澳门某工程取水口水上基坑设计

张逸帆，顾宽海

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

随着水上工程以及水陆交界区域工程越来越多，尤其在海边度假区的土建工程、船坞和船闸工程、取排水口工程等，涌现出越来越多的水上基坑建设项目。传统水上施工一般采用大围堰施工方案，但周边场地受限或施工时间受限时，则可以考虑采用水上基坑施工方案，其具有影响范围小、总工期短、造价相对较低等优点。

由于水上基坑处于水陆交界处或直接位于水域中，工程面临波浪、潮流等荷载作用，其设计方法与陆上基坑有较大差异。一些学者[1-2]已经对临水基坑的设计进行了研究，但是临水基坑的技术经验与水上基坑有所不同。为解决临水深基坑所面临的技术难题，近年来也有不少学者对此进行了研究。李小军等[3]针对船坞坞口所面临的波浪、水流、环境等条件，提出坞口水上钢板桩基坑围护方案；丁勇春等[4]采用平面有限元模型计算了坞口水上基坑的力学性能；雷华阳等[5]分析了水上基坑开挖对自身围护结构及临近桥桩的影响规律；李森平等[6]总结了水上基坑的施工关键技术。总体上，针对水上基坑的研究还较少。

本文总结现有成功的水上基坑案例，归纳出一套完整的基坑围护设计方案。结合澳门某工程水口基坑围护工程，利用弹性地基梁计算方法和数值模拟计算方法，分别分析在无动水条件下、水流波浪条件下围护结构的变形和受力特性。在此基础上，分析了围护桩刚度和坑底加固参数的敏感性。

1 水上基坑设计特点和总体方案

1.1 设计特点

水上基坑与陆上基坑开挖有着显著的区别。陆上开挖时，基坑外侧是土体，地下水位基本保持稳定；而水上基坑外侧是水体，并且水体的水位是不断变化的，同时水上基坑会受到风浪和波浪等诸多因素的影响，导致水体周围的荷载是不均匀的。水上基坑围护设计的重点和难点是保持水体周围荷载的均衡，避免支撑体系失衡。

1.2 总体方案

根据对现有成功的水上基坑案例的总结，水上基坑一般由4个体系组成，分别为：围护桩体系、内支撑体系、反压体系和坑底加固体系。

1)围护桩体系。围护桩是基坑围护中的挡土挡水结构，在陆上基坑开挖中，主要有板式支护体系围护桩结构、水泥土重力式围护桩结构、复合土钉围护桩结构等。而在水上基坑中，水泥土重力式围护桩、复合土钉围护桩、水泥土搅拌桩、高压旋喷桩均以土为基础；灌注桩成孔或地下连续墙成槽的稳定性难以保证，一般不予以考虑。因此在水上基坑中，一般采用刚度较大的双排钢板桩、组合钢板桩、钢管桩等围护桩结构，并在墙顶设置圈梁，构成一个统一的整体。

2)内支撑体系。在内支撑体系布置上，为抵抗整个围护体系在波浪作用下可能形成的微小摆动以及防止支撑杆件受拉造成的失稳，第一道圈梁及支撑应采用钢筋混凝土结构，以保证整个支撑体系的刚度；下部内支撑体系可采用钢支撑体系，并应尽可能加快支撑安装的施工速度，同时须保证所有支撑及围檩之间全部焊接。

3)反压体系。水上基坑大多处于大堤附近，对基坑周边负荷平衡有很高的要求，因此需要采取削坡卸载、抛填加压或修筑人工岛，最大限度保持泥面高程一致，保证基坑周边荷载的平衡。为了保证反压体系的稳定和施工速度，在进行抛填加压时，常规选用袋装砂、碎石或块石。

4)加固体系。水上基坑通常位于软土地区，坑底土体抗剪强度较低，开挖时坑底处通常变形较大。单纯通过增加围护结构刚度、支撑刚度及插入深度等措施来控制变形的效果一般，加固坑内被动区在一定程度上能控制基坑变形。根据地质情况可以采用双轴搅拌桩、三轴搅拌桩、高压旋喷桩等加固方法。

2 工程案例

2.1 工程概况

澳门某工程因建造取水泵房须进行水上基坑开挖。基坑部分位于海中，部分位于原大堤上。陆域高程约3.0 m，人工岛围堰顶高程约4.5 m，海域泥面高程约0.0 m。基坑平面呈矩形，长×宽为23 m×27.83 m，坑底高程-11.25 m，基坑开挖深度14.25 m。

现行规范建议：受潮汐影响的基坑，其临水侧基坑外设计水位宜取25 a一遇高、低潮位。工程场地25 a一遇校核高水位4.54 m、设计高水位3.15 m、设计低水位0.85 m。校核高水位下设计波要素见表1。工程场地为填海形成陆地，整体地形较为平缓，属于海岸平滩地貌，土体物理参数取值见表2。

表1 波浪设计要素

表2 土体物理参数

2.2 设计方案

本工程部分位于原大堤、部分位于海中，基坑深度深，水压力大、水源补给丰富，不易补救，技术风险大；另外所处海域水深相对较浅，船舶类施工设备较难停留长时间施工，也需要部分的陆上施工场地。为此设计应考虑采用人工岛基础上的钢板桩+内支撑体系基坑方案。基坑平面布置见图1。

图1 基坑围护平面(高程：m；尺寸：mm。下同)

钢板桩围护桩采用组合型钢板桩，桩锁扣内涂刷防水材料，以满足强度、刚度和止水需求；内支撑体系由1道钢筋混凝土+3道钢支撑组成，采用对撑加角撑的方案布置；人工岛围堰采用冲填大砂袋做围堰，待围堰形成后再吹砂形成人工岛；为提高坑底下土体的土抗力而减少钢板桩围护桩的变形，在坑内采用格栅型旋喷桩进行地基加固，加固体深度为5 m，置换率约50%，具体剖面见图2。

图2 基坑围护断面

3 计算验证与分析

3.1 计算原理

假定基坑外侧的土体和和水文保持基本稳定。按现行规范要求，对基坑断面的计算主要采用竖向弹性地基梁法。弹性地基梁模型以围护桩、支撑及被动土弹簧组成受力体系，外侧水土压力作为荷载，通过建立梁曲线方程求解围护结构变形内力。

而水上基坑临水侧由于受到波浪作用，临水侧围护桩分别受“静水压力+波峰压力”和“静水压力+波谷拉力”两种工况作用。由于工况不同，围护桩的内力和变形都会产生明显的差异，这样受到波浪的冲击作用，会出现基坑两侧的压力不同，导致整个围护体系出现摆动的趋势。摆动变形如果达到一定的量值，必然导致支撑体系的失稳。

影响波浪荷载大小的因素很多，如波高、波浪周期、水深、结构尺寸和形状、群桩的相互干扰和遮蔽作用、海生物附着等。对于直接采用钢板桩挡水挡浪的水上基坑，可以假定为直立式护面结构计算波浪力；对于采用了人工岛挡水挡浪的水上基坑，可以假定为斜坡式护面结构计算波浪力。波浪力可按《海港水文规范》进行计算。

根据以上分析，常规的基坑设计方法(即先进行断面计算，得到开挖断面的围压后，将支撑体系按平面桁架进行计算)，无法考虑波浪的作用，难以满足水上基坑的设计需要。为了对围护桩内力和变形进行精确的分析，需要对整个基坑进行三维有限元模拟计算。

3.2 有限元建模

3.2.1模型边界设置

基坑尺寸约为23.0 m×27.83 m。人工岛陆域高程3.00 m，坑底高程11.25 m。基坑开挖的影响宽度约为开挖深度的3～4倍，影响深度约为挖深的2～3 倍。因此本模型取100.0 m×100.0 m，模型底高程取-30.0 m，以充分考虑位移边界的影响。模型位移边界条件如下：四周边界水平向为位移限制边界，竖向为自由移动边界，底部采用全约束。

3.2.2结构参数选取

土体采用HS本构模型，该模型可以考虑剪切硬化和压缩硬化，并采用摩尔库伦破坏准则。HS模型需要土体的模型参数包括切线模量E50、割线模量Eoed和卸载模量Eur以及土体的有效应力强度指标。但在实际工程中，地质勘察报告往往只提供压缩模量Es、快剪指标以及固结快剪指标。本文根据文献[7]提供的经验方法，根据土体的种类通过压缩模量Es换算得到土体刚度参数。当软土和淤泥压缩模量Es=2～4 MPa时，Es:Eoed:E50:Eur=1:1:1.5:8；当黏土和粉质黏土压缩模量Es=4～8 MPa时，Es:Eoed:E50:Eur=1:1:1:5；当砂土压缩模量Es> 8 MPa时，Es:Eoed:E50:Eur=1:1:1:3。土体固结快剪指标值通常小于土体的有效应力强度指标值，采用固结快剪指标值代替有效应力强度指标值计算结果偏于保守，认为是合适的。

设计常规要求加固后土体28 d的无侧限抗压强度不低于0.8 MPa，本文取不低于1.0 MPa。水泥土的抗剪强度一般是由内摩擦角和内聚力来反映，它的抗剪强度随无侧限抗压强度的增加而提高。现行规范推荐水泥土强度参数c=25～40 kPa(本文取25 kPa)，而φ=20°。水泥土的压缩模量与无侧限抗压强度之间的关系为Es=(100～120)qu。加固后的土体参数则根据面积置换率进行加权平均得到。

采用板单元模拟钢板桩围护桩，基坑内支撑和立柱采用梁单元模拟，参数见表3。由于围护桩主要受弯，其厚度通过钢板桩抗弯截面模量等效换算得到。

(1)

式中：Wz为陆域侧钢板桩抗弯截面模量，其中AZ50型钢板抗弯截面模量为6×5.0×10-3m3，CAZ50型钢板桩抗弯截面模量为14.8×10-3m3；d为折算后围护桩等效厚度。

表3 单元参数

3.2.3施工过程模拟

基坑施工工序较多，工艺复杂，施工时既需要理顺基坑施工各工序间的顺序，又需要确定基坑施工和主体结构施工之间的顺序。该模型考虑波浪力作用对围护桩变形和弯矩的影响，计算工况为：先利用“K0过程”生成初始应力→激活人工岛土体单元→激活围护桩和坑底加固→激活立柱桩→开挖土体到2.05 m，激活第1道内支撑体系→依次开挖土体并激活内支撑直至坑底。在高水位工况下，分别施加波吸力与波压力。在基坑每层土开挖前，需把坑内地下水位降到开挖面以下。基坑的三维模型见图3。

图3 水上基坑三维模型

3.3 结果分析

对无波浪条件下弹性地基梁计算模型(工况1)、无波浪条件下有限元计算模型(工况2)、波压力作用下有限元计算模型(工况3)、波吸力作用下有限元计算模型(工况4)共4种工况进行计算。围护桩变形-桩长曲线、围护桩弯矩-桩长曲线计算结果见图4、5。

图4 围护桩变形计算结果

图5 围护桩弯矩计算结果

计算结果表明：波浪力对围护结构的变形影响较大。在波压力(工况3)和波吸力(工况4)的往复作用下，围护桩坑底以上处变形有较大摆动，围护桩顶部会反复受拉压作用。第1道圈梁(y坐标为0处)位移变化幅度达6 mm左右，围护桩弯矩变化幅度达200 kN·m左右。因此水上基坑围护方案在海域侧通常需要采用刚度较大的组合型钢板桩或双排钢板桩结构，增加在波浪侵袭条件下外侧围护桩及支撑整体系稳定性；第1道圈梁及支撑应尽量采用钢筋混凝土结构，以加强基坑顶部的刚度，适应拉压变化。

4 敏感性分析

4.1 围护桩刚度敏感性分析

为验证临水侧钢板桩刚度对围护桩变形的影响，本案例分别取围护桩截面模量为0.2Wz2、Wz2、5Wz2共3种情况进行建模计算，图6为围护桩变形曲线计算结果。由图6可见，随着围护桩截面模量的增加，可以显著减小围护桩的变形。另外，波吸力和波压力对围护桩的变形影响主要集中在坑底以上部位，造成基坑顶部受到往复摆动的作用；在坑底以下，波浪荷载对围护桩基本没有影响。

图6 围护桩截面模量与围护桩变形曲线

4.2 坑底加固土抗剪强度敏感性分析

为验证加固土抗剪强度对围护桩变形的影响，本案例分别取3种情况进行建模计算，加固体参数见表4。图7为围护桩变形曲线计算结果。由图7可见，当坑底处为软土时，加固后的水泥土的压缩模量远大于原状土体，此时加固坑底对减少坑底处围护桩的变形有很好的效果。

图7 加固置换率与围护桩变形曲线

表4 加固土体参数

5 结论

1)水上基坑围护设计的重点和难点是保持水体周围荷载的均衡。

2)水上基坑围护方案在海域侧通常需要采用刚度较大的组合型钢板桩或双排钢板桩结构，第1道圈梁及支撑应尽量采用钢筋混凝土结构，并加固坑底，以增加在波浪侵袭条件下围护结构的稳定性。

3)波吸力和波压力对围护桩的变形影响主要集中在坑底以上部位，造成基坑顶部受到往复摆动的作用；在坑底以下，波浪荷载对围护桩基本没有影响。