某土壤修復項目攪拌樁止水帷幕施工對珠江堤防安全影響分析

謝健萍，溫 勇

(1.中國水產廣州建港工程有限公司，廣州 510220；2.仲愷農業工程學院 城鄉建設學院，廣州 510225；3.廣東省嶺南鄉鎮綠色建筑工業化工程技術研究中心，廣州 510225；4.仲愷農業工程學院可持續建筑與節能研究所，廣州 510225)

1 工程概況

1.1 概述

某工程位于廣州市白云區，占地面積約15.2萬m2，由于工程場地環境調查工作與土壤風險評估顯示：砷的致癌風險和非致癌危害商均大于可接受水平，風險不可接受；總氟化物和石油烴(C10-C40)的非致癌危害商均大于可接受水平，風險不可接受，需對污染土壤進行修復。經對比分析，最終采用修復方案為：含砷、總氟化物、石油烴(C10-C40)污染土均采用異地水泥窯進行協同處置；地塊內地下水采用三軸水泥攪拌樁止水帷幕阻隔方式進行風險管控。

工程地塊邊界建有珠江堤防，根據河道管理范圍及堤防安全評價等相關規定[1-4]，由于此次土壤修復項目三軸水泥攪拌樁止水帷幕在其管理范圍之內，而攪拌樁的施工對堤防安全有一定的影響，如俞元盛等[5]針對堤腳附近水泥攪拌樁軟基處理對加固斷面海堤穩定性影響進行了評估，胡峰強等[6]采用FLAC強度折減法數值模擬分析了建在防洪堤防上的主橋墩樁基施工對該堤防穩定性影響，徐良英等[7]研究了杭州市錢江新城城市主陽臺水域工程樁施工期間對錢塘江標準堤影響程度的監測情況。

因此，為了分析本工程攪拌樁止水帷幕施工對珠江堤防影響，本文擬采用大型通用有限元軟件 MIDAS/GTS NX對攪拌樁止水帷幕施工過程進行模擬，得出堤防結構受力及變形變化，最終根據計算結果評估堤防的安全性。

1.2 工程地質條件

在勘探孔深度控制范圍內，場地地層按地質成因分為第四系人工填土層(Q4ml)、第四系全新統沖積層(Q4al)和石炭系基巖(C)，自上而下分述如下：

1) 素填土：褐灰色，松散～稍壓實，主要成分為粘土及中細砂顆粒，底部含淤泥。

2) 淤泥：灰色，流塑，飽和，味腥，含有機質，局部含中細砂顆粒。

3) 細中砂：灰白色，褐灰色，松散，飽和，主要成分為石英，局部含淤泥，級配一般，分選性差。

4) 粉質黏土：灰黃色，灰褐色，可塑，濕，粘性較大，粘粒為主，含少量中細砂顆粒，韌性及干強度較好。

5) 粗砂：灰白色，褐灰色，松散，飽和，主要成分為石英，局部含淤泥，級配一般，分選性差。

6) 中風化石灰巖：深灰色，隱晶質結構，層狀構造，多見灰白色方解石脈，節理裂隙發育，巖芯多呈碎塊狀。

1.3 攪拌樁止水帷幕施工

1) 根據施工工藝的要求，根據工程的規格和工期的要求以及現場場地、用電等情況合理確定設備的投入力量和機器的配套工具。根據地質勘察結果，設計攪拌樁樁徑Φ850@600，樁長為8～15 m(施工階段需根據實際地層情況進行適當調整)，使用42.5R普通硅酸鹽水泥，單排每米水泥摻入比為15%～20%。

2) 施工順序

本工程止水帷幕攪拌樁施工按圖1順序進行，其中陰影部分為重復套鉆，保證圍護結構的連續性和接頭的施工質量，三軸水泥攪拌樁的搭接以及施工設備的垂直度補救是依靠重復套鉆(搭接為250 mm)保證，以達到止水的作用。

圖1 攪拌樁施工示意(單位：mm)

3) 開挖溝槽

根據放樣出的水泥土攪拌樁圍護中心線，用挖掘機沿圍護中心線平行方向開掘工作溝槽，溝槽寬度根據圍護結構寬度確定，槽寬約1.0 m，深度為0.6～1.0 m。

場地遇有地下障礙物時，利用鎬頭機將地下障礙物破除干凈，如破除后產生過大的空洞，則需回填壓實，重新開挖溝槽，確保施工順利進行。暗浜區埋深較深，若影響成樁質量則應清除及換土。

4) 樁機就位

由當班班長統一指揮樁機就位，移動前看清上、下、左、右各方面的情況，移動結束后檢查定位情況并及時糾正；樁機應平穩、平正，并用經緯儀或線錘進行觀測以確保鉆機的垂直度。

5) 攪拌及注漿

三軸水泥攪拌試樁采用一噴二攪施工工藝。在下沉攪拌和提升注入水泥漿液時嚴格控制下沉和提升速度，保持勻速下沉或提升，提升時不應在孔內產生負壓造成周邊土體的過大擾動，在樁底部分重復攪拌注漿，并做好原始記錄。

在施工現場搭建拌漿施工平臺，平臺附近搭建水泥庫，儲存足夠的施工用水泥。在開機前應對不同的直徑和攪拌深度計算工法樁每米的水泥摻入量，每天以書面形式,采用施工指令。水泥漿液攪制小組根據書面指令進行漿液的攪制，根據設計所標深度，鉆機在鉆孔和提升全過程中，保持螺杄勻速轉動，勻速下鉆，勻速提升，并采取高壓噴氣在孔內使水泥土翻攪拌和，在樁底部分必須重復攪拌注漿，保證整樁攪拌充分、均勻，確保攪拌樁的質量。

2 攪拌樁止水帷幕施工對堤岸安全影響分析

2.1 計算方法

1) MIDAS/GTS NX介紹

計算采用MIDAS/GTS NX有限元軟件，MIDAS /GTS NX是用于土木工程等領域的有限元分析軟件，因界面友好、操作簡單、功能強大而受歡迎，具有巖土分析所需的基本分析功能，并為用戶提供了包含最新分析理論的強大的分析功能，包含施工階段的應力分析和滲透分析等巖土和隧道所需的幾乎所有分析功能，是巖土和隧道分析與設計的解決方案之一[8-9]。

MIDAS/GTS NX的施工階段分析采用的是累加模型，即每個施工階段都繼承了上一個施工階段的分析結果，并累加了本施工階段的分析結果。即上一個施工階段中結構體系與荷載的變化會影響到后續階段的分析結果。

2) 施工過程模擬

按照如下施工順序模擬攪拌樁止水帷幕施工對堤防的影響:工況1：計算自重應力，并進行位移清零；工況2：施工攪拌樁；工況3：攪拌樁硬化。

2.2 計算模型及參數

1) 計算模型

根據攪拌樁止水帷幕與堤防相互關系布置平面圖、堤防斷面圖以及相應地質鉆孔圖，建立本次計算模型(如圖2所示)。整個模型尺寸：50.5 m×21.95 m(長×寬)，總單元數E=4 263個，節點N=4 171個。

圖2 有限元計算模型示意

2) 計算參數

根據本項目工程地質勘察成果并結合相關工程經驗[10-13]，本次計算模型中土層物理力學參數取值見表1所示。

表1 土層物理力學參數取值

2.3 計算結果及分析

對攪拌樁止水帷幕施工不同工序情況下的堤防擋墻、碼頭平臺及灌注樁的變形和受力分別進行計算，分析攪拌樁止水帷幕施工對堤防影響。

1) 結構變形

不同工序情況下的堤防各結構變形(橫向位移和豎向位移)情況見表2、圖3所示。由表2、圖3可知：攪拌樁施工期(工況2)，擋土墻橫向變形為0.95 mm，豎向變形為0.16 mm；攪拌樁施工后(工況3)，擋土墻橫向變形為1.38 mm，豎向變形為0.22 mm。攪拌樁施工期(工況2)，灌注樁橫向變形為0.88 mm，豎向變形為0.027 mm；攪拌樁施工后(工況3)，灌注樁橫向變形為1.30 mm，豎向變形為0.34 mm。攪拌樁施工期(工況2)，碼頭平臺橫向變形為0.89 mm，豎向變形為0.16 mm；攪拌樁施工后(工況3)，擋土墻橫向變形為1.31 mm，豎向變形為0.21 mm。

表2 堤防結構變形計算結果 mm

a 擋土墻變形曲線

綜上所述，攪拌樁止水帷幕施工對堤防結構會產生一定的橫向位移和豎向位移，但變形值均小于 1.5 mm，相比于各結構尺寸均小。

2) 結構內力

不同工序情況下的堤防各結構內力情況見表3、圖4所示。由表3、圖4可知：初始狀態-施工前(工況1)，擋土墻剪應力為65.12 kPa；攪拌樁施工期(工況2)，擋土墻剪應力為63.29 kPa；攪拌樁施工后(工況3)，擋土墻剪應力為62.81 kPa，即擋土墻的應力稍有減少。初始狀態-施工前(工況1)，碼頭平臺剪應力為324.39 kPa；攪拌樁施工期(工況2)，碼頭平臺剪應力為322.91 kPa；攪拌樁施工后(工況3)，碼頭平臺剪應力為322.53 kPa，即碼頭平臺的應力稍有減少。初始狀態-施工前(工況1)，灌注樁彎矩為571.55 kN·m，剪力為378.98 kN；攪拌樁施工期(工況2)，灌注樁彎矩為586.46 kN·m，剪力為388.85 kN；攪拌樁施工后(工況3)，灌注樁彎矩為592.90 kN·m，剪力為393.03 kN，即灌注樁的內力稍有增大。

表3 堤防結構內力計算結果

a 擋土墻內力曲線

綜上所述，攪拌樁止水帷幕施工對堤防結構會產生一定內力，但相比于未施工時(工況1)堤防結構的內力，變化值均很小。

3 結語

本文利用MIDAS/GTS NX對某土壤修復項目攪拌樁止水帷幕施工過程進行了模擬，分析其對珠江堤防安全影響，計算結果表明：攪拌樁止水帷幕施工對堤防結構會產生一定的內力及變形，但內力值及變形值均很小，不會危及堤防的安全和正常使用。研究方法及成果可供類似工程參考或借鑒。