分離式鋼筋混凝土圍堰在隧道明挖施工中的應用

田 豐

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

分離式鋼筋混凝土圍堰在隧道明挖施工中的應用

田 豐

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

為解決圭塘河河口處過河隧道的施工問題，提出了分離式鋼筋混凝土圍堰結構體系的施工方法，采用有限元理論建立了圍堰結構整體模型并進行了結構分析研究，最終成果比較符合該項目的具體要求，能夠為其他類似工程提供參考借鑒。

明挖施工，分離式鋼筋混凝土圍堰，仿真分析

1 概述

1.1 工程簡介

本工程位于芙蓉區圭塘河與瀏陽河入河口，南北位于荷晏路與人民東路之間，通道北起現狀長善路，南至在建川河路。本項目為穿越圭塘河，連接南北的一條主要通道。

1.2 水文資料

此處為圭塘河匯入瀏陽河河口位置，瀏陽河的水文對施工影響更大，在此以瀏陽河的水文情況作為施工條件。

圍堰結構施工時水位按照30.08 m(多年平均水位)設計，圍堰工作過程中最高水位為35.82 m(十年一遇水位)。

1.3 地形地質情況

河床兩側河堤各10 m，河堤之間距離145 m左右。本項目位于河口，枯水期河床水深6 m左右，洪水期河床水深超過12 m，隧道底部標高位于河床線以下9.5 m左右。河床底從上而下分別是粉質粘土(5 m)，以下為砂礫石層(5 m)，其下為全風化巖或者強風化巖層，透水性強。

2 方案研究

2.1 施工方案

現場隧道出入口距離較近，地層透水性較強，因此方案宜采用圍堰結構止水的明挖法施工該段隧道。

考慮施工工期和圭塘河排洪要求，圍堰施工時采用半幅河道封閉施工圍堰，半幅河道拓寬維持排水功能的方法。

2.2 方案對比

常用的圍堰結構有鋼板樁圍堰(鋼管樁圍堰)，鋼筋混凝土圍堰，鋼套箱圍堰以及鋼—混凝土組合結構圍堰，每種圍堰都有自己的特點和適用條件。

鋼板樁(鋼管樁)圍堰施工快捷簡單、成本較低，但是針對本項目其局限性和不足之處頗多，第一，由于是拼裝式結構，整體剛度小，水深較深時，需要設置強而密的內支撐，給后續施工帶來很大困難。第二，鋼板樁對河床地質情況要求較高，不宜在透水性強，承載力弱的河床面使用。因此鋼板樁(鋼管樁)圍堰不適合本項目。

相比鋼圍堰和雙壁鋼筋混凝土圍堰，重力式鋼筋混凝土圍堰更適合本項目。由于河床位置土質側面摩擦力系數較高，如采用前2種方案，在下沉過程中會遇到很多困難，而重力式鋼筋混凝土圍堰自身重量大，更加符合本項目的需求，并且施工工藝簡單，成本低。

3 圍堰結構設計

3.1 整體方案

在具體設計中，明挖段共設計4座圍堰，分為2個施工階段，先后施工。施工過程中，一側相鄰的2座圍堰同步下沉，既能保證施工工期，又解決了超大尺寸圍堰結構在下沉過程中容易發生意外的問題，使得整個結構更加安全可靠(見圖1)。

圍堰從上至下分為5節，圍堰根據深度分別采用不同的壁厚，并在圍堰外部設置臺階，這樣能在滿足受力要求的情況下節省成本，又能方便施工，有利于結構下沉。

3.2 接縫處止水結構

圍堰之間存在接縫，因此在施工該段時須施工隔水結構進行處理。同側2座圍堰下沉就位后，在圍堰之間施工噴混凝土咬合樁，鉆孔灌注鋼筋混凝土防護樁、注漿加固等措施做好止水固土工作，再根據設計打通端部混凝土壁板，將2座圍堰連接成一個整體(見圖2)。

3.3 封底混凝土

底部封底混凝土約為3.0 m,封底混凝土頂部正好位于隧道底部。根據地質水文情況，圍堰能夠滿足抗浮要求和結構受力要求。

3.4 施工步驟

考慮施工工期和圭塘河排洪要求，圍堰施工時采用半幅河道封閉施工圍堰，半幅河道拓寬維持排水功能的方法。具體施工方案如下：

1)在枯水期進行筑島施工，半幅河道拓寬形成新的排水通道。

2)在人工筑島上進行圍堰施工。圍堰Ⅰ、圍堰Ⅱ同時施工，逐節澆筑，逐節下沉至設計位置。橫跨圍堰架設2座行走式龍門吊配合挖掘機完成豎向取土工作。

3)圍堰下沉達到設計標高后水下澆筑封底混凝土，待封底混凝土強度滿足要求后進行圍堰內抽水，在圍堰內分段進行隧道施工工作。

4)圍堰接縫處外側施工鉆孔防護樁，施工止水帷幕并對周圍土體注漿加固。按照設計要求施工中間段隧道，實現圍堰Ⅰ、圍堰Ⅱ內隧道全貫通。

5)在圍堰Ⅰ、圍堰Ⅱ內按照設計要求回填土，拆除部分圍堰結構，形成新的過水通道。

6)在另外半幅河道上筑島，施工圍堰Ⅲ、圍堰Ⅳ，如是循環施工。

7)完成整條隧道的施工工作后，按照設計要求，恢復河道。

4 圍堰結構分析

4.1 工況分析

根據規范和施工要求，選取最不利工況，進行圍堰施工過程分析，隧道施工狀態下圍堰結構分析等。

1)荷載及邊界條件分析。

加載外力主要有結構自重和外側水壓力，外側土壓力。主體自重：容重γ=25 kN/m3。水壓力：按照施工時水位加載水壓力，γ=10 kN/m3。土壓力：由于水位較高，對土壓力按照水土分離的計算模型分別加載水壓力和浮重土壓力，土壓力加載時采用分層加載，根據不同的地層取不同的參數。邊界條件：對封底混凝土部分相交圍堰側壁的節點施加3個方向位移約束。

2)荷載工況。

在進行計算時，分別取圍堰施工過程，隧道施工過程中可能出現的不利情況進行計算，使得各項指標能夠滿足規范要求與施工要求。

4.2 建筑材料

結構主體采用C30混凝土，封底混凝土采用C20混凝土。

主要受力鋼筋采用HRB400鋼筋。

4.3 計算參數

相關地質參數如表1所示。

表1 地質參數表

4.4 施工過程及工作狀態受力分析

根據規范要求，應驗算圍堰結構施工過程中的下沉系數、抗浮系數。分析圍堰結構井壁受力情況，封底混凝土受力情況。

根據已有資料，對結構的下沉系數和抗浮系數進行初步驗算。

全圍堰結構下沉系數K=59 672/52 588=1.13。

下沉系數基本能夠滿足下沉需求，但是在實際施工過程中，下沉過程如有下沉困難，可以適度配重或壓注觸變泥漿，壓注觸變泥漿能夠大大降低圍堰側壁與土摩擦力，使得圍堰下沉就位。

4.5 整體結構有限元分析

1)荷載簡圖。在各種受力狀態中，最危險狀態應該出現在圍堰結構封底混凝土施工完成后，圍堰內水抽空之后。在此主要分析圍堰結構此種情況下的受力情況，計算內容主要為井壁受力分析。此種工況計算荷載簡圖如圖3所示，圍堰離散模型見圖4。

2)圍堰整體結構分析。利用midas軟件對單座圍堰結構建立有限元模型。

在此種工況下，圍堰環向為主要受力方向，最大彎矩出現在圍堰的中部位置，此處無封底混凝土的支撐作用，最大彎矩位于壁板跨中以及側壁角部，此處應加強配筋。

豎向彎矩相對較小，因此豎向鋼筋配筋居于次要位置，在靠近封底混凝土的側壁上出現了最大彎矩，豎向鋼筋在此處應該加強設置，以滿足此處受力需求。圍堰橫豎向彎矩如圖5，圖6所示。

4.6 計算結論

根據以上計算分析：該圍堰方案的主要指標能夠滿足規范要求施工需要。

5 結語

1)分離式鋼筋混凝土圍堰結構既能保證施工工期，解決河道排水泄洪問題，又解決了超大尺寸圍堰結構在下沉過程中容易發生意外的問題。

2)在接縫處采用鉆孔鋼筋混凝土防護樁、混凝土咬合樁、注漿加固相結合的止水結構，形成隔水體系保障接縫處隧道施工安全，能夠將分離式圍堰形成一個隔水系統。

3)整體建模分析圍堰結構能夠清晰的計算出各部分結構的受力情況，有利于優化結構，解決問題。

4)該方案成本低，技術簡單，安全可靠，施工進度容易控制，比較符合本項目的具體要求。

5)該設計僅用于本項目可研階段,需進一步進行研究設計，但是解決問題的方法能夠為其他類似工程提供參考借鑒。

[1] W.馬丁，郭 早.圍堰的設計標準[J].水利水電快報，2005(1)：9-11.

[2] 王朝龍.大體積混凝土承臺圍堰施工技術方案[J].北方交通，2010(5)：27.

[3] 呂善國，凌國華，董志高.高壓旋噴樁在某臨江深基坑止水帷幕中的應用[J].江蘇建筑，2012(5)：9-10.

On application of separate reinforced concrete cofferdam in open-cut construction of tunnels

Tian Feng

(ChinaRailwayNo.5SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Beijing102600,China)

In order to solve construction problems of crossing river tunnels at the estuary of Guitang River, the paper points out the construction methods for the structural system for the separate reinforced concrete cofferdam, adopts the finite element theory to build up the general model for the cofferdam, undertakes the structural analysis and research, and the result comparison adheres to the demands of the programs, so as to provide reference for similar projects.

open-cut construction, separate reinforced concrete cofferdam, simulation analysis

2015-03-22

田 豐(1982- ),男，碩士,工程師

1009-6825(2015)16-0181-03

U455

A