa，位于23#槽段內側。拉應力變化量最大值為6.65 MPa，位于16#槽段內側；壓應力變化最大值為-32.49 MPa，位于23#槽段內側。均未超過設計預警值，地下連續(xù)墻鋼筋應力水平較低，設計偏安全，有優(yōu)化的空間。

4.2錨碇內襯鋼筋應力監(jiān)測

在橋軸線上、與垂直橋軸線方向成15°角上分別布置錨碇內襯鋼筋應力測點（見圖5）。鋼筋應力計布設在徑向剖面內弧和外弧主筋上，自地下連續(xù)墻帽梁頂部向下分層布設，每層對應布置2支元件。君山側小圓共4層，每層3個剖面需監(jiān)測，每層6個鋼筋應力計；大圓共5層，每層3個剖面需監(jiān)測，每層6個鋼筋應力計。共布設54個鋼筋應力計。

圖5　內襯鋼筋應力計平面布置示意圖（單位：cm）

根據(jù)監(jiān)測結果，內襯內側累計鋼筋應力最大變化值為-40.02 MPa，位于16#槽段；外側累計鋼筋應力最大變化值為43.12 MPa，位于15#槽段，均未超過設計預警值，鋼筋應力富余較大，設計偏安全。

4.3地下連續(xù)墻深層水平位移監(jiān)測

地下連續(xù)墻墻體深層水平位移通過預埋測斜管監(jiān)測，測斜管布置見圖6，水平位移變化曲線見圖7。

圖6　地下連續(xù)墻內測斜管布置（單位：cm）

根據(jù)監(jiān)測結果，地下連續(xù)墻深層水平位移變化量最大值位于CX4測斜管4.0 m深度處，為1.03mm（日變化量0.15mm），位移方向為傾向基坑內側；累計位移量最大值位于CX9測斜管0.5 m深度處，為14.01mm，位移方向為傾向基坑內側。

5 監(jiān)測結果與計算結果分析

地下連續(xù)墻最大水平位移與實測最大水平位移數(shù)值上基本一致，計算最大值為12.5mm，實測值最大為14.01mm，實測值比計算值大。計算結果表明支護結構整體變形較均勻，但實測中發(fā)現(xiàn)支護結構變形差異性較大，部分區(qū)域發(fā)生較大向基坑外側的位移。根據(jù)地勘報告，錨碇場地存在小斷層發(fā)育，土體環(huán)境復雜，基坑土體開挖過程與計算模擬過程存在較大差別?；訉嶋H開挖采用分區(qū)分塊的方式，非對稱開挖產生不均勻土壓力，導致不均勻變形。

圖7　地下連續(xù)墻CX9測斜管水平位移變化曲線

在進行內襯第10層施工時，監(jiān)測到第8層內襯鋼筋應力變化值較大，內側累計鋼筋應力最大變化值位于16#槽段，為238.53 MPa；外側累計鋼筋應力最大變化值位于1#槽段，為74.81 MPa；27#槽段累計變化值為180.66 MPa，并且在P16、P27位置出現(xiàn)滲水情況。內襯開裂位置處于傳感器埋置位置附近，經過對整個基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析及現(xiàn)場進行驗證性開挖，內襯開裂是由砼收縮應力所引起，砼收縮使應力計數(shù)據(jù)突增，對結構受力影響較大。

6 結語

針對葫蘆形基坑工程，通過對基坑開挖施工過程進行三維非線性有限元分析，對支護結構內力、變形進行估計，施工監(jiān)測結果表明三維非線性有限元分析結果與該橋實際情況基本一致。主要結論和體會如下：

（1）實測地下連續(xù)墻鋼筋應力最大值為設計值的9.1%，內襯鋼筋應力最大值為設計值的11%，表明支護結構具有較高的安全儲備。該項目內襯厚度有1.5、2、3 m 3種形式，在保障施工安全的前提下，可以對內襯結構形式進行優(yōu)化，以加快施工進度、改善施工質量。

（2）針對內襯開裂問題，一是對結構關鍵位置測點進行加密；二是砼收縮對內襯支護結構內力影響較大，實際施工中內襯可考慮采用微膨脹砼。

（3）為確?；娱_挖的施工安全，需制訂防滲漏預案，可采用高壓旋噴樁或鉆孔壓漿方式處理。

（4）葫蘆形支護結構在開挖過程中同一深度位置土壓力不同，為確?；娱_挖過程中地下連續(xù)墻水平方向土壓力平衡，需根據(jù)設計要求及施工監(jiān)控指令對基坑開挖土體進行有序分區(qū)組織開挖，盡量保證支護結構受力均勻。

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1671-2668（2016）05-0208-04

2016-06-01