洞庭湖大橋葫蘆形基坑支護結構施工監控分析

曹偉，吳合良

（湖南省大岳高速洞庭湖大橋建設開發公司，湖南岳陽 414021）

洞庭湖大橋葫蘆形基坑支護結構施工監控分析

曹偉，吳合良

（湖南省大岳高速洞庭湖大橋建設開發公司，湖南岳陽 414021）

對洞庭湖大橋君山側錨碇基坑進行三維非線性有限元分析，介紹了三維模型的建立、單元選取及參數設置，對施工過程中地下連續墻、內襯在施工各工況下的變形和受力情況進行數值模擬，同時在施工過程中對地下連續墻和內襯鋼筋應力、地下連續墻深層水平位移等進行監測，結合監測結果及施工過程討論了三維有限元計算分析的可靠性，為基坑設計施工提供參考。

橋梁；洞庭湖大橋；基坑支護；施工監測；有限元分析

1 工程概況

湖南大岳（臨湘—岳陽）高速公路是國家高速公路網規劃中的第12條橫線杭州至瑞麗國家高速公路在湖南省內的重要組成部分。洞庭湖大橋是大岳高速公路關鍵控制性工程，位于原洞庭湖大橋以北下游3km洞庭湖入長江的咽喉地段，東起七里山，橫跨洞庭湖，西至君山區蘆葦場。主橋采用雙塔雙跨鋼桁架梁懸索橋，跨徑組成為3×60 m+（1 480 +453.6）m+（34.58+4×60.5）m，全長2.39km。

大橋兩岸錨碇為重力式錨碇，地下連續墻深基礎。基坑平面呈葫蘆形，長98 m，寬64 m，由兩個不相等半徑的圓弧組成，小圓半徑28 m，大圓半徑32 m，中間設置一道隔墻，由隔墻將基礎分為錨碇前、后倉兩部分（見圖1）。基礎圍護采用1.2 m厚地下連續墻，基礎頂面高程為+25.0 m，底面高程為-14.5～-22.5 m，總深度為39.5～47.5 m，共67幅，總方量約16 555 m3，采用水下C35砼澆筑。外側地下連續墻內襯從上向下依次為：基礎頂面以下0～9 m深度內厚1.5 m；9～18 m深度內厚2.0 m；18～27 m深度內厚2.5 m；超過27 m深度厚3.0 m；中間隔墻處地下連續墻兩側豎向各設1.2 m厚內襯（見圖2）。帽梁、內襯采用C30砼，普通鋼筋采用HRB400、HRB500。

圖1　錨碇基坑平面圖（單位：cm）

圖2　錨碇基坑立面圖（單位：標高為m，其他為cm）

錨碇區場地地層主要分為4層：第1層為第四紀全新世沖湖積物，以黏土和淤泥質黏土為主；第2層為礫石、卵石層；第3層為全風化～強風化混合巖；第4層為中風化～微風化混合巖。下伏中風化、微風化泥質板巖和砂質板巖的承載力高，地質條件良好，可作為錨碇基礎持力層。

地下連續墻施工采用銑槽機，接頭采用銑接法施工工藝。為防止成槽過程中孔壁坍塌，對地下連續墻內外兩側采用三軸攪拌樁進行地基加固，并在地下連續墻外側距離10 m位置做一道墻厚0.9 m的止水帷幕防滲。

2 有限元計算模型

根據錨碇基坑支護結構的特點，采用ANSYS 14.5對該基坑建立三維有限元模型，利用基坑支護結構的對稱性，取1/2部分進行模擬分析（見圖3）。模型計算范圍：豎向計算深度取基坑開挖深度的2倍，水平方向基坑長、寬取開挖深度的3倍。巖土采用Solid65實體單元模擬，地下連續墻與外側土體及開挖土體接觸面采用Targe170和Conta174接觸單元模擬，摩擦系數取0.4。計算模型考慮土圍堰荷載及施工荷載，在地下連續墻周圍一定范圍內施加地表壓力150 kPa。綜合考慮計算規模，基坑外側土體和地下連續墻采用映射網格、開挖土體采用自由網格劃分，地下連續墻外側土體及基坑底部土體網格劃分較粗，單元總計143 402個。

圖3　開挖前有限元模型

根據地勘報告，地層由淤泥質黏土（28.7 m）、砂礫層（1.1 m）、全風化板巖（9.9 m）、強風化板巖（7.2 m）、中風化與微風化板巖（20.3 m）組成。考慮計算模型的規模，對地層結構進行簡化，大致分為3層：以黏土、淤泥質黏土及1.1 m厚礫石、卵石層為第1層，厚度按30 m考慮，材料特性按淤泥質黏土取值；第2層全風化～強風化混合巖取18 m；模型48 m以下至基底為第3層，按中風化～微風化混合巖考慮。地下連續墻槽段考慮施工偏差及施工過程泥皮對墻體環向受壓剛度的削弱，根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》附錄T取低限值，對地下連續墻C35彈性模量按0.4折減。地層及支護結構力學性能參數取值見表1。

結合該項目實際情況，為便于計算分析，采用彈塑性理論并作如下假定：1）各層土體為各向同性的彈塑性土體；2）不考慮地下水壓力影響；3）錨碇前、后倉土體及砼澆筑采用對稱平挖流程；4）考慮內襯砼收縮及普通鋼筋對結構的影響。邊界條件：上表面為自由面；四周邊界面約束法向位移；底部約束3個方向位移。

3 計算工況及結果分析

基坑內襯采用逆作法施工，考慮開挖施工過程，計算中通過時間步考慮26種工況：1）自重應力場平衡；2）施加地表超載，施加地下連續墻后平衡；3）施加第1層內襯，第2步開挖；4）施加第2層內襯，第3步開挖；……；14）施加第11層內襯，第12步開挖；15）施加第12層內襯，第13步開挖。

通過ANSYS三維有限元計算，對地表沉降、基坑隆起、地下連續墻在開挖過程中的變形和彎矩進行分析，計算結果見表2。

表1　地層及支護結構力學參數

表2　施工階段有限元計算結果

由表2可知：施工過程中最大縱向正彎矩為787.2 k N·m，最大縱向負彎矩為-1 670 k N·m，均出現在最后開挖步；最大環向正彎矩為1 908.3 k N·m，出現在第8開挖步；最大環向負彎矩為-2 411.9 k N·m，出現在第12開挖步。地下連續墻最大變形量為12.5mm，出現在最后開挖步；基坑隆起最大值為63.2mm，出現在第6開挖步；地表沉降最大值為4.2mm，出現在最后開挖步。

4 監測分析

根據君山側地下連續墻施工過程中需關注的重點，主要對地下連續墻和內襯鋼筋應力、地下連續墻深層水平位移進行監測分析。

4.1地下連續墻鋼筋應力監測

在橋軸線上、與橋軸向成45°及與垂直橋軸線方向成15°角上分別布置地下連續墻鋼筋應力測點（見圖4）。鋼筋應力計布設在預設槽段的中部徑向剖面內弧和外弧主筋上，每層對應布置2支元件。君山側小圓共8層，每層5個槽段需監測，每個槽段16個鋼筋應力計；大圓共9層，每層5個槽段需監測，每個槽段18個鋼筋應力計；大小圓隔斷處8層，每層1個鋼筋應力計。共布設178個鋼筋應力計。

圖4　地下連續墻鋼筋應力計布置示意圖（單位：cm）

根據監測結果，地下連續墻鋼筋累計最大拉應力為32.94 MPa，位于1#槽段外側；累計最大壓應力為-36.20 MPa，位于23#槽段內側。拉應力變化量最大值為6.65 MPa，位于16#槽段內側；壓應力變化最大值為-32.49 MPa，位于23#槽段內側。均未超過設計預警值，地下連續墻鋼筋應力水平較低，設計偏安全，有優化的空間。

4.2錨碇內襯鋼筋應力監測

在橋軸線上、與垂直橋軸線方向成15°角上分別布置錨碇內襯鋼筋應力測點（見圖5）。鋼筋應力計布設在徑向剖面內弧和外弧主筋上，自地下連續墻帽梁頂部向下分層布設，每層對應布置2支元件。君山側小圓共4層，每層3個剖面需監測，每層6個鋼筋應力計；大圓共5層，每層3個剖面需監測，每層6個鋼筋應力計。共布設54個鋼筋應力計。

圖5　內襯鋼筋應力計平面布置示意圖（單位：cm）

根據監測結果，內襯內側累計鋼筋應力最大變化值為-40.02 MPa，位于16#槽段；外側累計鋼筋應力最大變化值為43.12 MPa，位于15#槽段，均未超過設計預警值，鋼筋應力富余較大，設計偏安全。

4.3地下連續墻深層水平位移監測

地下連續墻墻體深層水平位移通過預埋測斜管監測，測斜管布置見圖6，水平位移變化曲線見圖7。

圖6　地下連續墻內測斜管布置（單位：cm）

根據監測結果，地下連續墻深層水平位移變化量最大值位于CX4測斜管4.0 m深度處，為1.03mm（日變化量0.15mm），位移方向為傾向基坑內側；累計位移量最大值位于CX9測斜管0.5 m深度處，為14.01mm，位移方向為傾向基坑內側。

5 監測結果與計算結果分析

地下連續墻最大水平位移與實測最大水平位移數值上基本一致，計算最大值為12.5mm，實測值最大為14.01mm，實測值比計算值大。計算結果表明支護結構整體變形較均勻，但實測中發現支護結構變形差異性較大，部分區域發生較大向基坑外側的位移。根據地勘報告，錨碇場地存在小斷層發育，土體環境復雜，基坑土體開挖過程與計算模擬過程存在較大差別。基坑實際開挖采用分區分塊的方式，非對稱開挖產生不均勻土壓力，導致不均勻變形。

圖7　地下連續墻CX9測斜管水平位移變化曲線

在進行內襯第10層施工時，監測到第8層內襯鋼筋應力變化值較大，內側累計鋼筋應力最大變化值位于16#槽段，為238.53 MPa；外側累計鋼筋應力最大變化值位于1#槽段，為74.81 MPa；27#槽段累計變化值為180.66 MPa，并且在P16、P27位置出現滲水情況。內襯開裂位置處于傳感器埋置位置附近，經過對整個基坑監測數據的分析及現場進行驗證性開挖，內襯開裂是由砼收縮應力所引起，砼收縮使應力計數據突增，對結構受力影響較大。

6 結語

針對葫蘆形基坑工程，通過對基坑開挖施工過程進行三維非線性有限元分析，對支護結構內力、變形進行估計，施工監測結果表明三維非線性有限元分析結果與該橋實際情況基本一致。主要結論和體會如下：

（1）實測地下連續墻鋼筋應力最大值為設計值的9.1%，內襯鋼筋應力最大值為設計值的11%，表明支護結構具有較高的安全儲備。該項目內襯厚度有1.5、2、3 m 3種形式，在保障施工安全的前提下，可以對內襯結構形式進行優化，以加快施工進度、改善施工質量。

（2）針對內襯開裂問題，一是對結構關鍵位置測點進行加密；二是砼收縮對內襯支護結構內力影響較大，實際施工中內襯可考慮采用微膨脹砼。

（3）為確保基坑開挖的施工安全，需制訂防滲漏預案，可采用高壓旋噴樁或鉆孔壓漿方式處理。

（4）葫蘆形支護結構在開挖過程中同一深度位置土壓力不同，為確保基坑開挖過程中地下連續墻水平方向土壓力平衡，需根據設計要求及施工監控指令對基坑開挖土體進行有序分區組織開挖，盡量保證支護結構受力均勻。

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U445.55

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2016-06-01