余允吉，方大勇，廖珊珊，姚華國(guó)，丘文新

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510635;2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心， 廣東 廣州 510635)

某水利樞紐需在現(xiàn)有一線船閘一側(cè)新建二線船閘。由于兩閘平行，相距較近(中心距90 m)，在上閘首位置，一線船閘與二線船閘支護(hù)結(jié)構(gòu)間最小距離小于1 m。在二線船閘基坑開(kāi)挖過(guò)程中，一線船閘上閘首與其檢修門庫(kù)結(jié)構(gòu)縫寬度有較明顯的增大?；优c門庫(kù)結(jié)構(gòu)縫二者之間是否有聯(lián)動(dòng)性，基坑變形對(duì)結(jié)構(gòu)縫變形的影響程度，以及后續(xù)基坑施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)縫的允許變形，均關(guān)系到一線船閘的安全、基坑施工過(guò)程的變形控制、工程安全的責(zé)任劃分和后續(xù)處理措施的采用。因此，需全面分析評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)縫變化的成因，研究基坑開(kāi)挖對(duì)基坑及臨近建筑物的變形影響[1]，預(yù)測(cè)后續(xù)變化值，科學(xué)地制定結(jié)構(gòu)縫變形控制值。

1 基本情況

如圖1所示，從左側(cè)到右側(cè)，分別為一線船閘上閘首、一線船閘檢修門庫(kù)和二線船閘基坑，上閘首和檢修門庫(kù)均為鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，二者之間的結(jié)構(gòu)縫即為本次分析評(píng)估對(duì)象。

1) 位置關(guān)系：上閘首頂高程為19.00 m，寬46 m，長(zhǎng)44.5 m，上閘首邊墩頂高程為19.00 m，寬11.5 m。檢修門庫(kù)高程為19.00 m，寬27.9 m。

2) 地質(zhì)情況：上閘首基底為淤泥層，采用水泥攪拌樁結(jié)合PHC管樁加固，進(jìn)入砂卵石層；門庫(kù)段基礎(chǔ)采用攪拌樁結(jié)合高壓旋噴樁形式。上閘首門庫(kù)與二線船閘基坑支護(hù)邊最近距離約0.9 m。

3) 結(jié)構(gòu)縫情況：根據(jù)設(shè)計(jì)資料，一線船閘上閘首結(jié)構(gòu)縫止水布置圖見(jiàn)圖2，止水銅片大樣圖見(jiàn)圖3。銅片止水采用紫銅片，厚1.4 mm，伸縮縫鋪貼瀝青油氈(三氈四油)或貼涂聚乙烯鼻孔泡沫板，厚均為2 cm。

4) 本文采用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自2017年11月2日起截止至2018年6月10日，評(píng)估的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2018年6月10日，時(shí)間節(jié)點(diǎn)后為預(yù)測(cè)值。結(jié)構(gòu)縫寬度均不含設(shè)計(jì)寬度(即不含結(jié)構(gòu)縫填充泡沫板厚度)。

2 環(huán)境溫度影響分析

上閘首及門庫(kù)為鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，受溫度效應(yīng)影響，混凝土結(jié)構(gòu)膨脹或收縮，會(huì)影響結(jié)構(gòu)縫的寬度變化。船閘混凝土結(jié)構(gòu)溫度受水溫、氣溫和日照的影響，混凝土表面溫度與內(nèi)部溫度不同，上部溫度與下部溫度也不同，要準(zhǔn)確測(cè)量十分困難。氣溫?cái)?shù)據(jù)可靠性高、測(cè)量相對(duì)容易，且氣溫變化是混凝土溫度變化的原因，因此選取船閘所在地的日平均氣溫作為混凝土的分析計(jì)算代表值。

圖4為結(jié)構(gòu)縫寬度與溫度的關(guān)系，由圖4可知，溫度下降時(shí)，結(jié)構(gòu)縫寬度有增大趨勢(shì)，溫度上升時(shí)，結(jié)構(gòu)縫有減小趨勢(shì)。

2.1 環(huán)境溫度影響因子估算

常溫下，混凝土結(jié)構(gòu)線膨脹系數(shù)取C=1×10-5/℃[2]。

上閘首檢修門庫(kù)寬27.9 m，溫度每變化1℃對(duì)結(jié)構(gòu)縫的影響：

(1)

上閘首閘墩總寬46 m，溫度每變化1℃對(duì)結(jié)構(gòu)縫的影響：

(2)

因此溫度每下降1℃，結(jié)構(gòu)縫受溫度影響增大的影響因子：

λ溫度=λ1溫度+λ2溫度=0.37mm/℃

(3)

2.2 環(huán)境溫度影響值占比分析

由環(huán)境溫度對(duì)結(jié)構(gòu)縫的影響因子λ溫度，可以得到不同溫度變化區(qū)間內(nèi)環(huán)境溫度的具體影響值，由此可以進(jìn)行環(huán)境溫度影響值占比分析。

根據(jù)圖4中的溫度曲線變化規(guī)律，可將溫度變化分為兩個(gè)階段：

第一階段：2017年11月2日—2018年2月5日，氣溫下降階段(16℃～8℃)，基坑開(kāi)挖施工，側(cè)向變形增大。第二階段：2018年2月5日—2018年6月1日，氣溫上升階段(8℃～31.5℃)，基坑基本開(kāi)挖到底(但未封底)，側(cè)向變形穩(wěn)定。

表1計(jì)算表明，第一階段溫度不是引起結(jié)構(gòu)縫變化的主要因素，溫度因素占比約22%。第一階段處于二線船閘基坑開(kāi)挖階段，部分已開(kāi)挖至基坑底，此時(shí)基坑開(kāi)挖是引起結(jié)構(gòu)縫變化的主要因素，占比約78%。表2計(jì)算表明，第二階段結(jié)構(gòu)縫變化主要受溫度控制。

注：+表示結(jié)構(gòu)縫張開(kāi)，-表示結(jié)構(gòu)縫收縮，下同。

3 臨近基坑影響值分析

3.1 臨近基坑變形與結(jié)構(gòu)縫變形關(guān)系

臨近二線船閘基坑連續(xù)墻與結(jié)構(gòu)縫右側(cè)門庫(kù)最近距離只有0.9 m。二線船閘基坑支護(hù)沉降較小，以側(cè)向變形為主。圖5為最鄰近一線上閘首的二線船閘基坑連續(xù)墻測(cè)點(diǎn)側(cè)向變形與結(jié)構(gòu)縫變化的關(guān)系圖。由圖可知，在第一階段，連續(xù)墻側(cè)向變形增大，結(jié)構(gòu)縫明顯增大；此后2018年2月5日至2月17日期間，連續(xù)墻側(cè)向變形基本穩(wěn)定，同時(shí)在此12 d基坑變形穩(wěn)定期內(nèi)，結(jié)構(gòu)縫也保持穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算，此穩(wěn)定期間連續(xù)墻累計(jì)側(cè)向變形量平均值為23.80 mm，結(jié)構(gòu)縫累計(jì)變化量平均值13.65 mm。

3.2 基坑連續(xù)墻側(cè)向變形影響因子估算

經(jīng)歷第一階段溫度下降期后，結(jié)構(gòu)縫和基坑側(cè)向變形均保持了一段穩(wěn)定期。溫度影響值占比約22%，基坑變形影響值占比78%，用此穩(wěn)定期內(nèi)的結(jié)構(gòu)縫變形量，減去第一階段環(huán)境溫度影響值2.96 mm，計(jì)算臨近基坑連續(xù)墻側(cè)向變形與結(jié)構(gòu)縫變化的關(guān)系如下：

(4)

4 結(jié)構(gòu)縫變形控制值評(píng)估

4.1 控制值制定方法

1) 利用已有的截止至2018年6月10日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)前文的估算方法，得到引起結(jié)構(gòu)縫變化的環(huán)境溫度影響因子λ溫度和基坑連續(xù)墻側(cè)向變形影響因子ξ側(cè)向變形。根據(jù)歸納法原理，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)縫后期增大值：

ΔL增大=λ溫度·(-Δt)+ξ側(cè)向變形·Δν側(cè)向變形

(5)

式中Δt為環(huán)境溫度變化值，Δν側(cè)向變形為基坑側(cè)向變形預(yù)測(cè)增加值。

2) 計(jì)算結(jié)構(gòu)縫內(nèi)銅止水帶的允許可伸張長(zhǎng)度，對(duì)比結(jié)構(gòu)縫后期寬度預(yù)測(cè)值，作為控制值的制定標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 預(yù)測(cè)值計(jì)算

1) 環(huán)境溫度影響預(yù)測(cè)值：

考慮最不利情況，由6月10日當(dāng)日平均氣溫29.5℃降至0℃計(jì)算:

λ溫度·(-Δt)=0.37·29.5=10.9 mm

(6)

2) 基坑側(cè)向變形影響預(yù)測(cè)值

根據(jù)《關(guān)于清遠(yuǎn)水利樞紐一線船閘上、下閘首門庫(kù)段結(jié)構(gòu)縫寬度變化分析報(bào)告》(中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，2018年3月)二線船閘基坑開(kāi)挖對(duì)一線船閘上閘首結(jié)構(gòu)縫影響的結(jié)論，由2017年11月2日起，預(yù)測(cè)地連墻最大水平位移預(yù)測(cè)值vmax為29.36 mm。

因此基坑側(cè)向變形影響預(yù)測(cè)值為：

(7)

4.3 結(jié)構(gòu)縫銅止水帶允許變形值

結(jié)構(gòu)縫銅止水帶設(shè)計(jì)圖及設(shè)計(jì)說(shuō)明見(jiàn)圖6，根據(jù)規(guī)范[3]，其為“中心開(kāi)敞型”，幾何可伸展長(zhǎng)度計(jì)算公式如下所示：

L0=2h-0.43d

(8)

式中L0為止水帶的幾何可伸展長(zhǎng)度；h為止水帶鼻子的高度；d為止水帶鼻子的寬度。

止水帶鼻子的高度為5 cm、寬度為2 cm，計(jì)算可得銅止水帶的幾何可伸展長(zhǎng)度L0為9.14 cm。

根據(jù)規(guī)范[3]，銅止水帶應(yīng)力水平宜小于0.74，根據(jù)銅止水帶的尺寸，查規(guī)范[3]附表B.1，由應(yīng)力水平反推接縫剪切位移值。

根據(jù)止水帶鼻子的高度及寬度，計(jì)算其直立段高度：H=h-d/2=40 mm。接縫剪切位移12 mm對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平0.665，24 mm對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平0.838。用插值法，按照應(yīng)力水平不超過(guò)0.74計(jì)算，計(jì)算銅止水帶允許剪切位移值為17.2 mm。結(jié)構(gòu)縫接縫剪切位移觀測(cè)值約為1.05～2.33 mm，相比允許剪切位移值較小。

4.4 結(jié)構(gòu)縫寬度控制值

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)縫寬度初始值為19.8 mm(不含泡沫板厚度)，累計(jì)增加量7.36 mm，即結(jié)構(gòu)縫累計(jì)總寬為27.16 mm。加上環(huán)境溫度影響預(yù)測(cè)值和基坑側(cè)向變形影響預(yù)測(cè)值，即結(jié)構(gòu)縫寬度預(yù)測(cè)值為40.9 mm，小于銅止水帶幾何可伸展長(zhǎng)度L0。

結(jié)構(gòu)縫在二線船閘施工前已累積了不可逆轉(zhuǎn)的變形，為保證一線船閘運(yùn)營(yíng)安全，結(jié)構(gòu)縫銅止水帶允許變形控制值應(yīng)有較大的安全系數(shù)，考慮安全系數(shù)為2，則銅止水帶可伸展長(zhǎng)度控制值為45 mm，允許剪切位移控制值為8.6 mm。取控制值的90%作為結(jié)構(gòu)縫寬度和剪切位移的警戒值(見(jiàn)表3所示)。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 本文通過(guò)環(huán)境溫度變化曲線、臨近基坑變形曲線和結(jié)構(gòu)縫寬度變化曲線之間的內(nèi)在關(guān)系，分析了結(jié)構(gòu)縫寬度變化的成因和各因素影響結(jié)構(gòu)縫變化量的占比，計(jì)算了“環(huán)境溫度影響因子”λ溫度和“基坑連續(xù)墻側(cè)向變形影響因子”ξ側(cè)向變形，提出了環(huán)境溫度引起結(jié)構(gòu)縫的變化量，在結(jié)構(gòu)縫變化曲線中的占比具有階段性，有利于臨近二線船閘施工過(guò)程的變形控制、工程安全的責(zé)任劃分和后續(xù)處理措施的采用。

2) 根據(jù)歸納法原理，分別預(yù)測(cè)了后期受臨近基坑施工和環(huán)境溫度變化，結(jié)構(gòu)縫可能的變化量，計(jì)算了結(jié)構(gòu)縫止水帶允許變形值，從而制定了結(jié)構(gòu)縫在后續(xù)施工中的控制值和預(yù)警值，可為類似工程提供評(píng)估方法和經(jīng)驗(yàn)。