徐江平，黃雪陽(yáng)

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 廣州510060）

0 引言

雙排鋼板樁圍堰是進(jìn)行市政過(guò)江、過(guò)河沉管隧道和其他水利工程時(shí)廣泛應(yīng)用的一種支護(hù)形式[1-4]，具有受力性能較好、止水可靠、能承受較大的變形及施工效率高等特點(diǎn)。目前在理論計(jì)算方面，至今仍采用以經(jīng)驗(yàn)為主的半理論、半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，較難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)施工過(guò)程中各類不利工況，計(jì)算模型不夠明確[5-10]。

結(jié)合廣州市如意坊沉管隧道工程，本文采用經(jīng)典土壓力法和有限元方式對(duì)雙排鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定性做了一些分析和對(duì)比，為類似工程提供參考依據(jù)。

1 雙排鋼板樁的受力分析與簡(jiǎn)化計(jì)算方法

雙排鋼板樁作為一種支護(hù)結(jié)構(gòu)，前后排樁由于拉桿（鋼筋）的作用，增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的剛度和整體穩(wěn)定性能，也能有效約束土體的側(cè)向變形，減小樁身內(nèi)力，保證基坑的安全。對(duì)比模袋砂圍堰，具有占地面積小、施工速度快、受力性能良好等優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)雙排鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力分布情況、土體滑裂面對(duì)土壓力的影響、連梁（拉桿）的協(xié)調(diào)作用、樁土相互作用等方面，主要有等值梁法、比例系數(shù)法、等效抗彎剛度法、有限元法等計(jì)算模型和方法[2]。采用經(jīng)典土壓力理論，考慮樁與土的共同作用計(jì)算模型，將雙排鋼板樁分為前排樁，后排樁和拉桿（僅受拉力）。鋼板樁所受到的作用主要為樁后主動(dòng)土壓力，拉桿軸力和被動(dòng)土壓力。因此，按照彈性地基梁和結(jié)構(gòu)受力平衡原理，分別建立前、后排樁側(cè)向荷載下的受力方程，引入樁端不能承受集中剪力和集中彎矩的邊界條件，同時(shí)利用前、后排樁與連梁連接部位的變形協(xié)調(diào)和內(nèi)力關(guān)系，聯(lián)合求解樁頂內(nèi)力與位移，進(jìn)而得到整個(gè)雙排鋼板樁的解。

圍堰臨基坑側(cè)荷載（主動(dòng)土壓力、水壓力）產(chǎn)生的彎矩與后面被動(dòng)土壓力（根據(jù)具體情況考慮靜止土壓力）產(chǎn)生的彎矩關(guān)于拉錨安裝點(diǎn)保持極限平衡，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。一般嵌固深度設(shè)計(jì)值hd可按下式求得：

圖1 雙排鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.1 Calculation Model of Double-row Steel Sheet Pile Cofferdam

式中：hp為合力ΣEpj作用點(diǎn)至樁底的距離；ΣEpj為樁底以上基坑內(nèi)側(cè)各土層水平抗力標(biāo)準(zhǔn)值epjk的合力之和；ΣEai為樁底以上基坑外側(cè)各土層水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值eajk的合力之和；ha為合力ΣEai作用點(diǎn)至樁底的距離。

鋼板樁拉桿軸力和最大彎矩按變位法進(jìn)行計(jì)算，即按照迎水側(cè)鋼板樁和背水側(cè)鋼板樁在拉桿處的內(nèi)向變位相等的原理，采用地基梁模型，建立變形協(xié)調(diào)方程進(jìn)而求得。

2 工程概況

如意坊過(guò)江隧道位于廣州荔灣區(qū)，為城市過(guò)江沉管隧道，沉管與岸上段基坑銜接位置采用圍堰型式施工（見圖2）。經(jīng)比較模袋砂圍堰、鋼管樁圍堰和雙排鋼板樁圍堰等多種型式，結(jié)合工程實(shí)際和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件等諸多因素，最終采用雙排鋼板樁方案。

圖2 圍堰工程平面圖Fig.2 Cofferdam Plane

2.1 場(chǎng)區(qū)地層及巖土參數(shù)

根據(jù)勘察資料，場(chǎng)區(qū)主要出露第四系人工填土層（Q4ml）、海陸交互相沉積層（Q4mc）、沖積層（Q3al）、殘積層（Qel）以及白堊系上統(tǒng)（K2d）碎屑沉積巖層，該段主要土層為〈2-1〉淤泥和〈5-2〉強(qiáng)風(fēng)化帶。

巖土體參數(shù)取值如表1所示。

拉森SP-Ⅳ型鋼板樁[6]采用Q235B，尺寸400 mm×310mm，每延米面積236cm2，每延米抗彎模量2200cm3。

2.2 圍堰支護(hù)方案

沉管隧道圍堰多采用模袋砂、鋼管樁及雙排鋼板樁等支護(hù)結(jié)構(gòu)，其中模袋砂占地面積大，對(duì)環(huán)境影響較大，同時(shí)鋼管樁施工難度較其余兩種方案大。經(jīng)多方案比選，最終確定采用雙排鋼板樁方案，雙排鋼板樁之間回填中粗砂并通過(guò)拉桿連接成整體，形成擋水擋土結(jié)構(gòu)，剖面如圖3所示，采用拉森SP-Ⅳ拉森鋼板樁，臨江側(cè)樁頂高程為8.8 m，背水側(cè)樁頂高程為6.3 m，圍堰幾何尺寸如下：圍堰頂寬7 m，前排鋼板樁長(zhǎng)20 m（進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖3 m），后排鋼板樁長(zhǎng)18.5 m（進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖3 m）。臨江側(cè)拋石反壓寬度6 m、頂標(biāo)高+4.2 m；圍堰內(nèi)吹填砂或整平面標(biāo)高為+4.7 m。

表1 巖土體參數(shù)取值表Tab.1 Geotechnical Parameters Table

圖3 雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 Cross-section of Double-row Steel Sheet Pile Cofferdam

施工工序?yàn)椋孩偎洗螂p排鋼板樁，鋼板樁間清淤至設(shè)計(jì)標(biāo)高；②施工拉桿；③臨江側(cè)拋石、雙排鋼板樁間填砂、圍堰內(nèi)吹填砂同步分段分層同標(biāo)高進(jìn)行（圍堰內(nèi)吹填砂至+4.7 m標(biāo)高）；④雙排鋼板樁間填砂至頂面+6.3 m標(biāo)高，堆砂包，此階段若圍堰內(nèi)水位高于+6.3 m標(biāo)高，則降水至+6.3 m標(biāo)高；⑤圍堰內(nèi)抽水至+4.7 m標(biāo)高，干作業(yè)施工鋼管樁和第1道撐；⑥基坑開挖和其余支護(hù)體系施工。

在5.3 m標(biāo)高處設(shè)置一道拉桿（φ50鋼筋），拉桿水平間距擬定為1.2 m。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 經(jīng)典土壓力法

鋼板樁水土壓力計(jì)算采用水土分算。計(jì)算時(shí)考慮堰頂超載10 kPa。計(jì)算水土壓力如圖4所示。

根據(jù)變位法[3]，迎水側(cè)鋼板樁和背水側(cè)鋼板樁在拉桿處的內(nèi)向變位相等的原理，根據(jù)地基梁模型，建立變形協(xié)調(diào)方程。

令δ1=δ2，可求得拉桿軸力P：

式中：Ea1、Ea2分別為前后排鋼板樁承受的主動(dòng)水土壓力合力值。在圍堰底彎矩最大，求得拉桿軸力為78 kN，外側(cè)鋼板樁彎矩最大為180 kN·m。

圖4 鋼板樁水土壓力計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation Results of Soil and Water Pressure of Steel Sheet Piles

3.2 有限元法

鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算采用Midas-GTS軟件，基于MC準(zhǔn)則彈塑性模型[5]進(jìn)行計(jì)算，模型左右邊界處施加法向約束，底部施加固定約束。計(jì)算模型如圖5所示?？紤]鋼板樁內(nèi)部水土壓力工況下的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

經(jīng)計(jì)算，外側(cè)鋼板樁承受彎矩最大值為145 kN·m，拉桿軸力為59 kN。

通過(guò)對(duì)比經(jīng)典土壓力法和有限元法分析結(jié)果，經(jīng)典土壓力法采用了更為保守的計(jì)算方式（土壓力全部作用在鋼板樁上），計(jì)算的鋼板樁反力和拉桿軸力都較有限元法大。據(jù)此，在初步確定圍堰方案時(shí)采用經(jīng)典土壓力法作為計(jì)算參考，同時(shí)在進(jìn)一步詳細(xì)深化方案時(shí)采用有限元法是比較合理的選擇。

圖5 圍堰整體計(jì)算模型Fig.5 Cofferdam Integral Calculation Model

圖6 鋼板樁內(nèi)力及拉桿軸力計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation Results of Internal Forces of Steel Sheet Piles and the Pull Rod Axial Force

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合如意坊沉管隧道工程對(duì)比采用經(jīng)典土壓力法和有限元法計(jì)算雙排鋼板樁圍堰的受力計(jì)算結(jié)果，指出經(jīng)典土壓力法計(jì)算較有限元法更為簡(jiǎn)便，在一定程度上較有限元法結(jié)果更為保守，在初定方案階段可作為計(jì)算參考，可為今后類似工程提供一定的參考。

另外，對(duì)雙排鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形研究還有待進(jìn)一步完善，如雙排鋼板樁樁-土共同作用、協(xié)同受力等對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和變形影響還有待進(jìn)一步分析。