某二線船閘基坑施工對既有一線船閘的影響分析

劉志軍，姜 燕，黃茂興，謝志杰

(1.廣東省源天工程有限公司, 廣東 廣州 511340；2.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；3.廣東省巖土工程技術研究中心，廣東 廣州 510635)

1 工程概況

廣東省某水利樞紐工程正常蓄水位為10.81 m，總庫容為3.018億m3，過閘流量大于5 000 m3/s，工程等別為Ⅰ等，規模為大(1)型[1]。現有一線船閘為單線Ⅲ級船閘，船閘閘室有效尺寸為180 m×23 m×4.5 m(閘室長×寬×門檻最小水深)，可通行船舶1 000 t級。為提高干流航道的通航能力，新建1 000 t級的二線船閘。二線船閘布置在既有一線船閘右側，兩閘平行布置，中心距為90 m，以上閘首上游面對其布置，二線船閘和一線船閘相對位置如圖1所示。

圖1 二線船閘和一線船閘相對位置示意

二線船閘上閘首左側與一線船閘門庫段相接，二線船閘門庫段基坑與一線船閘門庫最近距離僅6.25 m；二線船閘閘室臨近一線船閘閘室及下閘首門庫，其中距一線船閘閘室最近距離為36.8 m，距下閘首門庫最近距離僅16.67 m[2]。總體上，二線船閘和一線船閘距離較近，二線船閘在地連墻施作、基坑開挖時均可能影響一線船閘既有建筑物的受力和變形特征[3]。

二線船閘基坑采用雙排連續墻+內支撐支護方案，且存在較深厚砂層，本文采用有限元方法分析了二線船閘施工對一線船閘既有建筑物的影響，結合現場監測數據，驗證了支護方案的可靠性以及加固措施的有效性。

2 工程地質情況及力學參數

根據勘察資料[4]，一、二線船閘場地表層為填砂、填土，呈稍濕、松散狀，滲透性屬中等—強，場地內主要的巖土層為：

1a層素填土：以粘性土為主，灰褐色，軟塑為主，土質不均，含少量生活垃圾，局部含碎石。

1b層填砂：以中粗砂為主，部分為粉細砂，灰黃色，稍濕，呈松散—稍密狀，主要分布于上游引航道段。

1-1層粉質粘土：呈軟塑—可塑狀；1-3層中粗砂：松散，承載力一般，中等—強滲透性；2-2層淤泥質粉質粘土：呈流塑—軟塑，不透水—微透水；2-3層粉細砂層，稍密—中密，滲透性中等—強，穩定性差；3-2層淤泥質粉質粘土；4-1、4-3層圓礫土、卵石土，中密—密實，承載力較好，滲透性強。

下伏基巖主要為泥盆系天子嶺組中風化灰巖、灰質頁巖及砂巖，承載力好，透水率大部分小于3 Lu。

船閘主體結構段地質縱剖面見圖2所示。主體結構建基面位于2—3層粉細砂層，建基面以上為1-3、1b中粗砂層和2-2層淤泥質粉質粘土；建基面以下為4-3層卵石層和強、中風化巖。各土層主要物理力學參數見表1[5]。

圖2 船閘主體結構段地質縱剖面示意

表1 各土層主要物理力學參數

3 二線船閘典型基坑方案及與一線船閘既有建筑物的位置關系介紹

3.1 二線船閘支護設計及與一線閘基礎情況說明

典型基坑支護剖面如圖3所示，基坑左岸采用雙排地連墻支護，墻距為5.15 m，連續墻厚度為1.2 m，樁長約為41 m，基坑頂高程為13.91 m，最低開挖面高程為-8.64 m。基坑豎向設置3道支撐，支撐截面為1.3 m×0.95 m，支撐間距為6 m。右岸采用樁徑為1.2 m的單排地下連續墻，樁頂高程為8.0 m，樁長為30 m，本次靠近一線船閘為左岸支護結構。

圖3 典型基坑支護剖面示意

二線船閘基坑結構與一線船閘既有建筑物的相互關系分述如下：

1) 二線船閘上閘首門庫段基坑臨近一線船閘上閘首門庫，最近距離約為6.25 m，鄰近一線船閘上閘首及上閘首門庫段地基采用水泥攪拌樁和高壓旋噴樁加固。其中水泥攪拌樁樁徑為850 mm，樁的中心距為600 mm，高壓旋噴樁樁徑為800 mm，中心距為600 mm。

2) 二線船閘上閘首普通段基坑臨近一線船閘閘室段，最近距離約為36.8 m。鄰近一線船閘閘室段采用振沖+PHC管樁做地基處理。樁徑及樁間距同上。

3) 二線船閘閘室段鄰近一線船閘閘室，最近距離約為36.8 m。鄰近一線船閘閘室段地基采用振沖樁加固，樁徑及樁間距同上。

4) 二線船閘閘室段2-2斷面鄰近一線船閘下閘首門庫，最近距離約為16.67 m。鄰近一線船閘閘室段地基采用振沖樁加固，樁徑及樁間距同上。

3.2 主要施工保護措施

二線閘施工對一線閘保護有較大影響的關鍵措施如下：

1) 由于該工程地質條件復雜，場地表層覆蓋砂層厚、巖溶發育強烈。若地連墻施工遇到溶洞發生坍塌，容易危及到一線閘既有建筑物變形及安全。故在施工二線閘地連墻前，每槽地連墻均采用超前鉆查明每個槽段嵌入巖層是否存有溶洞、土洞，并對已探明巖溶區域，對地連墻兩側槽壁進行預注雙液漿填充固化[5]，中間部位采用預注水泥漿的處理方法，從而提高抗巖溶局部坍塌的能力。

2) 為確保二線船閘施工上游引航道縱向圍堰及支護結構不斷航，采用延伸法先行施工鋼棧橋片平臺，進而利用鋼棧橋平臺施工復合擋土墻結構中的大直徑鋼管樁形成上游縱向圍堰；為順利施工基坑支護結構提供了有力的保障措施，也確保了相鄰的一線船閘運營不斷航[6]。

4 對一線船閘影響的有限元分析

4.1 計算模型

采用實體單元模擬各土層，地連墻、支撐、立柱及連板采用梁單元模擬，并假定各土層均服從修正-摩爾庫倫屈服準則，地連墻、立柱、支撐及連板則假定為彈性體。模型的邊界條件為：底邊固定約束、兩側法向約束、上部自由。對于一線船閘經加固后的土層簡化為復合土體，采用Midas/GTS NX內嵌的加強土模型模擬。

施工順序模擬過程為：① 初始應力場獲取，且位移清零；② 二線船閘地連墻施工；③ 基坑開挖和支護體系施作。

4.2 計算參數

根據地質勘探資料結合工程經驗給定各土層的計算參數[7](見表2所示)。

表2 計算參數取值

4.3 計算結果分析

1) 上閘首門庫段開挖

二線船閘上閘首門庫段基坑支護體系包含左側格柵式雙排地連墻、右側單排地連墻、3道支撐和7道立柱。上閘首門庫及一線船閘既有建筑物有限元模型如圖4所示。各土層及支護結構參數根據表2選取。

圖4 上閘首門庫及一線船閘建筑物有限元模型示意

一線船閘上閘首及門庫地基經加固處理后開挖二線船閘上閘首門庫段基坑。開挖完成后一線船閘上閘首及門庫變形情況如圖5所示。

(a)水平位移

(b)豎向位移

經計算分析可知，一線船閘上閘首及門庫地基經加固處理后再開挖二線船閘上閘首段基坑時，一線船閘上閘首門庫產生的最大水平位移為10 mm，最大沉降為7.66 mm，均發生于門庫臨近二線船閘側頂部；上閘首產生的最大水平位移為0.87 mm，最大沉降為0.49 mm，均發生于上閘首臨近二線船閘側底部。由此可見，二線船閘上閘首基坑開挖對一線船閘既有建筑物變形影響較小。

2) 上閘首普通段開挖

二線船閘上閘首普通段基坑支護體系與上閘首門庫段相同，上閘首普通段及一線船閘閘室有限元模型如圖6所示。

圖6 上閘首普通段及一線船閘閘室有限元模型示意

一線船閘閘室段地基經加固處理后開挖二線船閘上閘首普通段基坑。開挖完成后一線船閘閘室變形情況如圖7所示。

(a)水平位移

(b)豎向位移

經分析可知，一線船閘閘室產生的最大水平位移為0.53 mm，發生于臨近二線船閘側頂部；最大沉降為0.044 mm，發生于臨近二線船閘側頂部。由此可見，二線船閘上閘首普通段基坑開挖對一線船閘既有建筑物變形影響較小。

3) 閘室1-1段開挖

二線船閘閘室1-1段臨近一線船閘閘室，其基坑支護體系包含左側格柵式雙排地連墻、2道支撐和5道立柱及右側單排地連墻。二線船閘閘室段及一線船閘閘室有限元模型如圖8所示。

圖8 閘室及一線船閘閘室有限元模型示意

一線船閘閘室段地基經加固處理后開挖二線船閘閘室段基坑(一線船閘閘室產生的變形情況如圖9所示)，開挖時一線船閘閘室產生的最大水平位移為8.4 mm，最大沉降為3.2 mm，均發生于臨近二線船閘側上部。由此可見，二線船閘閘室段基坑開挖對一線船閘既有建筑物變形影響較小。

(a)水平位移

(b)豎向位移

4) 閘室2-2段開挖

閘室2-2段臨近一線船閘下閘首門庫，其基坑支護體系與閘室1-1段相同。閘室2-2段及一線船閘下閘首門庫有限元模型如圖10所示。

圖10 閘室及一線船閘下閘首門庫有限元模型示意

一線船閘下閘首門庫地基經加固處理后開挖二線船閘閘室基坑，一線船閘下閘首及門庫變形情況如圖11所示。

(a)水平位移

(b)豎向位移

計算可知，一線船閘下閘首門庫產生的最大水平位移為23.1 mm，發生于下閘首門庫臨近二線船閘側頂部，下閘首產生的最大位移為16.0 mm，發生于下閘首近二線船閘側頂部；下閘首門庫產生的沉降較小，而下閘首臨近二線船閘側上部產生的最大沉降為13.1 mm。由此可見，二線船閘閘室段開挖對一線船閘下閘首及門庫變形有影響，但仍變形滿足規范[8]要求。

5 對一線船閘影響的現場監測分析

為及時掌握二線船閘施工時一線船閘的變形動態，在二線船閘施工前對一線船閘上閘首及門庫、下閘首及門庫、閘室及上、下游導航墻頂部布置了63個位移觀測點，用于監測二線船閘施工期間一線船閘及中間土體的位移發展情況。

根據監測數據，二線船閘施工過程中一線船閘上閘首門庫、上閘首、閘室、下閘首、下閘首門庫等的累計水平位移量介于-3.0～22.9 mm之間，其中上閘首門庫段建筑物累計水平位移量在-3.0～22.9 mm間；上閘首普通段各測點累計位移量介于-2.3～3.5 mm之間，變形量較小；下閘首普通段各測點累計位移量介于2.2～7.9 mm之間，位移量較小；下閘首門庫段臨近二線船閘側各測點累計位移量介于0.3～18.6 mm。

二線船閘施工過程中一線船閘上閘首門庫、上閘首、閘室、下閘首、下閘首門庫等的累計沉降量介于0.15～10.89 mm之間，其中上閘首門庫段建筑物累計沉降量在2.51～10.89 mm之間；上閘首普通段各測點累計位移量較小，介于3.55～5.06 mm之間；閘室段臨近二線船閘側各測點累計位移量介于0.51～5.61 mm之間；下閘首普通段各測點累計位移量介于2.65～5.44 mm之間，位移量較小；下閘首門庫段臨近二線船閘側各測點累計位移量介于1.81～7.74 mm。

有限元計算結果與實測結果對比分析見表3，由表3可見，二線船閘施工對一線船閘建筑物雖有影響，但影響較小，計算結果與實測結果較吻合。

表3 一線船閘基坑開挖鄰近建筑物位移統計 mm

6 結語

廣東某二線船閘與既有一線船閘平行布置，二線船閘門庫與一線船閘門庫最近距離為6.28 m，二線船閘圍護結構距一線船閘最近僅1 m，場地地質條件復雜，二線船閘基坑采用雙排連續墻+內支撐支護方案，本文采用有限元方法分析了二線船閘基坑施工對一線船閘既有建筑物的影響，并結合現場監測數據進行了對比分析。主要結論如下：

1) 總體而言，二線船閘基坑采用雙排連續墻+內支撐的支護方案，其開挖施工對一線船閘有一定影響，但影響較小。

2) 一線船閘上閘首產生的最大水平位移僅10 mm、最大沉降僅7.66 mm。觀測期內，上閘首累計位移量最大值為22.9 mm、最大沉降量為10.89 mm，均滿足變形要求，說明了支護方案的可靠性。

3) 相對其他部位，二下船閘施工對一線船閘下閘首和門庫的影響最大，水平位移最大達23.1 mm，最大沉降量達到13.1 mm，實測最大水平位移為18.6 mm、最大沉降達7.74 mm。實測值與計算值基本吻合，二線船閘施工對一線船閘下閘首變形影響較明顯，但仍滿足規范變形要求。