曾波存,潘傳宗,任耀譜,周興濤

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040; 2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司,北京 100088; 3.湖北文理學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,湖北 襄陽 441053)

0 引言

近年來,我國各地相繼建成(在建)一批長大沉管隧道[1-2],如深中通道沉管隧道、大連灣海底隧道、南昌紅谷隧道、襄陽漢江沉管隧道等,沉管隧道已成為現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系中的一種重要跨海越江通道。作為沉管隧道管節(jié)預(yù)制的關(guān)鍵場所,大型干塢深基坑是沉管隧道工程的重要組成部分,也是沉管隧道設(shè)計的重點和難點。為了減少土方開挖和回填施工量,多數(shù)工程采用軸線干塢形式,即將干塢布置在隧道軸線上,在全部管段拖出干塢后,將干塢排干,進(jìn)行隧道陸上部分的施工。軸線干塢深基坑占地面積大、暴露時間長,在管節(jié)預(yù)制階段,基坑內(nèi)不允許設(shè)置內(nèi)支撐體系,且在沉管預(yù)制過程中,干塢基坑土體需經(jīng)歷開挖、充水、排水等復(fù)雜過程,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載復(fù)雜。盡管干塢深基坑是臨時工程,但由于規(guī)模大、工程費(fèi)用高,對工期影響明顯,同時受到場地、通航等制約,干塢深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案比選在沉管隧道工程設(shè)計中具有舉足輕重的作用。

干塢深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計面臨周邊環(huán)境沉降控制、干塢坑底地下水控制、干塢基坑邊坡穩(wěn)定性控制等諸多技術(shù)難題,合理的干塢深基坑支護(hù)設(shè)計方案對保證沉管隧道工程的成敗及周邊環(huán)境安全至關(guān)重要。彭紅霞等[3]對移動干塢方案和3種固定干塢方案進(jìn)行了綜合比較,論述了不同干塢方案在不同環(huán)境中的適用性及其優(yōu)缺點。林永貴等[4]以廣州如意坊放射線沉管隧道干塢基坑格形連續(xù)墻為例,建立基坑開挖支護(hù)的三維計算模型,探討了格形連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。曲瑩等[5]對上海外環(huán)線越江沉管隧道干塢平面布置方案、干塢基坑邊坡穩(wěn)定性及基坑底部隆起量進(jìn)行了探討。邢永輝[6]基于佛山市汾江路南延線沉管隧道工程,提出了一種新型的旁建干塢方案,以避免軸線干塢工期長、獨(dú)立干塢造價高的缺點。范國剛等[7]結(jié)合建設(shè)環(huán)境、沉管隧道規(guī)模、管段結(jié)構(gòu)類型等,對內(nèi)河復(fù)雜環(huán)境條件下的沉管隧道干塢選擇方法進(jìn)行了探討。黃光虎等[8]基于強(qiáng)度折減法,對港珠澳大橋沉管隧道干塢大型臨時工程擬建場地的巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性開展了數(shù)值分析。韓秀娟等[9]對南昌紅谷隧道干塢深基坑塑性混凝土防滲墻的施工工藝進(jìn)行了探討。劉力英等[10]以廣州洲頭咀沉管隧道軸線干塢塢口模袋砂圍堰工程為背景,基于有限元法分析了干塢塢口模袋砂圍堰的空間變形效應(yīng)。楊春山等[11]以廣州洲頭咀沉管隧道模袋砂圍堰工程為背景,分析了干塢抽水引起的模袋砂圍堰變形規(guī)律。趙康林等[12]對南昌紅谷沉管隧道干塢塢底合理優(yōu)化分區(qū)施工技術(shù)進(jìn)行了探討。

本文以襄陽漢江魚梁州沉管隧道西汊干塢深基坑工程為依托,采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值軟件,分別建立放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式止水墻、錨拉雙地下連續(xù)墻+封底混凝土、錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土3種支護(hù)方案干塢深基坑數(shù)值分析模型,對比分析不同支護(hù)方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形特性,并結(jié)合實際地質(zhì)條件與施工技術(shù),系統(tǒng)開展干塢圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的比選研究。

1 工程概況

1.1 干塢基坑幾何特征

襄陽漢江魚梁洲沉管隧道西汊干塢采用軸線干塢布置方案,預(yù)制臺座沿隧道軸線一字排列,自塢口段往洲內(nèi)方向按W1管節(jié)→WS管節(jié)設(shè)置預(yù)制臺座,全長446 m,沉管預(yù)制臺座間距10 m,在西側(cè)塢口處預(yù)留長度40 m塢口段,為WS管節(jié)沉放對接施工提供作業(yè)空間。干塢東側(cè)塢尾及南側(cè)設(shè)置出入塢坡道。臨江對接端最大開挖深度達(dá)24.2 m,塢底寬76.2 m,塢頂寬104.2 m,干塢頂部地面整平標(biāo)高64.000 m,建設(shè)使用周期長達(dá)18個月。西汊干塢區(qū)深基坑分兩期開挖,第1期整體放坡開挖至塢底標(biāo)高滿足沉管管節(jié)預(yù)制需求,第2期塢底局部垂直開挖至暗埋段結(jié)構(gòu)底標(biāo)高滿足隧道結(jié)構(gòu)施工需求,如圖1所示。

圖1 西汊干塢總平面布置Fig.1 General layout of the west branch dry dock

1.2 工程地質(zhì)與水文條件

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,場地主要由如下由雜填土、粉細(xì)砂、卵石混圓礫、卵石、中砂、泥巖地層組成(見圖2),在局部區(qū)域夾雜淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,雜填土揭示層厚0.50～5.0 m,粉細(xì)砂揭示層厚0.65～13.80 m,卵石混圓礫揭示層厚6.0～10.0 m,卵石地層厚度約25.0 m。漢江西汊河道水面寬約300 m,河底標(biāo)高52.770～62.370 m,最深水深約10 m,最高水位68.570 m,最低水位59.750 m,年平均水位61.520 m。

圖2 西汊干塢段局部地質(zhì)縱剖面Fig.2 Local geological longitudinal section

2 不同支護(hù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計方案

西汊軸線干塢位于隧道軸線上,干塢深基坑坑底高程不僅要考慮浮運(yùn)時的水位高程、管節(jié)高度、管節(jié)浮起時的干舷高度、管段浮起時底部到塢底的最小距離、干塢底部基礎(chǔ)墊層厚度等因素,又要兼顧后期陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板高程條件。因此,在管節(jié)預(yù)制與浮運(yùn)沉放階段,干塢深基坑坑底高程設(shè)置為52.000 m,一旦管節(jié)浮運(yùn)安裝完成后,對其進(jìn)行二次開挖,以達(dá)到陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板高程條件。

2.1 放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式素混凝土止水墻組合方案

干塢基坑上部采用放坡開挖,中部存在一施工平臺(標(biāo)高57.000 m),下部采用錨索地下連續(xù)墻進(jìn)行垂直開挖支護(hù),干塢基坑上部邊坡區(qū)域采用管井法以降低地下水位,下部垂直開挖段在錨索地下連續(xù)墻下側(cè)施作素混凝土止水墻,以封堵垂直開挖區(qū)外側(cè)的地下水,在管節(jié)預(yù)制與浮運(yùn)階段,內(nèi)側(cè)垂直開挖段坑底標(biāo)高為52.000 m,一旦管節(jié)浮運(yùn)安裝完成后,進(jìn)行二次開挖,以滿足陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板高程要求。干塢基坑周邊場坪標(biāo)高64.000 m,坑內(nèi)二次開挖后基坑深度19.65～15.00 m。上部7 m 采用1∶3 放坡開挖,進(jìn)行坡面防護(hù)。下部采用1 m厚錨索地下連續(xù)墻支護(hù),上部鋼筋混凝土地下連續(xù)墻深18～22 m,下部素混凝土止水墻段深度38～42 m,止水墻伸入粉質(zhì)黏土層。

在干塢使用階段,設(shè)置2道錨索,錨索豎向間距2.5 m,縱向間距1.5 m;每根錨索采用3根1×7φs15.2鋼絞線,長度15～20 m,預(yù)加力100 kN;在二次開挖階段,根據(jù)二次開挖深度,增加1道錨索,1～2道鋼管內(nèi)支撐。

2.2 錨拉雙地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案

考慮到管節(jié)預(yù)制與浮運(yùn)階段坑內(nèi)不能存在內(nèi)支撐,同時為了有效控制干塢深基坑周邊地層變形,采用錨拉雙地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。該支護(hù)結(jié)構(gòu)體系與雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)類似,由上下雙排鋼拉桿與前、后兩排地下連續(xù)墻組成一個井式超靜定結(jié)構(gòu),在受力時結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生與主動土壓力反向作用的力偶,使雙地下連續(xù)墻的位移與變形明顯減小,而且受力條件和整體穩(wěn)定性好。

前墻厚度1.2 m,后墻厚度0.8 m,前后墻間距40 m,鋼拉桿直徑90 mm,上排鋼拉桿連接點位于地面以下2 m處,上下兩排鋼拉桿豎向間距6.8 m,縱向間距1.5 m。在管節(jié)預(yù)制與浮運(yùn)階段,坑底標(biāo)高為52.000 m,浮運(yùn)完成后,進(jìn)行二次開挖,使得坑底標(biāo)高滿足陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高要求。初次開挖封底混凝土處基坑時,需在坑深8.6 m處架設(shè)1道臨時鋼支撐,澆筑封底混凝土后拆除鋼支撐進(jìn)行沉管預(yù)制。在管節(jié)浮運(yùn)完成且基坑二次開挖前,鑿除已澆筑的封底混凝土,進(jìn)行二次開挖,到達(dá)陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板設(shè)計標(biāo)高后,再次澆筑2 m厚鋼筋混凝土板以隔斷地下水,且由于基坑開挖深度較大,為了保證基坑穩(wěn)定性,需在最終坑底上部2.5 m設(shè)置1道鋼支撐,進(jìn)行陸域隧道主體結(jié)構(gòu)澆筑,該方案可明顯減少土方開挖量。

2.3 錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案

考慮到干塢基坑開挖深度較大,豎向上需設(shè)置7排預(yù)應(yīng)力錨索,通過鉆孔將鋼絞線錨固于坑外穩(wěn)定的土體中,并通過預(yù)先施加的錨拉力,有效控制基坑周邊土體的沉降和地下連續(xù)墻的水平位移。地下連續(xù)墻體厚度取1.2 m,錨索豎向間距2.5 m,水平縱向間距1.5 m。在管節(jié)預(yù)制與浮運(yùn)階段,坑底標(biāo)高為52.000 m,浮運(yùn)完成后,進(jìn)行二次開挖,使得坑底標(biāo)高滿足陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高要求;初次開挖與二次開挖階段,分別需在坑底設(shè)置2 m厚鋼筋混凝土板以截斷地下水;在管節(jié)浮運(yùn)完成且基坑二次開挖前,鑿除已澆筑的封底混凝土,進(jìn)行二次開挖,到達(dá)陸域隧道主體結(jié)構(gòu)底板設(shè)計標(biāo)高后,再次澆筑2 m厚鋼筋混凝土板以隔斷地下水。在坑底混凝土底板封閉前,需采用管井法降低坑內(nèi)地下水位,該方案可明顯減少土方開挖量。

3 不同支護(hù)方案數(shù)值模擬對比分析

3.1 數(shù)值模型與參數(shù)選取

采用FLAC3D軟件,對3種支護(hù)方案建立快速拉格朗日有限差分?jǐn)?shù)值模型,并考慮干塢深基坑的對稱性,取1 /2基坑尺寸建立分析模型,如圖3所示。各數(shù)值模型頂部為自由地表,左側(cè)施加水平向位移固定約束邊界條件,右側(cè)為對稱邊界,施加水平位移固定約束邊界條件,模型底部同時施加水平與豎向位移約束邊界條件。基于現(xiàn)場巖土工程勘察報告,將土體單元從上至下劃分為粉細(xì)砂層、卵石混圓礫層、圓礫層,各土層本構(gòu)模型均采用基坑工程分析中廣泛應(yīng)用的硬化土模型(plastic-hardening model簡HS模型或PH模型),該模型不僅可以反映土體應(yīng)力、應(yīng)變的非線性特性和深基坑工程復(fù)雜的應(yīng)力路徑,而且模型參數(shù)可以從常規(guī)三軸試驗獲得?；贔LAC3D手冊案例并結(jié)合現(xiàn)場巖土工程勘察報告,各土層PH模型的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。數(shù)值計算時初始地下水位高程取實際觀測值62.730 m,最終降水后的地下水位高程低于基坑坑底2 m,采用滲流(fluid)模塊對深基坑降水過程進(jìn)行模擬,以獲得土體降水階段的孔隙水壓力分布,然后關(guān)閉滲流模塊,進(jìn)行土體固結(jié)計算,以模擬降水所引起的基坑土體有效應(yīng)力重分布。地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用liner結(jié)構(gòu)單元模擬,liner單元與坑周土體接觸面的剛度參數(shù)采用FLAC3D手冊所建議的10倍等效剛度法取值,為簡化計算,接觸面的強(qiáng)度參數(shù)取1×1015,不考慮接觸面的分離與滑動。錨索采用cable單元模擬,其初始預(yù)張拉力為100 kN,為簡化計算,同樣不考慮錨固段與土體的滑動,cable單元界面強(qiáng)度參數(shù)取1×1015,界面剛度參數(shù)基于現(xiàn)場張拉試驗獲得。鋼管支撐采用beam單元模擬,其直徑為609 mm,管厚16 mm,彈性模量為200 GPa,泊松比為0.3。方案2中的鋼拉桿同樣采用cable單元模擬,但是不考慮錨固段,以體現(xiàn)其受力特性,鋼拉桿直徑為90 mm,彈性模量為200 GPa,泊松比為0.3。為確保數(shù)值計算過程收斂及穩(wěn)定性,各支護(hù)方案土體開挖采用分層開挖法模擬,每層厚度不超過4 m,上一層開挖計算收斂后再開挖下一層。

表1 各土層PH模型物理力學(xué)參數(shù)取值Table 1 Values of physical and mechanical parameters of PH model for each soil layer

圖3 各支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of each support structure design scheme

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

由圖4可知,放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+素混凝土止水墻方案的地下連續(xù)墻最大水平位移為0.012 m,位于距地表13.4 m處;錨拉雙地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案的地下連續(xù)墻最大水平位移為0.057 m,位于距地表10 m處;錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案的地下連續(xù)墻最大水平位移為0.027 m,位于距地表16.5 m處。由于放坡開挖的卸荷效應(yīng),方案1的地下連續(xù)墻水平位移明顯小于方案2與方案3。同時由圖4可知,由于錨索及拉桿的加固效應(yīng),3種支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的地下連續(xù)墻水平位移最大值都位于垂直開挖頂面以下。根據(jù)基坑規(guī)范,圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.3%H=90 mm,3種支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案均滿足設(shè)計要求。

圖4 地下連續(xù)墻水平位移Fig.4 Horizontal deformation of diaphragm wall

圖5為3種支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的地下連續(xù)墻彎矩隨距地表深度變化規(guī)律曲線。由圖5可知,放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+素混凝土止水墻方案的地下連續(xù)墻最大彎矩為520.5 kN·m,位于距地表14.1 m處;錨拉雙地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案的地下連續(xù)墻最大彎矩為716.7 kN·m,位于距地表11.2 m處;錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案的地下連續(xù)墻最大彎矩為1 093.7 kN·m,位于距地表17.9 m處。方案1的地下連續(xù)墻彎矩最大值明顯小于方案2與方案3。同時由圖5可知,3種支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的地下連續(xù)墻彎矩最大值都位于垂直開挖頂面以下。

圖5 地下連續(xù)墻所受彎矩Fig.5 Bending moment of diaphragm wall

各方案數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6a可知,下部垂直開挖區(qū)域的地層水平位移明顯要大于上部放坡區(qū)域的地層水平位移;上部放坡區(qū)域的地層垂直變形明顯大于下部垂直開挖區(qū)域的地層垂直變形,整個開挖面的垂直變形最大值位于上部斜坡坡肩處。由圖6b與6c對比分析可知,方案2的坑周地層水平位移最大值發(fā)生于頂面以下中部區(qū)域,而方案3的坑周地層水平位移最大值發(fā)生于坑底附近,方案2的地層變形控制效果要弱于方案3。

圖6 各方案數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Numerical simulation results of eack scheme

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案比選與優(yōu)化

4.1 方案比選

由以上分析可知,錨拉雙地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案可靠性較高、工期較短,但工序復(fù)雜、綜合造價高;錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案構(gòu)造簡單、施工工序簡單,但錨索數(shù)量較多,砂卵石地層錨索長期使用可靠性較低,綜合造價略高;放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式止水素混凝土止水墻組合方案雖然土方開挖量大、降水代價較高,但是該方案施工方便,整體可靠性較高、綜合造價較低、施工可行性較高,施工區(qū)域土質(zhì)以砂卵石為主,開挖出的廢料可以經(jīng)處理后用于臨時結(jié)構(gòu)、止水帷幕等混凝土澆筑中。

綜合數(shù)值模擬結(jié)果及以上造價、施工難易程度、安全性等方面比選評價,認(rèn)為當(dāng)干塢基坑地層下部存在穩(wěn)定連續(xù)的相對隔水層時,放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式止水素混凝土止水墻組合方案為最優(yōu)方案;當(dāng)干塢基坑地層下部為深厚強(qiáng)滲透砂卵石地層時,可選擇放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案作為最優(yōu)方案。

4.2 優(yōu)化設(shè)計

地質(zhì)鉆探顯示干塢區(qū)域工程水文地質(zhì)條件為:西汊干塢西側(cè)半?yún)^(qū)隔水黏土層埋深約60～65 m,東側(cè)半?yún)^(qū)隔水黏土層埋深超過100 m,地下連續(xù)墻成槽難度較大?；谝陨锨闆r,確定了西汊干塢深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)東西側(cè)分區(qū)設(shè)計的思路:在K9+975處設(shè)置1 000 mm厚,長64 m的素混凝土止水墻,將西汊干塢基坑分割成東西兩半?yún)^(qū)(見圖7),西半?yún)^(qū)采用放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式止水素混凝土止水墻組合方案,東半?yún)^(qū)采用放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案。

圖7 西汊干塢縱斷面分區(qū)設(shè)計(單位:m)Fig.7 Zoning design of west branch dock(unit:m)

對西汊干塢全段范圍內(nèi)基坑上部7 m范圍內(nèi)進(jìn)行放坡開挖至標(biāo)高57.000 m處,并在干塢沉管預(yù)制及現(xiàn)澆隧道期間內(nèi)進(jìn)行全過程坑外降水至標(biāo)高56.000 m處?；游鱾?cè)半?yún)^(qū)地表下60～65 m深處存在厚度約3～6 m的粉質(zhì)黏土層,可起到部分坑底封水作用,該區(qū)域內(nèi)粉質(zhì)黏土層厚度>5 m的段落,止水墻深度按伸入粉質(zhì)黏土層5 m確定,粉質(zhì)黏土層厚度<5 m的段落,止水墻深度按穿透粉質(zhì)黏土層確定,無粉質(zhì)黏土層段落深度與鄰近段落一致?；?xùn)|側(cè)半?yún)^(qū)坑底100 m深度范圍內(nèi)均為強(qiáng)透水地層,采用封底混凝土方案進(jìn)行坑底封水;東西兩區(qū)之間設(shè)置橫向止水帷幕搭設(shè)進(jìn)入粉質(zhì)黏土層。

表2 不同方案比選評價Table 2 Comparison of joint configuration options

5 結(jié)語

1)通過數(shù)值模擬研究,認(rèn)為放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落地式素混凝土止水墻組合方案的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形要明顯小于錨拉雙地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案與錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形。

2)綜合數(shù)值模擬結(jié)果與實際施工條件分析,認(rèn)為當(dāng)干塢基坑地層下部存在穩(wěn)定連續(xù)的相對隔水層時,放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式止水素混凝土止水墻組合方案為最優(yōu)方案。

3)西汊干塢所在區(qū)域地層存在隔水黏土層深埋且不連續(xù)的特點,西側(cè)半?yún)^(qū)隔水黏土層埋深約為70 m,東側(cè)半?yún)^(qū)隔水黏土層埋深超過100 m,在K9+975處設(shè)置1 000 mm厚,豎向長64 m的素混凝土止水墻,將西汊干塢基坑分割成東西兩半?yún)^(qū),西半?yún)^(qū)采用放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+落底式止水素混凝土止水墻組合方案,東半?yún)^(qū)采用放坡開挖+錨索地下連續(xù)墻+封底混凝土組合方案。