鐵路橋梁深水基坑封底方式變形實測及數值模擬

李博康

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

0 引言

在鐵路橋梁工程建設中，深水基坑施工危險性高，常見的深水基坑支護方法有沉井、鋼板樁圍堰、吊箱等[1]。鋼板樁因其具有強度高、防水性能好，可重復使用的特點而廣泛應用于深基坑、溝槽等工程實踐中。鋼板樁支護結構由打入土層中的鋼板樁圍護體系和內支撐或拉錨體系組成，以抵抗水、土壓力，確保地下工程的安全[2]。王帆[3]利用有限元數值模擬手段，對巖土體變形模量、黏聚力、內摩擦角、泊松比影響下鋼板樁的變形進行分析，得到鋼板樁變形對土體剛度變化最為敏感。張樹清等[4]利用ANSYS建立鋼板樁圍堰三維模型，對不同工況下鋼板樁應力與變形進行了有限元分析。本文采用Midas-GTSNX有限元數值模擬軟件，以鐵路橋梁深基坑為工程對象，研究了不同基坑封底方式下，鋼板樁變形情況，以及坑底隆起情況，可為類似工程設計與施工提供借鑒。

1 項目概況

1.1 工程概況

新建某鐵路工程濠江特大橋跨濠江主航道(88+160+88) m連續鋼構，主墩為106號墩、107號墩，水位高程2.5 m，承臺尺寸為19 m×24 m。承臺基坑采用拉森Ⅳ鋼板樁(牌號Q295P)及鋼管內支撐的支護形式，鋼圍檁由上往下依次采用雙拼Ⅰ45b工字鋼、雙拼Ⅰ56b工字鋼、3UB610×229型鋼，基坑深度16.1 m，其中基坑頂面至頂面下7 m為水層，鋼板樁插打長度為24 m。

1.2 工程地質與水文地質

106,107墩位置處從河床以下的巖土層分布及指標如下：1)淤泥：層厚8.2 m，重度19 kN/m3，浮重度9 kN/m3，黏聚力12 kPa；2)細砂：層厚12.4 m，重度19.5 kN/m3，浮重度19.5 kN/m3，黏聚力4 kPa，內摩擦角36°。鋼板樁圍堰布置如圖1所示。

2 基坑施工工序及不同封底方式分析

2.1 基坑施工工序

水中鋼板樁圍堰均采用先下整體式內圍囹，后打鋼板樁的方法。基坑采用濕封混凝土方式施工工序如下：

1)圍檁及內支撐桿件現場組裝，由下到上依次下放各層鋼圍檁及內支撐至設計位置。

2)鋼板樁定位，依次插打拉森鋼板樁直至閉合。

3)水下清淤，澆筑水下混凝土。

4)牛腿與鋼板樁焊接。

5)降水至坑底，承臺施工。

6)承臺施工到第四道內支撐下50 cm并達到強度后，在鋼板樁和承臺之間回填砂石并夯實，拆除第四道內撐。

7)承臺施工完成后，逐層拆除剩余內支撐和鋼圍檁，拔出鋼板樁[5]。

2.2 不同封底方式介紹與分析

濕封即2.1所述流程，該封底方式優勢在于封底過程中，基坑內外水位標高基本一致，故鋼板樁內外靜水壓力差對鋼板樁變形影響較小，同時由于封底混凝土施作，大大降低了后續降水時，基坑水土之間滲流耦合作用，有利于降低坑底涌水涌砂及鋼板樁失穩等風險，施工安全性較高。缺點是水下清淤困難，工期較長，封底混凝土計算厚度較大，用量大，不利于成本控制。

干封即在鋼板樁定位后，直接進行降水，并在過程中做好基坑支護結構加固，降水至淤泥層后進行清淤，直至降水清淤至封底混凝土底面，此時進行封底混凝土澆筑。該封底方式優勢在于施工快，封底混凝土計算厚度相對較小，用量較少，有利于工期及成本控制。缺點是基坑水土滲流耦合作用較強，且鋼板樁內外靜水壓力相差較大，不利于降低坑底涌水涌砂及鋼板樁失穩等風險。

3 有限元模型及計算結構分析

3.1 有限元計算軟件選用

基坑有限元模擬通常采用MIDAS-CIVIL荷載結構法進行分析，然而荷載結構法在涉水基坑計算中存在幾方面不足:

1)水土分算法進行計算是偏于保守的。

2)無法考慮水土之間滲流耦合作用。

3)無法考慮降水過程影響。

4)結構計算荷載為手算后輸入，對計算人要求較高。

故本次有限元數值模擬采用MIDAS-GTS。

3.2 有限元模型建立

為降低基坑降水開挖邊界效應的影響，基坑開挖范圍在水平方向上為開挖深度的3倍～5倍，在垂直方向上為開挖深度的2倍～4倍，為真實模擬基坑降水開挖過程，基坑完全采用施工現場實際尺寸，即南北方向26.4 m，東西方向21.4 m。土體本構模型選用摩爾庫侖模型，該模型由C.A.Coulomb最先提出，在應力應變平面上由摩爾圓和抗剪強度包線組成，當土體中任一平面上的某點剪應力等于土的抗剪強度時，該點即處于瀕于破壞的臨界狀態。

鋼板樁采用板單元模擬，并建立界面單元，對接觸面上的鋼板樁-淤泥單元強度折減。支撐結構采用梁單元模擬，淤泥、細砂、封底混凝土均采用實體單元模擬。基坑降水則采用設置各層節點水頭方式進行模擬。鋼板樁按照每延米的慣性矩等效為矩形截面的鋼板，用4節點板單元模擬等代計算厚度[6]為16.7 cm。

封底混凝土采用C30混凝土，彈性模量E=3×104MPa，容重為25 kN/m3，泊松比0.2。Q235鋼材的彈性模量E=2.06×105MPa，容重為76.98 kN/m3，泊松比0.3；根據設計計算書，本工程濕封封底厚度取3 m，干封封底厚度取1.5 m。數值計算模型如圖2，圖3所示。

3.3 計算結果

工況一為采用濕封混凝土方式，工況二為采用干封混凝土方式。兩種工況下，鋼板樁最大變形云圖分別如圖4，圖5所示。

最不利情況下，基坑內降水至封底混凝土面時，鋼板樁變形隨深度變化曲線及坑底隆起隨降水變化曲線，如圖6，圖7所示。

圖6為兩種工況下鋼板樁隨深度變化曲線，工況一，鋼板樁最大變形發生在頂面下10 m位置，南北向最大水平變形14.5 mm；工況二，鋼板樁最大變形發生在頂面下16 m位置，南北向最大水平變形65.2 mm。分析原因，當采用濕封混凝土方式時，封底混凝土彈性模量、密實度均遠大于原淤泥質地層，故降水開挖時，鋼板樁變形較小。

圖7為兩種工況下坑底隆起隨降水深度變化曲線，工況一坑底隆起最大值5.1 cm，工況二坑底隆起10.4 cm。當采用濕封混凝土方式時，由于在基坑內降水之初，已完成水下封底混凝土施作，封底混凝土彈性模量、重度等均遠大于原高壓縮性淤泥質地層，且混凝土滲透性遠小于淤泥地層，水土滲流耦合作用小，故在降水開挖這一卸載過程中，工況一坑底隆起值小于工況二坑底隆起值。

4 計算結果與監測結果對比

鋼板樁預警值規定：Ⅰ級樁頂最大位移0.004 h且不大于30 mm，樁身最大位移0.004 h且不大于50 mm。本工程107主墩已采用濕封混凝土方式進行基坑開挖，受工期等因素影響，106主墩計劃采用干封混凝土方式開挖，尚未進行施工。

現場主要對107墩各層鋼圍檁布置12個監測點，其中，南北方向6個，東西方向6個。具體監測方案如表1所示。

表1 監測方案

根據現場監測結果，107主墩南北向最大水平變形為12.4 mm，鋼板樁最大變形發生在頂面下10 m位置。計算結果略大于現場監測結果，但相差較小，最大變形位置相同。原因分析，濠江靠近大海，退潮頻次及程度較大，退潮程度較高時，外露河床，此時河床以上，鋼板樁不受外部水壓影響，變形較小。

5 結語

通過跨濠江主跨106 m連續鋼構主墩鋼板樁圍堰數值模擬及結合現場監測結果對比分析，得到以下結論：

1)107墩基坑開挖方式鋼板樁最大變形與現場監測結果較為接近，在僅改變基坑施工工序情況下，106墩采用干封方式，計算得到鋼板樁變形、坑底隆起值有較大參考意義。

2)106墩采用數值模擬方法計算干封時最大水平變形65.2 mm，大于鋼板樁的預警值，應對支護方案進行優化。同時當坑內水位降低至內支撐以下時，需加強現場監測頻次，增加監測點數量，并盡可能在江面水位較低或退潮時施工。

3)在工期條件等因素允許條件下，盡可能采用濕封混凝土方式對基坑進行封底，有利于提高安全性。