艾治舉

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459）

為確保超大型水底隧道護(hù)岸工程安全性，須重新建設(shè)牢固的堤岸保護(hù)體系，并使其發(fā)揮防洪防汛擋墻功能。水底隧道護(hù)岸工程支護(hù)結(jié)構(gòu)一般選取無支撐體系，但常規(guī)的以單一鋼管樁、灌注樁、攪拌樁作為基坑支護(hù)體系，不能滿足其安全性需求。在此背景下，格構(gòu)式地連墻、遮簾樁復(fù)合結(jié)構(gòu)等一系列新型支護(hù)體系應(yīng)時(shí)而生[1]。

以廣州下穿珠江的魚珠水底隧道護(hù)岸工程為例，通過對比遮簾樁結(jié)合T 型地連墻與格構(gòu)式地連墻，因地制宜采用遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。通過三維有限元對其水平位移、結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行模擬仿真計(jì)算分析，探討其適用性和安全性，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外針對復(fù)雜地質(zhì)條件下地連墻施工難點(diǎn)，采取應(yīng)對舉措和工藝，順利突破施工壁壘。

1 項(xiàng)目概況

魚珠水底隧道主線敞開段采用U 型槽結(jié)構(gòu)，暗埋段（含沉管段）采用箱型結(jié)構(gòu)。隧道全長2 404 m，其中沉管段長935 m、岸上段長1 469 m（琶洲端主線敞開段146 m、暗埋段510 m，北帝沙島暗埋段278 m，魚珠端主線敞開段95 m、暗埋段478 m），詳見圖1。

圖1 魚珠水底隧道位置示意

2 堤防支護(hù)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案比選

魚珠水底隧道堤防結(jié)構(gòu)實(shí)施加固施工前期，廣東珠榮工程設(shè)計(jì)公司對格構(gòu)式地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)、遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比選。兩種技術(shù)方案對比情況見表1。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)方案比選

2.1 格構(gòu)型地連墻設(shè)計(jì)

格構(gòu)型地連墻不僅能作為豎向承重結(jié)構(gòu)，還能作為堤防圍護(hù)結(jié)構(gòu)。它無需內(nèi)部支撐體系，而且變形比較受控，具備整體性強(qiáng)、剛度大的特性，較適合超深、變形要求極高的基坑防護(hù)工程。但它的支擋結(jié)構(gòu)為懸臂式，受力條件有局限，且需通過中隔墻進(jìn)行連接，工藝復(fù)雜、施工難度大、造價(jià)高。

設(shè)計(jì)方案：臨水側(cè)、背水側(cè)共設(shè)2 道厚1 000 mm、最大長度30 m 的T 型地連墻，中隔地連墻位于梁肋處，厚1 000 mm ；地連墻上方設(shè)置寬9 000 mm 的卸荷承臺，承臺底部高程4 m，厚1 000 mm ；另外，臨水側(cè)胸墻厚5 000 mm。格構(gòu)式地連墻結(jié)構(gòu)見圖2～3。

圖2 格構(gòu)式地連墻斷面

圖3 格構(gòu)式地連墻平面

2.2 遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)即在T 型地連墻后增加2 排灌注樁作為遮簾樁，分擔(dān)部分土壓力，另外為增強(qiáng)其抗傾覆能力，在卸荷承臺增加錨索。與格構(gòu)式地連墻相比，此組合結(jié)構(gòu)無需在背水側(cè)設(shè)置T 型地連墻和中隔地連墻，施工工藝簡單，鋼筋混凝土消耗量少，綜合成本低。該項(xiàng)目采用全遮簾樁結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)方案：臨水側(cè)設(shè)1 道厚1 000 mm、最大長度30 m 的T 型地連墻，地連墻墻肋長4 000 mm，平面尺寸2 800 mm×1 000 mm，與T 型地連墻間距5 250 mm、9 750 mm 位置分別設(shè)置兩排半徑750 mm 的灌注樁作為遮簾樁，遮簾樁排距和間距分別為4 500 mm 和4 000 mm ；卸荷承臺總寬度和厚度分別為13 400 mm 和1 000 mm，承臺底部高程為4 m ；臨水側(cè)胸墻厚500 mm ；錨索直徑150 mm，彈性模量206 000 MPa，長50 m ；遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖4～5。

圖4 遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面

圖5 遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)平面

魚珠水底隧道堤防結(jié)構(gòu)加固工程施工場地較寬闊，弱風(fēng)化基巖深約20 m，符合設(shè)置錨索條件。由表1 對比分析可知，采用遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯。為進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的合理性，對其進(jìn)行有限元計(jì)算模型構(gòu)建并分析。

3 遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型構(gòu)建

參考杜永江、羅志安[2-3]等人有限元計(jì)算模型，采用MIDASGTSNX 軟件對支護(hù)結(jié)構(gòu)中的前后排遮簾樁、T 型地連墻等進(jìn)行三維有限元計(jì)算。遮簾樁結(jié)構(gòu)必須綜合考慮土體的彈塑性特性，讓遮簾樁、T 型地連墻樁、壓型錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用。

模型坐標(biāo)系：X 軸和Y 軸分別垂直及平行于地連墻軸線，Z 軸垂直于地面。開挖前后模型正視見圖6～7，遮簾樁和地連墻模型見圖8。

圖6 開挖前模型正視

圖7 開挖后模型正視

圖8 遮簾樁、T 型地連墻模型

3.1 計(jì)算參數(shù)

按照地質(zhì)和工程情況，材料計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 材料計(jì)算參數(shù)

3.2 施工過程模擬計(jì)算

①計(jì)算方法：將支護(hù)結(jié)構(gòu)施工及基坑開挖過程影響列入考慮范圍，按流固-耦合算法計(jì)算前后排遮簾樁、T 型地連墻、卸荷承臺的水土壓力。②施工過程：開挖施工平臺→前后排遮簾樁、T 型地連墻、卸荷承臺施作→預(yù)應(yīng)力錨索施作→回填卸荷承臺上部分土方→開挖沉管基槽。③計(jì)算內(nèi)容：支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、豎向位移、最大剪力、最大軸力、最大拉應(yīng)力等，模擬計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 施工過程模擬計(jì)算結(jié)果

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

由圖9 可知，當(dāng)?shù)剡B墻開挖深度逐漸加大，其水平位移也隨之變大，地連墻變形呈上揚(yáng)曲線，頂部位置的水平位移最為明顯。

按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012），30 mm 是其位移控制值。通過驗(yàn)算，承臺頂部及地連墻水平位移最大值分別為27.9 mm 和22.3 mm。兩排遮簾樁水平位移最大值分別為22.5 mm 和22.4 mm，均未超30 mm，符合要求。支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移見圖9～11。

圖9 地連墻開挖水平位移示意

圖10 承臺頂部X 方向水平位移示意

圖11 地連墻X 向和Z 向位移

3.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

經(jīng)計(jì)算，處在背水一側(cè)的T 型地連墻和強(qiáng)風(fēng)化層接觸區(qū)域，T 型地連墻豎向拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大，峰值分別為8.768 MPa 和9.860 MPa。T 型地連墻肋墻主要承受拉力，前墻主要承受壓力。位于地連墻與基巖面交界處的彎矩最大，峰值是28 300 kN·m，通過合理配筋，能夠符合該彎矩強(qiáng)度要求。T 型地連墻豎向應(yīng)力有限元分析見圖12。

圖12 T 型地連墻豎向應(yīng)力

經(jīng)計(jì)算，處在前排遮簾樁和承臺結(jié)合部位的豎向拉應(yīng)力及壓應(yīng)力最為突出，分別是2.12 MPa和6.41 MPa。而后排遮簾樁和承臺結(jié)合部位的豎向拉應(yīng)力及豎向壓應(yīng)力最為突出，分別是2.11 MPa和10.3 MPa，最大壓應(yīng)力均未超C35 混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度2.2 MPa（見圖13～14 ）。錨索最大軸力723 kN，選取750 kN 級錨索滿足設(shè)計(jì)（見圖15）。

圖13 后排遮簾樁Z 向應(yīng)力云圖及彎矩

圖14 前排遮簾樁Z 向應(yīng)力云圖及彎矩

圖15 錨索軸力

4 遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

4.1 肋墻長度優(yōu)化

肋墻長度L 依次選擇3 m、2.8 m、2 m、1.5 m、1 m、0.5 m 和0 m，確保其他條件不變，肋墻長度對地連墻水平位移的影響見圖16。由圖16 可知，地連墻水平位移隨肋長遞增而遞減，其形變曲線彎曲度越來越小，最大水平位移從中上部逐漸轉(zhuǎn)移到頂部，這說明通過延長肋墻長度能夠提高T型地連墻剛度，并防止支護(hù)結(jié)構(gòu)位移。珠江堤防支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級為一級，按照規(guī)范，30 mm 是其位移控制值。將水平位移作為參照進(jìn)行優(yōu)化，由圖16 可知，肋墻長度為2 m 時(shí)即可滿足水平位移不超過30 mm 的規(guī)范要求，比原設(shè)計(jì)方案的2.8 m節(jié)省0.8 m，在確保防護(hù)要求的同時(shí)，節(jié)省了鋼筋混凝土等材料成本和人工成本。

圖16 肋墻長度對地連墻水平位移影響曲線

4.2 遮簾樁嵌固深度優(yōu)化

選取遮簾樁的嵌固深度（即嵌入基巖深度）作為研究對象，在確保其他客觀條件不變的前提下，嵌固深度依次為16 m、14 m、12 m、10 m、8 m、6 m 和4 m（嵌固深度均未超-18 m），錨索因素忽略不計(jì)。由圖17可知，隨著遮簾樁嵌固深度的增加，對支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響越來越弱；當(dāng)遮簾樁嵌固深度大于8 m 時(shí)，影響曲線趨向平緩。從施工成本考慮，該項(xiàng)目遮簾樁嵌固深度選8 m，此時(shí)遮簾樁底高程是-26 m。

圖17 嵌固深度對結(jié)構(gòu)水平位移影響曲線

根據(jù)工程實(shí)際并綜合以上設(shè)計(jì)及模型計(jì)算，采用遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)對堤防進(jìn)行加強(qiáng)處理，護(hù)岸加強(qiáng)區(qū)地連墻共87 幅，遮簾樁109 根，讓壓型錨索109 根。

5 T 型連墻關(guān)鍵施工技術(shù)

T 型連墻在水底隧道護(hù)岸工程中非常重要，然而施工區(qū)域淺層土體存在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂、淤泥等不良地質(zhì)情況，影響槽壁穩(wěn)定性，容易導(dǎo)致坍塌。為提高工程質(zhì)量，可合理采取一些施工工藝，如對槽段土體臨空面較大、穿過不良軟弱地質(zhì)的情況，采取成槽上層軟土加固、提高泥漿品質(zhì)、有效增加泥漿占比、通過限制單元槽段長度提升槽壁整體穩(wěn)定性；此外借助十字鋼板接頭、大幅鋼筋籠有效加工、墻底注漿加固等[4]，破解技術(shù)難題?，F(xiàn)對T 型連墻關(guān)鍵施工技術(shù)介紹如下。

5.1 地連墻成槽上層軟土加固

由于T 形地連墻成槽土體臨空面較大，施工周期較長，為規(guī)避地連墻拐角部位成槽時(shí)坍塌現(xiàn)象，在施工前對拐角部位三角區(qū)周圍土體進(jìn)行水泥攪拌樁預(yù)加固，攪拌樁距離槽段邊線200 mm。攪拌樁半徑325 mm，樁間距450 mm，水泥摻量8%。如果受管線和建筑物干擾，對出現(xiàn)空洞或土體較松散區(qū)域，可在槽段兩端采用低強(qiáng)度雙液漿進(jìn)行加固處理，從而有效加固地連墻上層松軟土體。

5.2 不良地質(zhì)段成槽控制技術(shù)

當(dāng)穿越強(qiáng)風(fēng)化粉砂層等不良地質(zhì)時(shí)，可能會有大量泥沙顆粒被帶進(jìn)護(hù)壁泥漿中，影響泥漿黏度和比重，破壞護(hù)壁泥漿?？赏ㄟ^以下舉措穩(wěn)定槽壁、提升泥漿品質(zhì)：①控制單元槽段的長度。相對于長槽，短槽更能保證槽壁處于穩(wěn)定狀態(tài)。為有效減少坍方概率，將地連墻開槽最佳長度設(shè)置為抓斗充分張開后2 倍的寬度，成槽比較迅速、快捷。②控制泥漿品質(zhì)。挑選質(zhì)量好的膨潤土作為循環(huán)泥漿原料；為提高較大泥沙顆粒的分離效率，可優(yōu)化振動篩篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)；按需添加一定比例的CMC 增稠劑提高泥漿黏度；略微加大槽中泥漿占比，出現(xiàn)特殊情況時(shí)保證泥漿比重1.00～1.15。

5.3 鋼筋籠制作

設(shè)置測斜管與聲測管的槽段，應(yīng)按要求將檢測管固定在鋼筋籠上，用鐵絲將其與鋼筋籠主筋綁扎牢固，一起下入槽段。鋼筋籠制作完成后，把錨入冠梁部分的鋼筋，根據(jù)其直徑用PVC 管進(jìn)行包裹，頂部和底部用膠帶密封，減少鋼筋與混凝土的接觸，便于墻頂破除時(shí)的鋼筋保護(hù)。

5.4 增加地連墻整體性施工技術(shù)

①剛性接頭：為增加T 型地連墻整體性和剛度，設(shè)計(jì)單位在T 型地連墻之間引入由穿孔十字鋼板制作的剛性接頭。②整體澆筑：魚珠水底隧道地連墻澆筑時(shí)，由于剛性接頭尺寸問題及存在大量方形孔洞等原因，剛性接頭存在刷壁困難且極難清理干凈。為解決該難題并加快施工進(jìn)度，現(xiàn)場采取多幅地連墻整體澆筑施工法。開槽、清槽完成后進(jìn)行鋼筋籠吊裝；為保證混凝土灌注質(zhì)量，現(xiàn)場布置多根導(dǎo)管同時(shí)澆筑；澆筑前，項(xiàng)目部對多家拌和站的混凝土質(zhì)量、運(yùn)送能力進(jìn)行考察，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際合理規(guī)劃車輛行駛路線及履帶吊、泵車擺放位置；為保障泥漿的儲存及處理能力，現(xiàn)場布置了500 m3的泥漿箱并同時(shí)啟用兩臺泥漿壓濾機(jī)處理廢漿。實(shí)踐證明，多幅地連墻整體澆筑效果良好，不僅加快了施工進(jìn)度，而且確保了質(zhì)量。

5.5 地連墻底部加固技術(shù)

施工中可通過沉淀法和置換法進(jìn)行清槽，但由于槽較深，各工序耗時(shí)較長，為規(guī)避槽底沉渣削弱地連墻承載力和抗?jié)B能力，防止后期出現(xiàn)下沉，對連續(xù)墻墻底進(jìn)行注漿加固。加固方法：提前將2 根半徑250 mm 的注漿鋼管布置在連續(xù)墻鋼筋籠內(nèi)，注漿管插入地連墻下不少于0.5 m管底端，配置單向橡皮閥，等地連墻混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%以后，采取0.6～1.0 MPa 注漿壓力注入1∶1的水泥單液漿，確保每孔注漿量超過2 m3。

6 結(jié)語

以廣州魚珠水底隧道護(hù)岸工程為例，針對施工難點(diǎn)，通過方案比選采取遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合結(jié)構(gòu)方案，有效解決了施工難題，保護(hù)了珠江堤岸、防汛設(shè)施，確保了干塢安全。通過施工監(jiān)測，各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合規(guī)范要求，可得出如下結(jié)論：①遮簾樁和T 型地連墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在水底隧道護(hù)岸工程中，引入錨拉式結(jié)構(gòu)能提高安全穩(wěn)定性。②地連墻的剛度隨著肋墻長度的遞增而遞增，但當(dāng)肋墻長2 m 時(shí)即可滿足水平位移不超過30 mm的規(guī)范要求?；谑┕こ杀疽蛩?，該項(xiàng)目地連墻肋墻長度設(shè)置為2 m，比原設(shè)計(jì)方案節(jié)省0.8 m。③通過分析，遮簾樁嵌固深度大于8 m 時(shí)，對支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移產(chǎn)生較小影響。綜合施工成本因素，該項(xiàng)目工程遮簾樁嵌固深度設(shè)定為8 m。④地連墻成槽上層軟土加固、不良地質(zhì)段槽段的長度控制、泥漿品質(zhì)控制、鋼筋籠制作、剛性接頭、整體澆筑、地連墻底部注漿加固等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，有效解決了復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下連續(xù)墻的施工瓶頸。