分离式钢筋混凝土围堰在隧道明挖施工中的应用
2015-04-19田丰
田 丰
(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)
分离式钢筋混凝土围堰在隧道明挖施工中的应用
田 丰
(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)
为解决圭塘河河口处过河隧道的施工问题，提出了分离式钢筋混凝土围堰结构体系的施工方法，采用有限元理论建立了围堰结构整体模型并进行了结构分析研究，最终成果比较符合该项目的具体要求，能够为其他类似工程提供参考借鉴。
明挖施工，分离式钢筋混凝土围堰，仿真分析
1 概述
1.1 工程简介
本工程位于芙蓉区圭塘河与浏阳河入河口，南北位于荷晏路与人民东路之间，通道北起现状长善路，南至在建川河路。本项目为穿越圭塘河，连接南北的一条主要通道。
1.2 水文资料
此处为圭塘河汇入浏阳河河口位置，浏阳河的水文对施工影响更大，在此以浏阳河的水文情况作为施工条件。
围堰结构施工时水位按照30.08 m(多年平均水位)设计，围堰工作过程中最高水位为35.82 m(十年一遇水位)。
1.3 地形地质情况
河床两侧河堤各10 m，河堤之间距离145 m左右。本项目位于河口，枯水期河床水深6 m左右，洪水期河床水深超过12 m，隧道底部标高位于河床线以下9.5 m左右。河床底从上而下分别是粉质粘土(5 m)，以下为砂砾石层(5 m)，其下为全风化岩或者强风化岩层，透水性强。
2 方案研究
2.1 施工方案
现场隧道出入口距离较近，地层透水性较强，因此方案宜采用围堰结构止水的明挖法施工该段隧道。
考虑施工工期和圭塘河排洪要求，围堰施工时采用半幅河道封闭施工围堰，半幅河道拓宽维持排水功能的方法。
2.2 方案对比
常用的围堰结构有钢板桩围堰(钢管桩围堰)，钢筋混凝土围堰，钢套箱围堰以及钢—混凝土组合结构围堰，每种围堰都有自己的特点和适用条件。
钢板桩(钢管桩)围堰施工快捷简单、成本较低，但是针对本项目其局限性和不足之处颇多，第一，由于是拼装式结构，整体刚度小，水深较深时，需要设置强而密的内支撑，给后续施工带来很大困难。第二，钢板桩对河床地质情况要求较高，不宜在透水性强，承载力弱的河床面使用。因此钢板桩(钢管桩)围堰不适合本项目。
相比钢围堰和双壁钢筋混凝土围堰，重力式钢筋混凝土围堰更适合本项目。由于河床位置土质侧面摩擦力系数较高，如采用前2种方案，在下沉过程中会遇到很多困难，而重力式钢筋混凝土围堰自身重量大，更加符合本项目的需求，并且施工工艺简单，成本低。
3 围堰结构设计
3.1 整体方案
在具体设计中，明挖段共设计4座围堰，分为2个施工阶段，先后施工。施工过程中，一侧相邻的2座围堰同步下沉，既能保证施工工期，又解决了超大尺寸围堰结构在下沉过程中容易发生意外的问题，使得整个结构更加安全可靠(见图1)。
围堰从上至下分为5节，围堰根据深度分别采用不同的壁厚，并在围堰外部设置台阶，这样能在满足受力要求的情况下节省成本，又能方便施工，有利于结构下沉。
3.2 接缝处止水结构
围堰之间存在接缝，因此在施工该段时须施工隔水结构进行处理。同侧2座围堰下沉就位后，在围堰之间施工喷混凝土咬合桩，钻孔灌注钢筋混凝土防护桩、注浆加固等措施做好止水固土工作，再根据设计打通端部混凝土壁板，将2座围堰连接成一个整体(见图2)。
3.3 封底混凝土
底部封底混凝土约为3.0 m,封底混凝土顶部正好位于隧道底部。根据地质水文情况，围堰能够满足抗浮要求和结构受力要求。
3.4 施工步骤
考虑施工工期和圭塘河排洪要求，围堰施工时采用半幅河道封闭施工围堰，半幅河道拓宽维持排水功能的方法。具体施工方案如下：
1)在枯水期进行筑岛施工，半幅河道拓宽形成新的排水通道。
2)在人工筑岛上进行围堰施工。围堰Ⅰ、围堰Ⅱ同时施工，逐节浇筑，逐节下沉至设计位置。横跨围堰架设2座行走式龙门吊配合挖掘机完成竖向取土工作。
3)围堰下沉达到设计标高后水下浇筑封底混凝土，待封底混凝土强度满足要求后进行围堰内抽水，在围堰内分段进行隧道施工工作。
4)围堰接缝处外侧施工钻孔防护桩，施工止水帷幕并对周围土体注浆加固。按照设计要求施工中间段隧道，实现围堰Ⅰ、围堰Ⅱ内隧道全贯通。
5)在围堰Ⅰ、围堰Ⅱ内按照设计要求回填土，拆除部分围堰结构，形成新的过水通道。
6)在另外半幅河道上筑岛，施工围堰Ⅲ、围堰Ⅳ，如是循环施工。
7)完成整条隧道的施工工作后，按照设计要求，恢复河道。
4 围堰结构分析
4.1 工况分析
根据规范和施工要求，选取最不利工况，进行围堰施工过程分析，隧道施工状态下围堰结构分析等。
1)荷载及边界条件分析。
加载外力主要有结构自重和外侧水压力，外侧土压力。主体自重：容重γ=25 kN/m3。水压力：按照施工时水位加载水压力，γ=10 kN/m3。土压力：由于水位较高，对土压力按照水土分离的计算模型分别加载水压力和浮重土压力，土压力加载时采用分层加载，根据不同的地层取不同的参数。边界条件：对封底混凝土部分相交围堰侧壁的节点施加3个方向位移约束。
2)荷载工况。
在进行计算时，分别取围堰施工过程，隧道施工过程中可能出现的不利情况进行计算，使得各项指标能够满足规范要求与施工要求。
4.2 建筑材料
结构主体采用C30混凝土，封底混凝土采用C20混凝土。
主要受力钢筋采用HRB400钢筋。
4.3 计算参数
相关地质参数如表1所示。
表1 地质参数表
4.4 施工过程及工作状态受力分析
根据规范要求，应验算围堰结构施工过程中的下沉系数、抗浮系数。分析围堰结构井壁受力情况，封底混凝土受力情况。
根据已有资料，对结构的下沉系数和抗浮系数进行初步验算。
全围堰结构下沉系数K=59 672/52 588=1.13。
下沉系数基本能够满足下沉需求，但是在实际施工过程中，下沉过程如有下沉困难，可以适度配重或压注触变泥浆，压注触变泥浆能够大大降低围堰侧壁与土摩擦力，使得围堰下沉就位。
4.5 整体结构有限元分析
1)荷载简图。在各种受力状态中，最危险状态应该出现在围堰结构封底混凝土施工完成后，围堰内水抽空之后。在此主要分析围堰结构此种情况下的受力情况，计算内容主要为井壁受力分析。此种工况计算荷载简图如图3所示，围堰离散模型见图4。
2)围堰整体结构分析。利用midas软件对单座围堰结构建立有限元模型。
在此种工况下，围堰环向为主要受力方向，最大弯矩出现在围堰的中部位置，此处无封底混凝土的支撑作用，最大弯矩位于壁板跨中以及侧壁角部，此处应加强配筋。
竖向弯矩相对较小，因此竖向钢筋配筋居于次要位置，在靠近封底混凝土的侧壁上出现了最大弯矩，竖向钢筋在此处应该加强设置，以满足此处受力需求。围堰横竖向弯矩如图5，图6所示。
4.6 计算结论
根据以上计算分析：该围堰方案的主要指标能够满足规范要求施工需要。
5 结语
1)分离式钢筋混凝土围堰结构既能保证施工工期，解决河道排水泄洪问题，又解决了超大尺寸围堰结构在下沉过程中容易发生意外的问题。
2)在接缝处采用钻孔钢筋混凝土防护桩、混凝土咬合桩、注浆加固相结合的止水结构，形成隔水体系保障接缝处隧道施工安全，能够将分离式围堰形成一个隔水系统。
3)整体建模分析围堰结构能够清晰的计算出各部分结构的受力情况，有利于优化结构，解决问题。
4)该方案成本低，技术简单，安全可靠，施工进度容易控制，比较符合本项目的具体要求。
5)该设计仅用于本项目可研阶段,需进一步进行研究设计，但是解决问题的方法能够为其他类似工程提供参考借鉴。
[1] W.马丁，郭 早.围堰的设计标准[J].水利水电快报，2005(1)：9-11.
[2] 王朝龙.大体积混凝土承台围堰施工技术方案[J].北方交通，2010(5)：27.
[3] 吕善国，凌国华，董志高.高压旋喷桩在某临江深基坑止水帷幕中的应用[J].江苏建筑，2012(5)：9-10.
On application of separate reinforced concrete cofferdam in open-cut construction of tunnels
Tian Feng
(ChinaRailwayNo.5SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Beijing102600,China)
In order to solve construction problems of crossing river tunnels at the estuary of Guitang River, the paper points out the construction methods for the structural system for the separate reinforced concrete cofferdam, adopts the finite element theory to build up the general model for the cofferdam, undertakes the structural analysis and research, and the result comparison adheres to the demands of the programs, so as to provide reference for similar projects.
open-cut construction, separate reinforced concrete cofferdam, simulation analysis
2015-03-22
田 丰(1982- ),男，硕士,工程师
1009-6825(2015)16-0181-03
U455
A
