雙排土芯鋼板樁圍堰變形特性研究

謝靖宇 洪 釗 黨星賽 李會軍 朱 君 楊博文 黃 俊

(1.中交隧道工程局有限公司，南京 211100; 2.河海大學土木與交通學院，南京 210098; 3.蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

引言

在淺水區修建隧道時，常需設置臨時圍堰。圍堰的常見類型有土石圍堰、鋼筋混凝土圍堰、鋼板樁圍堰等。采用定位樁與鋼板樁構成的圍堰共同承受水流、波浪的沖擊和土壓力作用，可確保鋼板樁圍堰不會在軟弱淤泥中發生整體傾覆，降低了風浪對預制承臺的安裝影響，可有效延長海上作業時間，實現了大型跨海大橋圍堰施工工廠預制標準化、現場安裝裝配化[1]。雙排鋼板樁圍堰作為一種重力式支護結構，通過將兩排鋼板樁打入水中，在兩排鋼板樁間設置拉桿并填土，使其起到支撐作用且具擋水特性，現已廣泛應用于市政工程及水利工程領域[2]。

針對雙排土芯鋼板樁的變形特點，侯永茂等分析加固圍堰內側土體對控制圍堰變形的作用，認為雙排鋼板樁圍堰變形較大，具有顯著的三維空間效應[3]；朱艷等研究深厚淤泥質軟土地基條件下雙排鋼板樁圍堰的變形特性，在淤泥地層施工時打入樁施工和樁身止水性能都能得到保證，但有發生較大樁身整體變形的可能，應考慮內側坑底加固，以避免踢腳穩定性破壞[4]。

針對不同工序對鋼板樁變形的影響，徐順平等研究軟土地基條件下雙排鋼板樁圍堰在5種不同抽水速率工況下變形和應力[5]；羅毅等建立有限元模型，分析海域雙排鋼板樁圍堰與明挖基坑變形特征和相互影響規律[6]；趙挺生等針對工程實例，建立SAP2000三維有限元模型，并將現場監測數據與獲得的各工況下鋼板樁圍堰及其內支撐體系的結構變形、構件受力和整體振型進行比較[7]；崔春義等通過建立有限元數值模型，對不同水位下鋼板樁圍堰在加載過程中的受力變形特征進行分析[8]；張政偉等通過分析工程實例中鋼板樁圍堰變形監測數據及數值模擬，得出圍堰支護施工過程中的最不利工況，認為圍堰內支撐軸力受基坑周邊荷載的影響明顯[9]。

在復雜荷載作用下，雙排鋼板樁圍堰的變形較明顯，不同工序下迎水面、背水面鋼板樁的變形特性存在一定差異，其機理尚不明確。以下利用PLAXIS 3D建立了數值模型，對竺山湖隧道的雙排鋼板樁圍堰進行模擬，研究圍堰迎水面、背水面鋼板樁在圍堰內側降水、基坑開挖等工序下的變形特性及內力分布情況，以期揭示其危險截面及其變形機理，并提出有針對性的建議。

1 工程概況

341省道無錫馬山至宜興周鐵段設置竺山湖特長隧道1座，總長7 680 m，其中湖區段長5 980 m，采用100 km/h的雙向六車道一級公路標準設計。湖底相對較平，線路區經過湖域段平均水深2.2～2.5 m，流速較小，全年均在0.01～0.10 m/s量級。該隧道采用明挖法施工，沿路線方向湖域內設置縱向圍堰，與路線大致平行，總長度約為湖面寬度的1/2，縱向圍堰與基坑開挖邊線的距離≮2倍基坑深度。圍堰內隧道采用多倉流水施工的方式，各倉間設置1道橫向圍堰，單側形成4個獨立圍堰分倉。臨時大堤段平面見圖1(a)。雙排土芯鋼板樁圍堰樁頂高程為5.074 m，采用SP-IVw型拉森鋼板樁，樁間距6 m，樁長15.5 m，插入地下10 m，圍堰斷面示意見圖1(b)。

圖1 臨時大堤段及圍堰示意(單位：mm)

2 模型建立

2.1 土體本構模型

選擇土體硬化模型，該模型的基本特征是考慮了土體剛度的應力相關性，也結合了三軸模型試驗的相關結果。相較于其他類型的模型相比，土體硬化模型不僅可以表現出主偏量引起的不可逆應變，也能在土體壓縮的過程中進行壓縮變形的模擬，該二階模型可用于模擬砂土、碎石土，也可用于模擬黏土和淤泥等軟土，能更真實地反映土體的非線性特性[10-12]。

在土體硬化模型中，三軸加載下的豎向應變ε1和偏應力q之間為雙曲線關系，有

(1)

式中，qa為抗剪強度漸進值；E50為主加載下與圍壓相關的剛度模量。E50計算公式為

(2)

式中，σ3為主應力。

卸載剛度模量和再加載的應力路徑采用的應力相關剛度模量關系為

(3)

根據鉆探揭露，圍堰斷面土層主要強度參數見表1。

表1 土層抗剪強度(直剪快剪)參數及壓縮性質指標

各層土體的土體硬化模型剛度參數見表2。

表2 各土層土體硬化模型剛度參數

2.2 結構單元及參數

模型使用PLAXIS 3D中的板單元結構模擬鋼板樁，梁單元結構模擬鋼拉桿。模型中各個結構的參數見表3。

表3 結構參數取值

2.3 模型尺寸與邊界

模型土體尺寸為 130 m×30 m×20 m，土體寬30 m，單根鋼板樁寬0.6 m，迎水面、背水面各50根；設有25根鋼拉桿，雙排土芯鋼板樁的總體尺寸為6 m×30 m×15.5 m。在鋼板樁兩側創建正向界面單元，模擬樁與土的相互作用。模型邊界條件：底面以及4個側面設置固定約束，底面以及4個側面設置固定約束，滲流表面設置地下水滲流邊界條件(見圖2)。

圖2 模型邊界條件示意

2.4 網格劃分

數值模型的網格劃分見圖3，單元數為45 659個，節點數為70 050個。

圖3 網格劃分示意(單位：m)

2.5 施工步驟

模型各階段按現場的施工過程來設置，具體工序如下。

(1)打設鋼板樁：圍堰的插入比為1.8(處于1.5～2.0之間，取值偏安全)[15-16]，該階段激活鋼板樁結構，加載類型選擇分步施工。

(2)回填并安裝拉桿：該階段激活兩排鋼板樁之間的填土以及鋼拉桿結構，加載類型選擇分步施工。

(3)圍堰內側抽水：該階段通過取消雙排土芯鋼板樁圍堰內側的荷載來模擬抽水，外側荷載保持不變，加載類型選擇分步施工。

(4)堰腳堆土及基坑開挖：該階段激活堰腳加固的土體，將開挖部分的土體設置為停用狀態。開挖深度為12.38 m，基坑總寬44 m，坡度為1∶1.5。

3 結果分析

抽水后整體鋼板樁的水平位移和彎矩見圖4，鋼板樁在各個工序下計算的最大值見表4。

圖4 鋼板樁水平位移及彎矩(抽水)

表4 鋼板樁各個工序下計算最大值

由圖4可知，背水面的鋼板樁位移大于迎水面，鋼板樁地表以上部分水平位移呈現中間大頂部小的現象。

彎矩峰值出現在鋼板樁與土的交界面處和鋼拉桿處，這兩處是鋼板樁的危險截面。由表4可知，鋼板樁的位移和內力在抽水時的變化最為明顯，故應當重點關注抽水后由于兩側水位不等引起的鋼板樁變形。

監測點布置于與圍堰回填土面水平的鋼板樁上。一般段間距為50 m。軟土段、轉角處適當加密。南北側鋼板樁每個斷面布置4個點，每側布置2個。

鋼板樁水平位移監測點觀測采用三角高程測量方法，控制網及監測點觀測均按TB10101—2018《鐵路工程測量規范》[17]二等水平位移監測網技術要求觀測。

考慮到實際工程中不會出現較高應力的情況，故按實際設計的情況作為邊界條件進行驗證和研究。

施工過程中鋼板樁測斜點CX7570.1樁體水平位移見圖5，監測結果反映了鋼板樁在地表以下的位移情況，由圖5可知，水平位移值最大值為5.5 mm。現場實測值與數值模擬結果的對比見圖6。由圖6可知，二者總體趨勢較為一致，模擬值相比現場實測值數據偏小，這主要是因為數值模擬未能充分考慮土體的變形特點，土體參數與現場的實際土體中存在一定差異。

圖5 CX7570.1測點樁體水平位移

圖6 水平位移對比

為了更詳細地探究迎水面及背水面2根鋼板樁不同位置的受力和變形情況，在板單元迎水面和背水面選取2個剖面，分別代表2根鋼板樁，其中剖面A在背水面鋼板樁處，剖面B在迎水面鋼板樁處(見圖7)。

圖7 剖面位置示意

圖8(a)為剖面A位置鋼板樁不同工序時的水平位移。第1工序時(打樁)，鋼板樁沒有明顯的位移；第2工序時(回填)，樁體位移的最大值位于鋼板樁所在地表高程和鋼拉桿高程之間，由于鋼拉桿以及土體對鋼板樁的變形產生約束作用，使得樁體出現了這種中間向外凸出的復合變形現象；在第3工序時(抽水)，由于抽水后鋼板樁兩側水壓力的變化，中間凸出部分位移有所增加，且降水速率的快慢，對圍堰鋼板樁水平位移累計量的影響較為明顯；第4工序時(基坑開挖)，對鋼板樁的影響較小。

圖8(b)為剖面B位置鋼板樁在不同工序下的水平位移。可以看到迎水面的鋼板樁位移明顯小于背水面，在第2工序時，樁體中間向外凸出；在第3工序后，由于水壓力的影響，凸出的部分向內偏移；第4工序對圍堰變形的影響較小。羅毅等的研究中，基坑與雙排鋼板樁圍堰之間距離8 m，留作施工平臺。基坑與圍堰之間距離較小時，由于地連墻的約束作用，圍堰與基坑的距離減小后鋼板樁圍堰的變形也會相應有所減小；但當圍堰與基坑的距離超過一定范圍后，基坑和鋼板樁圍堰之間的相互影響就比較小。本工程中圍堰內基坑深度為12.38 m，基坑總寬44 m，采用分臺階放坡開挖，基坑兩側以1∶1.5的邊坡至高程-0.574 m處設2.5 m寬馬道，平臺向上以1∶1.5的坡率至基坑頂部，基坑頂部與雙排土芯鋼板樁圍堰的距離大于50 m，基坑開挖對圍堰的變形影響較小。由此可以看出，在實際工程中，當基坑較小時，可通過減小施工平臺寬度和增大基坑內支撐剛度等方式來減小鋼板樁圍堰變形；對于大斷面基坑開挖，應在圍堰與基坑之間設置較長的距離來減小圍堰的變形。

圖8 鋼板樁不同工序水平位移(單位：m)

鋼板樁不同工序彎矩分布見圖9，由圖9(a)可知，由于鋼拉桿的支撐作用，迎水面鋼板樁在鋼拉桿的位置產生顯著的正向彎矩。由圖9(b)可知，彎矩的最大值出現在背水側鋼板樁在地表所在高程處，故應在抽水后進行堰腳堆土，圍堰內側土體加固可以有效地限制雙排鋼板樁圍堰的變形。對堰腳加固后，該處的彎矩有所減小。

圖9 鋼板樁不同工序彎矩分布

4 結論

通過數值模擬對竺山湖隧道施工鋼板樁圍堰進行研究，并著重分析了圍堰迎水面、背水面鋼板樁在不同工序復雜荷載作用下的變形及內力，總結了雙排鋼板樁的變形特性，結論如下。

(1)圍堰的變形區域主要位于鋼板樁在地表高程和鋼拉桿高程之間，呈現為中間凸出的復合變形特征。

(2)圍堰的受力集中于鋼拉桿支撐處以及鋼板樁近地表處，其中圍堰背水面鋼板樁的堰腳處彎矩最大，應有針對性地進行加固。

(3)迎水面鋼板樁位移較小，背水面鋼板樁位移較大。在水壓力的作用下，迎水面鋼板樁樁頂處產生了向圍堰內側的位移，背水面鋼板樁樁頂處產生了向圍堰外側的位移。

(4)抽水過程中雙排鋼板樁的位移和內力變化最為明顯，應特別關注此階段圍堰的穩定性。