双排钢板桩围堰在如意坊隧道工程中的应用

2021-08-21罗志安游婵林

广东水利水电 2021年8期

罗志安，游婵林

(广东珠荣工程设计有限公司，广东广州 510610)

钢板桩最初主要应用于工民建的深基坑支护，由于其施工快速方便、挡土止水防渗效果较好，且钢材可回收重复利用，故在水利工程导流围堰使用中愈加广泛。双排钢板桩围堰相较于常规土石围堰，具有结构自身刚度大、整体性好、止水效果好、施工周期短等特点[1]，为软土地区常用的围堰结构形式之一。但双排钢板桩围堰结构受力复杂，对支护结构的受力和变形，以及桩—土共同作用的机理等问题的研究有待进一步完善[2]，在国内并未形成相关的设计与施工规范，理论研究远落后于实践。

1 工程概况

如意坊隧道位于广州市荔湾区，东起内环路如意坊立交，向西南下穿珠江后与芳村大道通过相连，主线全长为1 511 m，其中岸上敞开段长为396 m，岸上暗埋段长为497 m，江中沉管段长为618 m。暗埋段为现浇施工，与沉管接头部位位于河道内，需要在围堰的围蔽下进行干地施工。

2 工程地质条件

场区地貌属珠江三角洲冲积平原，覆盖土层主要有全新统海陆交互相沉积层(Q4mc)淤泥、淤泥质土、淤泥质砂、砂土，上更新统冲积层(Q3al)粘土、粉质粘土、砂土，残积层(Qel)；下伏基岩主要为白垩系大塱山组三元里段(K2d1)灰岩质砾岩、含砾粉细砂岩和黄花岗段(K2d2)粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩夹灰岩、泥岩夹粉砂岩等。围堰钢板桩主要嵌固在表层淤泥及深厚淤泥质细砂层中，其中淤泥层厚为0.6～4.2 m，含有机质0.83%～13.6%，天然含水量为40%～65%，液性指数为1.45～1.6，孔隙比为1.3～1.6，压缩模量为1～3 MPa，属高压缩性土，N=1.0～4.0击，平均为1.8击；淤泥质细砂层厚为5.5～13.6 m，饱和松散，颗粒不均匀，局部相变为粉、细砂，N=2.0～9.0击，平均为5.1击。

围堰基础水下地层分布及围堰填料物理力学性质见表1所示。

表1 围堰基础土层分布及力学指标

3 围堰设计

1) 围堰设计标准

工程主要建筑物为1级，导流建筑物围堰等级为4级，考虑破堤后防洪标准不降低，围堰挡水标准取200年一遇洪水位7.79 m，堰顶高程取8.8 m(均为广州城建高程系)。

2) 围堰设计

围堰位于暗埋段与沉管段接头外侧，堰顶高程为8.8 m，最大挡水高度为4.29 m，顶宽为7.0 m，采用双排钢板桩对拉、中部回填砂的结构形式，钢板桩采用拉森Ⅳ型，下部进入淤泥质砂层，桩长为18 m，在高程6.8 m处设置间距为2 m的Φ32钢筋拉杆，并在该高程设置2根32a槽钢拼接的钢围檩(断面结构如图1所示)。

图1 围堰结构示意(单位：高程m，尺寸mm)

4 稳定与结构验算

双排钢板桩围堰采用两侧钢板桩和中部拉杆来约束堰体内填料，钢板桩同堰体一起通过抗剪切的方式抵抗水平推力，类似板桩结构；同时钢板桩内堰基及填土自重大，可用于抵抗围堰的整体滑动与倾覆，又类似于重力式结构。双排钢板桩围堰的破坏形式是多样的，各种破坏形式都有其不同的机理[3]。但总体来说，可分为整体稳定破坏与内部结构破坏失效两种，计算可分为稳定性计算和结构内力计算两部分[4]。

4.1 整体稳定分析计算

双排钢板桩围堰整体稳定计算一般将其视为一种“自主式”的重力体[5]，以往的工程经验表明该方法能满足一般工程实践的需要。

双排钢板桩围堰一般用于淤泥软土地区，整体稳定破坏形式一般为圆弧滑动。双排钢板桩中部回填砂可看作为一种整体重力式支挡结构，主要利用其中部回填料的重力起到抗滑稳定作用，其整体抗滑动、抗倾覆等可参照《建筑基坑支护技术规程》(JTJ 120—2012)重力式水泥土挡墙计算。验算时外江侧取200年一遇高潮位7.79 m，背水侧取排干水后的河床高程3.5 m，钢板桩及回填砂平均容重为18 kN/m3，采用理正深基坑水泥土挡土墙模块进行围堰整体稳定计算，计算过程中将外江侧水等效为湿容重为10 kN/m3、干容重为0 kN/m3、粘聚力为0 kPa、内摩擦角为0°的土层，各项计算结果均满足规范规定要求(计算结果见表2)。

表2 围堰整体稳定计算结果

4.2 结构内力计算

1) 传统验算方法

目前双排钢板桩围堰结构的设计还没有明确规范，相关设计还停留在半理论半经验的阶段[6]。由于双排钢板桩之间通常采用拉杆链接，拉杆主要起传递拉力的作用，且钢筋截面较小，不能传递弯矩，因此并不能按照基坑双排桩支护的计算方法简化为门式钢架。邓义钊等[7]通过理正双排桩模型与有限元模型的计算对比，也证实了基坑双排桩支护计算模型并不适用于双排钢板桩围堰设计。

周连有[8]提出等值梁法、自由支撑法及变位法，在20世纪七八十年代在海河围堰设计中多次成功应用，但该一系列方法均基于极限平衡法，没有考虑结构及土体变形，假定与实际受力状况有一定的差别，故目前很少使用。

双排钢板桩围堰受力结构模型有两种处理方式：桩间土填土宽度较小时，桩间土体主动土压力相对迎水侧荷载很小，可认为支护结构所承受的水平推力都作用在后排桩上[9]，可将外侧钢板桩作为锚碇桩，内侧钢板桩按锚碇式挡土墙设计[10]；围堰宽度较大时，不能忽略桩间土对双侧钢板桩的主动土压力，可将双排钢板桩简化为单排钢板桩加锚杆支护的结构形式。

如意坊隧道双排钢板桩围堰顶宽7 m>5.3tan(45°-30°/2)，故采用理正深基坑中的单排桩加锚杆支护模块进行围堰的内部结构计算[1]。

计算时取外江侧200年一遇高潮位7.79 m、内河侧水位取排干水后的河床高程3.50 m，计算结果见表3。

表3 主要内力计算结果

2) 有限元法

有限元法是工程分析中广泛应用的数值计算方法，由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视[11]。相比上述传统验算方法的归纳简化，有限元法主要考虑土体及结构的本构原理，不存在人为土压力分配，可考虑空间效应，更具有普遍性的适用性和精确性，相比上述半理论半经验的传统方法更科学。

计算通过GeoStudio的SIGMA/W模块进行，采用二维平面有限元模型，计算材料参数见表1，岩土参数选用摩尔-库伦。其中钢板桩采用梁单元模拟，拉杆采用杆件单元模拟，模型底部采用固定约束，两个侧面采用法向约束，计算模型见图2。

图2 围堰有限元平面模型示意

由于钢板桩几何截面较复杂，本文在建模时，将其等效为每延米惯性矩相等的矩形截面[7]，拉森Ⅳ型钢板桩每延米惯性矩为38 600 cm4，经换算可等效为截面高度为16.7 cm的矩形桩。

施工过程为打钢板桩→中部填砂→设拉杆→拉杆上方填砂→基坑内排水。计算得各支挡结构主要内力参数见图3～5所示，变形量见图6～7所示。

图3 前排桩弯矩示意

图4 后排桩弯矩示意

图5 拉杆轴力示意

图6 围堰水平位移等值线示意

图7 围堰沉降等值线示意

3) 结构验算

采用传统验算方法和有限元法的支挡结构主要内力设计值见表3。由表3可见，两种计算方法的计算结果差距不大，从偏保守安全的角度，选用传统验算方法的结果进行结构内力验算。其中拉杆轴力作用在围檩上，围檩可看做为以拉杆位置为支点的连续梁，可简化为简支梁进行围檩弯矩计算[12]，计算公式为：

Mmax=0.1*Ra*l

(1)

式中Mmax为拉杆轴力产生的最大弯矩设计值，kN·m；RA为拉杆轴力设计值，kN；l为拉杆间距，m，本工程取2.0 m。

由表3可见，该围堰结构内力设计均满足各构件安全稳定要求。

5 实施效果及变形监测

1) 该围堰在填砂施工过程中，部分作业段出现靠近河床面高程处向两侧扩张、形成“八”字形的变形，局部钢板桩施工质量较差密扣不严处出现漏砂现象，桩顶填砂下沉明显，但后期变形收敛，并未出现失稳及结构破坏；而部分使用全新完好钢板桩的作业段则未出现该现象。建议在以后的项目设计中可在下方增设一排拉杆，提高围堰的整体性，防止因施工质量问题造成围堰漏砂失效。

2) 该围堰在2019年建成投入使用，多次拦挡超过7.3 m高潮水位的情况下运行良好。

3) 围堰在施工及挡水使用过程中进行了位移及沉降监测，监测结果表明在围堰施工期间的变形主要以沉降为主，施工期间最大沉降高度约0.4 m，发生在桩顶处，经分析主要由于堰基为未经处理的淤泥及淤泥质砂层排水固结引起；运行期间最大水平位移约为0.15 m，倾向基坑侧，与有限元计算值接近，发生在基坑排水后，但后期基本稳定无变化。