船闸施工过程中地质突变的处理方案

田建柱

(中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

工程建设中，实际开挖揭露的地质情况与原勘察成果相差较大的情况是经常出现的。这一方面是受成本影响，所布置的勘察钻孔数量有限[1]；另一方面部分地区地质情况本身复杂多变。施工过程中发现的地质突变情况不同于设计过程中的地质变化情况，前者有突发性、边界条件更荷刻、方案选择受制于已有施工条件和工期要求以及费用控制要求等特点，而后者则可以从容地选取最佳方案进行设计[2]。因此，处理好施工过程中出现的地质突变问题，是设计人员必须面对的挑战和提升专业水平的重要机遇。

土质地基局部出现软土或可液化土层，这种情况主要发生在平原地区，如在江苏省较为常见，在山东省则较少见；断层等地质构造引起的岩面突然起伏，这种情况主要出现在山区；深厚含淤泥砂层等软弱层，这种情况在江西等地曾出现；风化槽、断裂带等，广泛存在于山区、丘陵等地区，且对工程影响巨大，往往造成设计方案推倒重来。本文以风化槽引起的地质突变情况为例，结合某二线船闸施工过程中遇到的地质突变问题处理，分析船闸工程建设过程中地质突变的应对措施和设计方案的拟定。

船闸工程轴线方向尺度很大，主体长度一般在300 m左右，上、下游引航道长度一般在500 m左右，无论是主体结构还是引航道，都可能遇到地质突变的情况，根据笔者经验，相对于闸首、闸室等主体结构，由于受结构横河向尺度的限制，引航道中的建筑物遇地质突变情况，处理难度更复杂一些。

1 工程概况

1.1 某二线船闸施工过程中遇到的地质突变问题

根据原地质勘察成果，某船闸工程下游主导航墙结构基于中风化含砾砂岩，地基承载力容许值为1 200 kPa，原设计采用重力式方案，挡土高度21.2 m，最大基底压力为680 kPa；施工中开挖至基底面后，发现为全风化砾岩层，且局部超挖2 m以上，仍未出现岩基；根据原地质勘察成果，全风化砾岩层容许承载力为180～220 kPa，原设计方案已不再适用。经过两个钻孔的补勘，其中一孔揭露中风化砾岩层在基底面以下6.63 m，另一孔揭露中风化砾岩层在基底面以下5.68 m，基底面到中风化砾岩层之间均为全风化砾岩。原设计方案如图1所示。

图1 原设计方案(高程：m；尺寸：mm。下同)

1.2 限制性边界条件

开挖边坡坡顶原有一条施工道路，由于不允许破坏该道路，结构基坑开挖空间受限；根据工期节点的要求，该部分结构处理时间受限。

2 技术路线

考虑地质条件、工期、成本控制、边界条件限制等工程实际情况，重力式结构仍是结构方案的最佳选择，因此，拟定技术路线为：优化上部结构，降低基底压力；通过地基处理提高地基承载力。

2.1 优化上部结构，降低基底压力最大值

基础底面的压力，可按下列公式确定[3]。

1)当受轴心荷载作用时：

(1)

式中：pk为基础底面的压力；Fk为标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值(kN)；Gk为基础自身重力和基础上的土重力(kN)；A为基础底面面积(m2)。

2)当受偏心荷载作用时：

(2)

(3)

式中：Mk为标准组合时，作用于基础底面的力矩值(kN·m)；W为基础底面的抵抗矩(m3)；A为基础底面面积(m2)；pkmax、pkmin为标准组合时，基础底面边缘的最大、最小压力值(kPa)。

从基底压力的计算公式可知，可以通过降低自重从而减小Fk和Gk，使基底压力最大值减小；也可以通过增加前趾长度，从而减小Mk，使基底压力减小。

2.2 地基处理

根据实际地质情况，可选的地基处理方案主要有换填、PHC桩复核地基、注浆、挤密碎石桩及采用桩基等；现场地基为红色全风化含泥砂岩，遇水软化、崩解，黏性很高；干燥时碎石硬度很大，因此挤密类、夯实类及PHC桩复合地基等地基处理方法实施难度较大。

3 处理方案比选

3.1 抛石基床浅换填+重力式结构方案+墙后回填至39 m

该方案断面见图2。通过降低结构本身自重且降低墙后填土高程，以降低基底压力最大值；通过调整前趾板的长度，使基底压力分布更均匀；通过抛石基床浅换填，并考虑深宽修正，提高地基承载力；经计算，地基承载力、稳定、强度等均满足要求。

图2 抛石基床浅换填+重力式结构方案断面

方案优势为：结构简单，工程量较小，造价低廉；相对于原设计，结构形式仍为重力式，对施工工艺影响不大；对边坡安全影响较小。方案不足为：采用轻型重力式结构，配筋量会有大幅提高，尤其是前趾板底板拉应力较高；另外挡土能力有限，墙后填土高程降低较多，对后期墙后土地使用有一定影响。

3.2 支护后深开挖方案

该方案断面见图3。采用深开挖和重力式结构，建于基岩面上；该重力式结构通过前趾前伸、墙后设卸荷平台等措施调节基底压力分布，使其趋于均匀；基坑深挖前，通过两排灌注桩进行基坑支护。经计算，地基承载力、稳定、强度等均满足要求。

可知，此年龄款的作品都属于该年份作品（共16件），加上3件有“港九美术界劳军一九四九年十一月”“李铁夫年八十以后所作”印章的作品，可确认为1949年创作的书法作品为19件。

图3 支护后深开挖方案断面

方案优势为：挡土功能更强，对地基处理更彻底，结构建成后超载能力强。方案不足为：工程量较大，工序较多，施工复杂，工期长，造价高。

3.3 灌注桩基础方案

该方案断面见图4。通过缩小墙体断面，减少墙体自重和混凝土用量；基底设间距3 m直径为1.8 m的灌注桩基础，桩底嵌入基岩。经计算，桩基承载力、强度和墙体强度等均满足要求。

图4 灌注桩基础方案断面

方案优势为：可以避免大规模开挖；采用桩基连接墙体与基岩，连接更可靠。方案不足为：局部基桩轴力较大，工序较多，施工复杂，工期长，造价高。

3.4 PHC桩复合地基方案

该方案断面见图5。采用PHC桩复合地基，提高地基承载力；同时优化墙体断面，减小基底压力；经计算地基承载力、结构强度等均满足要求。

方案优势为：可以避免大规模开挖；充分利用原地基承载力，施工工艺成熟，施工难度不大，施工速度较快；造价中等。方案不足为：经有限元分析计算，水平位移较大；结合当地实际情况，考虑存在较大孤石的可能，有PHC桩无法打入的风险。

图5 PHC桩复合地基方案断面

3.5 注浆处理方案

该方案采用往地基中注入水泥浆，提高地基承载力，注浆孔平面布置见图6。

方案优势为：可以避免大规模开挖；充分利用原地基承载力，施工工艺成熟，施工速度较快；造价低。方案不足为：当地全风化岩层中黏粒含量高，水泥浆扩散难度大，方案可行性比较差。

图6 注浆孔平面布置(单位：mm)

3.6 抛石基床浅换填+空箱式墙体方案+墙后回填块石

图7 抛石基床浅换填+空箱式墙体方案断面

方案优势为：墙体自重、重心可调，施工完成后可以根据变形观测情况，必要时通过调整箱体内的填充料，改善结构工作状态，结构可靠度高；避免大规模开挖；充分利用原地基承载力，施工工艺成熟，施工速度较快。 方案不足为：墙后大部分须回填块石，造价略高；箱体结构模板工作量较大。

3.7 部分方案投资估算对比

部分方案投资估算为：水泥注浆处理方案为1 872.64万元，支护后开挖方案为2 517.52万元，桩基方案为2 636.20万元，浅换填+空箱墙体方案为2 145.19万元，PHC桩地基处理方案为2 267.86万元。

3.8 方案确定

从可行性、可靠性、后期可维护性、经济性等方面综合考虑，最终设计推荐方案为浅换填+空箱墙体方案。

4 计算及静载荷试验情况

4.1 抗滑、抗倾、地基应力计算

抗滑、抗倾和地基应力计算结果见表1[4]。

表1 抗滑、抗倾和地基应力计算结果

4.2 有限元分析

有限元模型见图8，整体与局部沉降云图见图9，内力计算结果见表2。根据图9b)，最大沉降值为45 mm。

图9 整体与局部沉降云图

表2 内力计算结果

4.3 静荷载试验

经地基承载力静荷载试验，得出承载力特征值为350 kPa。因此，地基承载力满足要求。

5 结语

1)地质突变问题一般从两方面考虑：调整结构、适应新的地质情况；通过地基处理，提高地基的承载力等指标。

2)拟定方案时要充分考虑方案的可行性、可靠性、后期可维护性、施工便捷性等，以避免在不可行方案上浪费时间和精力。

3)重力式结构可以通过加长后趾提高抗滑稳定性、通过加长前趾提高抗倾稳定性和降低最大基底压力。

4)桩基承台式墙体结构用于挡土时，水平位移不易控制。

5)空箱结构墙体加浅换填方案，可以通过调整内部填料调整结构自身的重心和自重，可以灵活地适应较广泛的地基情况，尤其对于边界条件苛刻的情况，更有优势；目前该船闸已通航，导航墙状态正常。