沉管对接端深基坑支撑拆除受力分析

仇正中，韩鹏鹏，刘陪阳

（1、中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉，430040；2、中交第二航务工程局有限公司第五工程分公司，湖北武汉，430040；3、长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉，430040；4、交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北武汉，430040）

引言

沉管管节对接端深基坑位于陆上暗埋段与水中沉管段连接处，提供陆上段主体结构施工场地及其与沉管管段对接作业空间。深基坑围护结构由防渗墙、锁口钢管桩及支撑组成，当陆上段主体结构施工完成后，需将围护结构拆除，完成首节沉管与陆上段主体结构对接。对接端围护结构拆除施工风险大、工序多、作业时间长，如支撑拆除、锁口钢管桩拆除、塑性止水墙拆除、对接端清理及对接端整平等工序，绝大部分施工工序需顺序作业，对工期影响较大。

支撑拆除是对接端围护结构拆除的首要工序，支撑拆除的施工工艺主要有3 种，对接端回水至基坑内外水位平齐，水下切割支撑；对接端回填饱和砂至支撑下部，吊机进入，干施工环境拆除支撑，如天津海河沉管隧道[1]；对接端回水至支撑下部，通过浮箱平台拆除支撑[2]。采用水下拆除方案，对接端围护结构受力清晰，拆除过程结构安全，但是潜水作业受水深、水温及装备限制，施工工期长，且水下可控性差[3-4]；采用回填饱和砂和回水方案，均需进行支撑拆除过程中围护结构验算，确保在拆除过程中其余支撑安全，由于回填饱和砂方案后期还需要将基坑内、钢端壳、钢管桩附近位置回填砂清理干净，施工复杂，可控性差。因此进行深基坑围护结构支撑回水方案验算，对选择深基坑支撑拆除方案至关重要。

1 项目概况

襄阳市东西轴线道路工程鱼梁洲段项目连接樊城老城区和东津新城，起于规划旭东路东侧，止于纵四路，主线全长5 400 m，项目两过汉江，沉管段总长1 011 m，为国内整体建设规模最大的内河沉管隧道。

项目沉管与隧道对接端共四处，其中东汊、西汊对接端设置陆上最终接头，东津、樊城为首节沉管与现浇隧道连接点。沉管对接端基坑深度较大，樊城对接端深度最小约18 m，东津对接端深度最大约26 m，综合施工难度最大。

东津对接端支撑共8 层，第1 道支撑采用钢筋混凝土支撑，截面尺寸为800×900 mm，混凝土支撑间距为6m，冠梁1 400×1 200 mm；第2、3、4、6、8 道支撑采用φ800×20 mm 钢斜撑，与支护结构成45°角布置，间距3 m；第7 道支撑（换撑）采用φ800×20 mm 对撑。钢围檩采用双拼工63C；第5道支撑采用钢筋混凝土支撑，截面尺寸为1 200×1 000 mm，间距为6 m，砼围檩尺寸为1 200×1 200 mm。共设置6 根610×610 mm 格构柱。

图1 钢筋混凝土支撑平面布置

图2 钢支撑平面布置

图3 换撑平面布置

图4 对接端支撑断面示意图

2 计算参数及工况分析

2.1 计算参数

东津对接端基坑所在土层主要为④粉质黏土、④2 粉细砂、⑤圆砾，土层参数如下表所示。钢支撑、地连墙、混凝土支撑材料参数如表1 所示。土层与地连墙的摩擦系数取为0.3。

表1 土层力学参数

钢支撑及混凝土支撑力学参数如表2 所示。

表2 钢及混凝土力学参数

2.2 计算工况

根据施工需要，支撑按照以下步骤拆除，计算工况见表3。

表3 计算工况

3 计算结果及分析

3.1 数值模型及边界条件

通过有限元软件Abaqus 进行模型搭建，基坑深度为26 m，为了消除边界效应，模型大小设计为3 倍基坑以上，大小为108 m×90 m×80 m。靠江侧平台宽度为18 m，平台外为1：1.5 的放坡。基坑长度方向选取40 m 进行计算，模型搭建见图5。

图5 有限元模型示意图

土层四周为滚轴边界，底部固定三个方向自由度。锁口钢管桩按照抗弯刚度等效为厚度1 m 的地连墙。地连墙与土体之间设置库伦摩擦，切向摩擦系数为0.36，法向为硬接触。格构柱与支撑连接处、钢支撑与系梁连接处约束Z 方向的自由度。混凝土系梁和混凝土支撑之间固接[5]。

3.2 模型验证

对接端钢筋混凝土支撑（第1、5 层）内部布置钢筋应力计，钢支撑（第2、3、4、6、7、8 层）端部布置轴力计，沿锁口钢管桩深度方向布置测斜管。支撑轴力、钢管桩深层水平位移数值模型值与监测数据对比见图6、图7[6]。

图6 深层水平位移对比

图7 各道支撑轴力对比

由图6、图7 可知，锁口钢管桩深层水平位移监测值和计算值变化趋势基本一致，计算值比监测值略大，距离基坑顶部12 m 处（第五层钢筋混凝土支撑附近），位移达到最大值10.2 mm，此时监测值和计算值误差2.2 %；支撑轴力监测值和计算值拟合较好，误差基本在20 %以内，支撑拆除前，八道支撑中第五道钢筋混凝土支撑轴力最大约2 700 kN，此时监测值和计算值误差3.3 %。由以上分析可见，深层水平位移及支撑轴力监测值与计算值变化趋势较为一致，误差较小，故文中的模型假定合理，计算结果可靠。

3.3 支撑轴力计算

以最后拆除的第2 层钢支撑轴力为例，施工步骤1～7 时，第2 层钢支撑轴力计算如图8 所示。

图8 顺序拆除支撑第2 层钢支撑轴力图

根据施工步骤拆除支撑，各层支撑轴力极值（标准值）见表4。

表4 支撑轴力标准值

根据《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB50068-2018）[7]，支撑轴力设计值：

式中：0γ为支护结构的重要性系数，取1.1；fγ为作用基本组合的综合分项系数，取1.25；Nk为支撑轴力标准值。钢支撑轴力最大值出现在拆除第五层钢筋混凝土支撑后第4 道钢支撑荷载，设计值N=3 310 kN；钢筋混凝土支撑轴力最大值出现在拆除第6 层钢支撑后第5 道钢筋混凝土支撑荷载，设计值N=7 326 kN。

根据《水运工程钢结构设计规范》（JTS152-2012）[8]，钢支撑自重产生的最大弯矩设计值：

附加弯矩：

钢支撑强度：

支撑竖向平面稳定性：

根据《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS151-2011）[9]，第5 层钢筋混凝土全部纵向钢筋面积=16690mm2；钢筋混凝土轴向受压承载力设计值：

Nu=0.9φ(fcA+fy+As)=20852kN＞7326kN，满足规范要求；

自重引起的弯矩设计值：

M=γ0γf γcbhl2/10=109 kNm，小于设计配筋，满足规范要求。

3.4 深层水平位移计算

根据施工步骤拆除钢支撑，锁口钢管桩处不同深度水平位移见图9。

图9 支撑拆除钢管桩深层水平位移

由图9 可知，锁口钢管桩处深层水平位移最大值出现在拆除第5 道钢筋混凝土支撑时，深度约16 m（第5 层钢筋混凝土支撑附近），最大水平位移15.5 mm。根据《建筑地基基础工程施工质量验收标准》（GB50202-2018）[10]，一级基坑围护结构深层水平位移预警值为55 mm，满足设计要求。

4 结语

基于有限元软件Abaqus，对襄阳市东西轴线沉管隧道东津对接端深基坑支撑拆除方案进行分析，得到如下结论。

1）支撑拆除前，现场监测数据与深基坑数值模型数据深层水平位移及支撑轴力值变化趋势较为一致，极值误差较小，模型假定合理，计算结果可靠。

2）回水拆除钢支撑，钢支撑轴力最大值出现在拆除第五层钢筋混凝土支撑后第四道钢支撑荷载，为2 407 kN；钢筋混凝土支撑轴力最大值出现在拆除第六层钢支撑后第五道钢筋混凝土支撑荷载，为5 328 kN；支撑结构计算均能满足规范要求。

3）回水拆除钢支撑，锁口钢管桩处深层水平位移最大值出现在拆除第五道钢筋混凝土支撑时，深度约16 m，最大水平位移15.5 mm，满足设计要求。

4）襄阳市东西轴线东津对接端深基坑可采取回水至支撑下部，通过浮箱平台拆除支撑方案，计算方法及结果可对沉管对接端深基坑支撑拆除方案提供参考。