謝靖宇 洪 釗 黨星賽 李會(huì)軍 朱 君 楊博文 黃 俊

(1.中交隧道工程局有限公司，南京 211100; 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098; 3.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

引言

在淺水區(qū)修建隧道時(shí)，常需設(shè)置臨時(shí)圍堰。圍堰的常見類型有土石圍堰、鋼筋混凝土圍堰、鋼板樁圍堰等。采用定位樁與鋼板樁構(gòu)成的圍堰共同承受水流、波浪的沖擊和土壓力作用，可確保鋼板樁圍堰不會(huì)在軟弱淤泥中發(fā)生整體傾覆，降低了風(fēng)浪對(duì)預(yù)制承臺(tái)的安裝影響，可有效延長(zhǎng)海上作業(yè)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了大型跨海大橋圍堰施工工廠預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)場(chǎng)安裝裝配化[1]。雙排鋼板樁圍堰作為一種重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過將兩排鋼板樁打入水中，在兩排鋼板樁間設(shè)置拉桿并填土，使其起到支撐作用且具擋水特性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于市政工程及水利工程領(lǐng)域[2]。

針對(duì)雙排土芯鋼板樁的變形特點(diǎn)，侯永茂等分析加固圍堰內(nèi)側(cè)土體對(duì)控制圍堰變形的作用，認(rèn)為雙排鋼板樁圍堰變形較大，具有顯著的三維空間效應(yīng)[3]；朱艷等研究深厚淤泥質(zhì)軟土地基條件下雙排鋼板樁圍堰的變形特性，在淤泥地層施工時(shí)打入樁施工和樁身止水性能都能得到保證，但有發(fā)生較大樁身整體變形的可能，應(yīng)考慮內(nèi)側(cè)坑底加固，以避免踢腳穩(wěn)定性破壞[4]。

針對(duì)不同工序?qū)︿摪鍢蹲冃蔚挠绊?，徐順平等研究軟土地基條件下雙排鋼板樁圍堰在5種不同抽水速率工況下變形和應(yīng)力[5]；羅毅等建立有限元模型，分析海域雙排鋼板樁圍堰與明挖基坑變形特征和相互影響規(guī)律[6]；趙挺生等針對(duì)工程實(shí)例，建立SAP2000三維有限元模型，并將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與獲得的各工況下鋼板樁圍堰及其內(nèi)支撐體系的結(jié)構(gòu)變形、構(gòu)件受力和整體振型進(jìn)行比較[7]；崔春義等通過建立有限元數(shù)值模型，對(duì)不同水位下鋼板樁圍堰在加載過程中的受力變形特征進(jìn)行分析[8]；張政偉等通過分析工程實(shí)例中鋼板樁圍堰變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬，得出圍堰支護(hù)施工過程中的最不利工況，認(rèn)為圍堰內(nèi)支撐軸力受基坑周邊荷載的影響明顯[9]。

在復(fù)雜荷載作用下，雙排鋼板樁圍堰的變形較明顯，不同工序下迎水面、背水面鋼板樁的變形特性存在一定差異，其機(jī)理尚不明確。以下利用PLAXIS 3D建立了數(shù)值模型，對(duì)竺山湖隧道的雙排鋼板樁圍堰進(jìn)行模擬，研究圍堰迎水面、背水面鋼板樁在圍堰內(nèi)側(cè)降水、基坑開挖等工序下的變形特性及內(nèi)力分布情況，以期揭示其危險(xiǎn)截面及其變形機(jī)理，并提出有針對(duì)性的建議。

1 工程概況

341省道無(wú)錫馬山至宜興周鐵段設(shè)置竺山湖特長(zhǎng)隧道1座，總長(zhǎng)7 680 m，其中湖區(qū)段長(zhǎng)5 980 m，采用100 km/h的雙向六車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。湖底相對(duì)較平，線路區(qū)經(jīng)過湖域段平均水深2.2～2.5 m，流速較小，全年均在0.01～0.10 m/s量級(jí)。該隧道采用明挖法施工，沿路線方向湖域內(nèi)設(shè)置縱向圍堰，與路線大致平行，總長(zhǎng)度約為湖面寬度的1/2，縱向圍堰與基坑開挖邊線的距離≮2倍基坑深度。圍堰內(nèi)隧道采用多倉(cāng)流水施工的方式，各倉(cāng)間設(shè)置1道橫向圍堰，單側(cè)形成4個(gè)獨(dú)立圍堰分倉(cāng)。臨時(shí)大堤段平面見圖1(a)。雙排土芯鋼板樁圍堰樁頂高程為5.074 m，采用SP-IVw型拉森鋼板樁，樁間距6 m，樁長(zhǎng)15.5 m，插入地下10 m，圍堰斷面示意見圖1(b)。

圖1 臨時(shí)大堤段及圍堰示意(單位：mm)

2 模型建立

2.1 土體本構(gòu)模型

選擇土體硬化模型，該模型的基本特征是考慮了土體剛度的應(yīng)力相關(guān)性，也結(jié)合了三軸模型試驗(yàn)的相關(guān)結(jié)果。相較于其他類型的模型相比，土體硬化模型不僅可以表現(xiàn)出主偏量引起的不可逆應(yīng)變，也能在土體壓縮的過程中進(jìn)行壓縮變形的模擬，該二階模型可用于模擬砂土、碎石土，也可用于模擬黏土和淤泥等軟土，能更真實(shí)地反映土體的非線性特性[10-12]。

在土體硬化模型中，三軸加載下的豎向應(yīng)變?chǔ)?和偏應(yīng)力q之間為雙曲線關(guān)系，有

(1)

式中，qa為抗剪強(qiáng)度漸進(jìn)值；E50為主加載下與圍壓相關(guān)的剛度模量。E50計(jì)算公式為

(2)

式中，σ3為主應(yīng)力。

卸載剛度模量和再加載的應(yīng)力路徑采用的應(yīng)力相關(guān)剛度模量關(guān)系為

(3)

根據(jù)鉆探揭露，圍堰斷面土層主要強(qiáng)度參數(shù)見表1。

表1 土層抗剪強(qiáng)度(直剪快剪)參數(shù)及壓縮性質(zhì)指標(biāo)

各層土體的土體硬化模型剛度參數(shù)見表2。

表2 各土層土體硬化模型剛度參數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)單元及參數(shù)

模型使用PLAXIS 3D中的板單元結(jié)構(gòu)模擬鋼板樁，梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)模擬鋼拉桿。模型中各個(gè)結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表3。

表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

2.3 模型尺寸與邊界

模型土體尺寸為 130 m×30 m×20 m，土體寬30 m，單根鋼板樁寬0.6 m，迎水面、背水面各50根；設(shè)有25根鋼拉桿，雙排土芯鋼板樁的總體尺寸為6 m×30 m×15.5 m。在鋼板樁兩側(cè)創(chuàng)建正向界面單元，模擬樁與土的相互作用。模型邊界條件：底面以及4個(gè)側(cè)面設(shè)置固定約束，底面以及4個(gè)側(cè)面設(shè)置固定約束，滲流表面設(shè)置地下水滲流邊界條件(見圖2)。

圖2 模型邊界條件示意

2.4 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模型的網(wǎng)格劃分見圖3，單元數(shù)為45 659個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為70 050個(gè)。

圖3 網(wǎng)格劃分示意(單位：m)

2.5 施工步驟

模型各階段按現(xiàn)場(chǎng)的施工過程來設(shè)置，具體工序如下。

(1)打設(shè)鋼板樁：圍堰的插入比為1.8(處于1.5～2.0之間，取值偏安全)[15-16]，該階段激活鋼板樁結(jié)構(gòu)，加載類型選擇分步施工。

(2)回填并安裝拉桿：該階段激活兩排鋼板樁之間的填土以及鋼拉桿結(jié)構(gòu)，加載類型選擇分步施工。

(3)圍堰內(nèi)側(cè)抽水：該階段通過取消雙排土芯鋼板樁圍堰內(nèi)側(cè)的荷載來模擬抽水，外側(cè)荷載保持不變，加載類型選擇分步施工。

(4)堰腳堆土及基坑開挖：該階段激活堰腳加固的土體，將開挖部分的土體設(shè)置為停用狀態(tài)。開挖深度為12.38 m，基坑總寬44 m，坡度為1∶1.5。

3 結(jié)果分析

抽水后整體鋼板樁的水平位移和彎矩見圖4，鋼板樁在各個(gè)工序下計(jì)算的最大值見表4。

圖4 鋼板樁水平位移及彎矩(抽水)

表4 鋼板樁各個(gè)工序下計(jì)算最大值

由圖4可知，背水面的鋼板樁位移大于迎水面，鋼板樁地表以上部分水平位移呈現(xiàn)中間大頂部小的現(xiàn)象。

彎矩峰值出現(xiàn)在鋼板樁與土的交界面處和鋼拉桿處，這兩處是鋼板樁的危險(xiǎn)截面。由表4可知，鋼板樁的位移和內(nèi)力在抽水時(shí)的變化最為明顯，故應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注抽水后由于兩側(cè)水位不等引起的鋼板樁變形。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于與圍堰回填土面水平的鋼板樁上。一般段間距為50 m。軟土段、轉(zhuǎn)角處適當(dāng)加密。南北側(cè)鋼板樁每個(gè)斷面布置4個(gè)點(diǎn)，每側(cè)布置2個(gè)。

鋼板樁水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)采用三角高程測(cè)量方法，控制網(wǎng)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)均按TB10101—2018《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》[17]二等水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)技術(shù)要求觀測(cè)。

考慮到實(shí)際工程中不會(huì)出現(xiàn)較高應(yīng)力的情況，故按實(shí)際設(shè)計(jì)的情況作為邊界條件進(jìn)行驗(yàn)證和研究。

施工過程中鋼板樁測(cè)斜點(diǎn)CX7570.1樁體水平位移見圖5，監(jiān)測(cè)結(jié)果反映了鋼板樁在地表以下的位移情況，由圖5可知，水平位移值最大值為5.5 mm?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比見圖6。由圖6可知，二者總體趨勢(shì)較為一致，模擬值相比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)偏小，這主要是因?yàn)閿?shù)值模擬未能充分考慮土體的變形特點(diǎn)，土體參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際土體中存在一定差異。

圖5 CX7570.1測(cè)點(diǎn)樁體水平位移

圖6 水平位移對(duì)比

為了更詳細(xì)地探究迎水面及背水面2根鋼板樁不同位置的受力和變形情況，在板單元迎水面和背水面選取2個(gè)剖面，分別代表2根鋼板樁，其中剖面A在背水面鋼板樁處，剖面B在迎水面鋼板樁處(見圖7)。

圖7 剖面位置示意

圖8(a)為剖面A位置鋼板樁不同工序時(shí)的水平位移。第1工序時(shí)(打樁)，鋼板樁沒有明顯的位移；第2工序時(shí)(回填)，樁體位移的最大值位于鋼板樁所在地表高程和鋼拉桿高程之間，由于鋼拉桿以及土體對(duì)鋼板樁的變形產(chǎn)生約束作用，使得樁體出現(xiàn)了這種中間向外凸出的復(fù)合變形現(xiàn)象；在第3工序時(shí)(抽水)，由于抽水后鋼板樁兩側(cè)水壓力的變化，中間凸出部分位移有所增加，且降水速率的快慢，對(duì)圍堰鋼板樁水平位移累計(jì)量的影響較為明顯；第4工序時(shí)(基坑開挖)，對(duì)鋼板樁的影響較小。

圖8(b)為剖面B位置鋼板樁在不同工序下的水平位移?？梢钥吹接娴匿摪鍢段灰泼黠@小于背水面，在第2工序時(shí)，樁體中間向外凸出；在第3工序后，由于水壓力的影響，凸出的部分向內(nèi)偏移；第4工序?qū)咦冃蔚挠绊戄^小。羅毅等的研究中，基坑與雙排鋼板樁圍堰之間距離8 m，留作施工平臺(tái)?；优c圍堰之間距離較小時(shí)，由于地連墻的約束作用，圍堰與基坑的距離減小后鋼板樁圍堰的變形也會(huì)相應(yīng)有所減??；但當(dāng)圍堰與基坑的距離超過一定范圍后，基坑和鋼板樁圍堰之間的相互影響就比較小。本工程中圍堰內(nèi)基坑深度為12.38 m，基坑總寬44 m，采用分臺(tái)階放坡開挖，基坑兩側(cè)以1∶1.5的邊坡至高程-0.574 m處設(shè)2.5 m寬?cǎi)R道，平臺(tái)向上以1∶1.5的坡率至基坑頂部，基坑頂部與雙排土芯鋼板樁圍堰的距離大于50 m，基坑開挖對(duì)圍堰的變形影響較小。由此可以看出，在實(shí)際工程中，當(dāng)基坑較小時(shí)，可通過減小施工平臺(tái)寬度和增大基坑內(nèi)支撐剛度等方式來減小鋼板樁圍堰變形；對(duì)于大斷面基坑開挖，應(yīng)在圍堰與基坑之間設(shè)置較長(zhǎng)的距離來減小圍堰的變形。

圖8 鋼板樁不同工序水平位移(單位：m)

鋼板樁不同工序彎矩分布見圖9，由圖9(a)可知，由于鋼拉桿的支撐作用，迎水面鋼板樁在鋼拉桿的位置產(chǎn)生顯著的正向彎矩。由圖9(b)可知，彎矩的最大值出現(xiàn)在背水側(cè)鋼板樁在地表所在高程處，故應(yīng)在抽水后進(jìn)行堰腳堆土，圍堰內(nèi)側(cè)土體加固可以有效地限制雙排鋼板樁圍堰的變形。對(duì)堰腳加固后，該處的彎矩有所減小。

圖9 鋼板樁不同工序彎矩分布

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬對(duì)竺山湖隧道施工鋼板樁圍堰進(jìn)行研究，并著重分析了圍堰迎水面、背水面鋼板樁在不同工序復(fù)雜荷載作用下的變形及內(nèi)力，總結(jié)了雙排鋼板樁的變形特性，結(jié)論如下。

(1)圍堰的變形區(qū)域主要位于鋼板樁在地表高程和鋼拉桿高程之間，呈現(xiàn)為中間凸出的復(fù)合變形特征。

(2)圍堰的受力集中于鋼拉桿支撐處以及鋼板樁近地表處，其中圍堰背水面鋼板樁的堰腳處彎矩最大，應(yīng)有針對(duì)性地進(jìn)行加固。

(3)迎水面鋼板樁位移較小，背水面鋼板樁位移較大。在水壓力的作用下，迎水面鋼板樁樁頂處產(chǎn)生了向圍堰內(nèi)側(cè)的位移，背水面鋼板樁樁頂處產(chǎn)生了向圍堰外側(cè)的位移。

(4)抽水過程中雙排鋼板樁的位移和內(nèi)力變化最為明顯，應(yīng)特別關(guān)注此階段圍堰的穩(wěn)定性。