北江清遠樞紐二線船閘基坑關鍵技術研究

高君杰 鄭躍

摘要：清遠樞紐二線船閘工程，由于周圍復雜環境的制約，船閘主體建筑物的基坑需采用帶撐支護結構對其進行支護，本文介紹了帶撐深基坑[1]支護設計方案、施工步驟及要求，并采用有限元軟件 Plaxis 對其進行數值模擬，模擬結果與實際監測數據進行對比分析，為類似工程提供了一定的參考。

關鍵詞：帶撐支護結構;深基坑;支護設計方案;數值模擬;對比分析

中圖分類號：U61? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0134-03

1船閘工程概況及特點

1.1船閘工程概況

新建清遠水利樞紐二線船閘建設規模：按1000噸級船閘（Ⅲ級船閘）建設，船閘有效尺度為220m×34m×4.5m（閘室有效長度×閘室有效寬度×檻上水深）。通航凈高為10m。考慮過壩貨運量需求，將新建清遠水利樞紐二線船閘按照單線船閘設計。

二線船閘布置在一線船閘右岸、兩閘中心距90m。二線船閘上閘首與右岸船閘上閘首及門庫段前沿（壩軸線）平齊，上閘首左側通過地連墻支護與現有一線船閘門庫段相連接，右側與清遠水利樞紐土壩相連接。

1.2船閘基坑工程特點

根據本項目工程地質報告、船閘建設方案以及周邊建筑物分布情況，本船閘基坑圍護工程具有如下特點：

（1）本基坑縱向長度約為517m，橫向寬度為65.5m。

（2）本基坑最大開挖深度為22.52m，屬深基坑，基坑最大水頭差為22.05m。

（3）本基坑位于原一線船閘的右側，與一線船閘平行，兩閘中心距90m，

（4）本基坑開挖影響范圍內土層自上而下大致為填砂、中粗砂、淤泥質粉質黏土混粉砂、卵石土、中風化灰巖，不良地質現象主要為巖溶，場地區粘性土混粉砂，較多表現為流塑～軟塑，地基承載力差，開挖后邊坡穩定性也相對較差，易發生邊坡坍塌等不良地質現象，局部粉砂含量較多處，存在管涌、流砂的可能性。

2工程地質及水文地質

根據建設場地地質勘察報告，船閘基坑開挖范圍內土層至上而下構成如下：①素填土：軟塑，土質不均 ， 局部含碎石 ， 層厚約0.5m～2.5m;②填砂：稍濕，松散～稍密，層厚約2.0～19.0m;③卵石土：中密～密實，地基承載力較好，滲透性強，層厚約3.0～9.0m;④中風化灰巖：巖芯呈柱狀，局部呈塊狀，溶洞較發育，層厚約8.0～19.0m，場地地質參數見下表。

3基坑支護設計及關鍵技術

3.1施工導流標準

上游全年圍堰位于樞紐右岸土壩上游庫內，施工導流標準按清遠水利樞紐土壩設計標準，即上游圍堰建筑物級別為2級，洪水標準為50年一遇設計，300年一遇校核。

下游全年圍堰為樞紐右岸土壩下游，下游圍堰建筑物級別為4級，考慮到清遠水利樞紐實測水文資料可靠，且上游有飛來峽水利樞紐防洪調度，洪水標準為10年一遇，相應壩下水位為▽12.91m。

3.2基坑支護方案

本項目基坑支護由上游導航墻段、上閘首段、閘室段、下閘首段和下游導航墻段組成，本文以閘室段基坑支護為例。閘室段支護結構采用地下連續墻+鋼筋混凝土支撐系統的設計方案，地下連續墻混凝土強度等級為 C30。基坑典型斷面見下圖。

3.3水平支撐體系

本基坑內支撐主要采用水平對撐、八字斜撐、聯系梁等組合桁架形式，為土方的挖運和施工提供較為開闊的空間。本基坑內支撐設計為兩層。支撐砼構件強度等級為 C40。對撐最大間距8.5m，最小間距4.25m，具體支撐信息見表2。

3.4水平支撐系統施工步驟

第一步：開挖至第一道支撐底高程，其后澆筑第一道冠梁和支撐

第二步：待第一道支撐達到設計強度的100%后，分層、分塊、對稱、平衡地開挖至第二道內支撐底高程，并澆筑第二道鋼筋混凝土腰梁和支撐;

第三步：以此類推，開挖至基底，及時澆筑底板。

4數值模擬分析

4.1模型建立

數值模擬計算采用Plaxis 有限元軟件。根據實際尺寸，分別建立各個控制斷面的數值模型。各巖土層均采用彈塑性模型，屈服準則參考相關文獻采用 Mohr- Coulomb 準則，地下連續墻及內撐結構采用彈性模型，水平與豎向邊界均采用位移約束邊界。結合基坑開挖全過程，在初始應力場下進行逐步開挖。邊界條件為：模型的側面和底面為位移邊界，限制側面水平位移，限制底面豎直位移;上面為原地面，取為自由邊界，其中典型斷面模型如圖2。

地連墻和鋼筋混凝土水平支撐的單元參數詳見下表。

4.2施工過程的模擬

基坑在施工過程中工序繁多，工藝也比較復雜，施工時既需要理順基坑施工各工序間的先后順序[3]，又需要確定基坑施工和主體結構施工之間的順序。該模型模擬的施工過程為利用設計水位生成初始孔壓→利用“K0過程”生成初始應力→激活各土層單元→激活地連墻單元→激活第1道內支撐體系→依次開挖土體并激活內支撐直至坑底。在基坑每層土開挖前，需把坑內地下水位降到開挖面以下0.5m。計算工況為兩個最不利工況（①對于左岸地連墻最不利工況：左岸外側水位▽12.91m，右岸外側水位▽4.5m，內側水位基坑底以下0.5m;②對于右岸最不利工況：左岸外側水位▽5.0m，右岸外側水位▽4.5m，內側水位基坑底以下0.5m）進行計算。

5監測數據分析

根據現場對應監測點的監測數據，與數值模擬計算值進行對比分析，本文對閘室擋水側（左岸）前排地連墻水平位移、閘室非擋水側（右岸）地連墻水平位移和水平撐軸力進行對比分析，具體對比值詳見以下圖表。

由以上圖表可以看出，地連墻的水平位移特性表現為中間大、兩端小的弓形特征，該特征符合典型的深厚軟弱土中帶內支撐開挖基坑地連墻的變形規律，隨著時間和開挖深度的增加，地連墻的最大水平位移逐漸下移，最終移到基坑底部位置附近。擋水側（左岸）前排地連墻最大水平位移各工況模擬值為34.3mm、18.4mm，其各時間點監測值分別為6.2mm、19.1mm、22.3mm、25.2mm，模擬值與監測值大致符合;非擋水側（右岸）地連墻最大水平位移各工況模擬值為26.2mm、31.1mm，其各時間點監測值分別為11.0mm、10.3mm、25.2mm、44.0mm，由于右岸監測水位沒有到達設計洪水位，故監測值最大水平位移大于模擬值最大水平位移，整體變形趨勢與監測值大致符合;每道撐的軸力值模擬值與監測值相比都相對較小，是由于模擬值沒有考慮溫度應力對水平支撐軸力的影響，若采用支撐因溫度產生的附加軸力公式對模擬值進行修正，其計算結果為第一道撐軸力值為5544kN，第二道撐軸力值為11355kN，與監測值基本符合。

6結語

本文在分析了依托工程的工程地質和水文地質特點的基礎上，對帶撐深基坑支護設計方案、施工步驟及要求進行了總結，并研究了關于深基坑內撐施工的關鍵技術，主要包括：

（1）本文提出了水平支撐系統的施工步驟、立柱施工定位控制要求以及水平支撐施工的控制要素。

（2）本文利用有限元軟件 Plaxis 對依托工程的閘室段基坑支護進行了模擬，模擬結果得出：設計水平支撐計算軸力時應適當考慮溫度應力對內撐軸力的影響，這樣與實際監測的數據更加吻合，這對實際工程應用有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]徐彥舉.富水軟土區緊鄰既有運營地鐵車站深基坑設計關鍵技術研究[J].市政技術 ，2021，39（06）：63-68.

[2] 崔青玉.復雜城市環境下地鐵深基坑設計關鍵技術研究[J].現代城市軌道交通 ，2021（07）：67-73.

[3]楊琛 ， 茍學登 ， 蘇軒彬 ， 等.深厚軟土地層深基坑降水方案設計與施工關鍵技術研究——以紹興市軌道交通2號線越王路站為例[J].中國建材科技 ，2021，30（02）：102-104.

[4]邵晨晨.復雜地質條件和敏感環境中基坑設計實踐及關鍵技術[J].鉆探工程 ，2021，48（06）：102-108.

[5] 王衛東 ， 劉國彬 ， 徐中華 ， 等.《基坑工程手冊》第二版[Z].2009.