梁磊，梁聰，郭文峰，康樂，趙旭，溫江海

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

0 引言

圍堰在水下工程施工中主要承擔(dān)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(jià)較低[1]。橋墩施工多為鋼圍堰，占地面積小，材料可重復(fù)利用，技術(shù)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(jié)構(gòu)為兩側(cè)插打鋼管樁，形成密閉結(jié)構(gòu)，中間回填土體，提高圍堰穩(wěn)定性。這種圍堰形式同時(shí)具備土圍堰和鋼圍堰的優(yōu)點(diǎn)，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(fēng)化巖等堅(jiān)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(qiáng)。

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(cè)和單側(cè)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(jìn)數(shù)值分析，對(duì)軟巖地層管廊基坑施工時(shí)不同圍堰方案進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比選；張玉成等[8]綜述了雙排鋼管樁圍堰的優(yōu)缺點(diǎn)及方案計(jì)算方法，認(rèn)為現(xiàn)今的雙排鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)計(jì)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(nèi)外對(duì)雙排鋼管樁圍堰的研究還較少，且鋼管樁的間距對(duì)圍堰變形受力影響的相關(guān)研究較少，本文以蘇州市滸墅關(guān)車輛段圍堰工程為背景，分析圍堰雙側(cè)鋼管樁和單側(cè)鋼管樁在不同樁距工況下對(duì)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(hù)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(cè)逐根打入水下河床土體內(nèi)，并通過圍檁將相鄰的樁體進(jìn)行連接并配合水工布等形成一個(gè)連續(xù)的，具有擋土和隔水的連續(xù)構(gòu)造物。在鋼管樁的圍堰支護(hù)體系內(nèi)，鋼管樁是主要受力構(gòu)件，其駁岸施工過程中所產(chǎn)生的水壓力和土層壓力均由鋼管樁來承擔(dān)。

1.1 圍堰水平位移

駁岸在抽水過程中，隨著駁岸背水側(cè)水壓力的減少，圍堰臨水側(cè)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(shí)，圍堰豎向位移產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(shí)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(cè)敷設(shè)防水土工布和竹簾片-雙側(cè)鋼管樁圍檁加固-圍堰堰體拋填粘性土-背水側(cè)控制性降水—間隔觀測記錄圍堰變形和日常養(yǎng)護(hù)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

蘇州市軌道交通6號(hào)線滸墅關(guān)車輛段工程，運(yùn)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(jì)劃施工河道西側(cè)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(guān)車輛段工程圍堰平面圖。監(jiān)測點(diǎn)選取圍堰典型段AB段并布設(shè)7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)位于圍堰頂部背水側(cè)，自降水起，每3h對(duì)圍堰監(jiān)控量測進(jìn)行1次量測。

圖1 圍堰平面圖

2.2 圍堰概況

圍堰設(shè)計(jì)水位取地勘勘察常水位3.0m，河床標(biāo)高0.5m，圍堰寬度3m，圍堰兩側(cè)設(shè)置竹簾片交錯(cuò)排列，同時(shí)設(shè)置防水土工布。圍堰頂部標(biāo)高4.5m，鋼管樁樁長9m，插入深度5m。外側(cè)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)布置圖

3 有限元模型

3.1 模型尺寸

根據(jù)實(shí)際工程情況，建立有限元模型，選取該圍堰典型長條段進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，土層厚度取鋼管樁樁長的2倍進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(duì)于鋼管樁在有限元建模時(shí)，將鋼管樁圍堰等效為地連墻，其地連墻公式按照下式進(jìn)行計(jì)算：

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

本文充分考慮了項(xiàng)目所在地區(qū)的地質(zhì)情況，結(jié)合地質(zhì)勘查所得到的結(jié)果，選用的材料參數(shù)如下表所示。

模型計(jì)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(shí)現(xiàn)，模型施工階段與實(shí)際工程基本一致，準(zhǔn)確計(jì)算各單元的內(nèi)力變形情況，具體施工階段如下：

①初始滲流場與初始應(yīng)力場分析；

②施工封底混凝土；

③激活鋼管樁圍堰；

④圍堰內(nèi)第一次降水，抽水至常水位以下0.5m；

⑤圍堰內(nèi)第二次降水，抽水至常水位以下1m；

⑥圍堰內(nèi)第三次降水，抽水至常水位以下1.5m；

⑦圍堰內(nèi)第四次降水，抽水至常水位以下2m；

⑧圍堰內(nèi)第五次降水，抽水至常水位以下2.5m；

模型計(jì)算參數(shù)（見下表）。

4 結(jié)果分析

4.1 模型可靠性驗(yàn)證

在工程施工時(shí)，圍堰中段每隔20m內(nèi)設(shè)置一處水平位移監(jiān)測點(diǎn)，共設(shè)置7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。水平和豎向位移監(jiān)測點(diǎn)為共用點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在駁岸頂部。

由圖5與實(shí)測結(jié)果相比，數(shù)值計(jì)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(diǎn)①和監(jiān)測點(diǎn)⑦處位移在實(shí)測和模擬中均為較小值。位移實(shí)測和數(shù)值計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比中可以看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)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(shí)際情況。

圖5 實(shí)測與模擬對(duì)比分析

4.2 樁距對(duì)圍堰變形的影響

為研究不同樁距下，對(duì)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(shí)變化圍堰頂部變形影響。保持一側(cè)鋼管樁樁距不變，改變內(nèi)側(cè)或外側(cè)鋼管樁樁距，分析單側(cè)鋼管樁不同樁距時(shí)對(duì)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(jié)果如圖6，從圖中曲線可以看出，當(dāng)樁距從本工程所采用的500mm樁距開始減小時(shí)，圍堰頂部總變形量變化率明顯小于樁距遞增時(shí)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(jīng)濟(jì)和安全。

圖6 不同樁距下圍堰頂部總變形

相比于只改變內(nèi)側(cè)單側(cè)鋼管樁樁距，只改變外側(cè)單側(cè)鋼管樁樁距，對(duì)圍堰頂部總變形量所產(chǎn)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(dāng)增大內(nèi)側(cè)鋼管樁樁距，節(jié)省材料，經(jīng)濟(jì)效益更為明顯。

5 結(jié)論

以滸墅關(guān)工程為依托，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，建立數(shù)值模型，進(jìn)行實(shí)測與模擬對(duì)比，獲得與本工程相符的模型參數(shù)，進(jìn)而研究鋼管樁樁距，圍檁尺寸對(duì)鋼管樁圍堰的應(yīng)力變形影響，得出如下結(jié)論。

①內(nèi)、外樁距同步增大會(huì)導(dǎo)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(nèi)、外側(cè)樁距單獨(dú)增大，對(duì)圍堰影響不同，相同增長幅度下，外側(cè)樁距變化對(duì)圍堰影響明顯大于內(nèi)側(cè)樁距變化。本工程結(jié)果為外側(cè)樁距由0.5m增長為1m時(shí)，圍堰變形量增加20.30%，而內(nèi)側(cè)樁距同等變化時(shí)，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(jìn)行圍堰施工時(shí)，在保證圍堰的承載能力的同時(shí)，可以適當(dāng)減少管樁的用量。在本工程模擬中，施工方案可按內(nèi)側(cè)樁距不變，外側(cè)樁距適當(dāng)增大調(diào)整，減少圍堰頂部總變形量。