铁路桥梁深水基坑封底方式变形实测及数值模拟

李博康

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

0 引言

在铁路桥梁工程建设中，深水基坑施工危险性高，常见的深水基坑支护方法有沉井、钢板桩围堰、吊箱等[1]。钢板桩因其具有强度高、防水性能好，可重复使用的特点而广泛应用于深基坑、沟槽等工程实践中。钢板桩支护结构由打入土层中的钢板桩围护体系和内支撑或拉锚体系组成，以抵抗水、土压力，确保地下工程的安全[2]。王帆[3]利用有限元数值模拟手段，对岩土体变形模量、黏聚力、内摩擦角、泊松比影响下钢板桩的变形进行分析，得到钢板桩变形对土体刚度变化最为敏感。张树清等[4]利用ANSYS建立钢板桩围堰三维模型，对不同工况下钢板桩应力与变形进行了有限元分析。本文采用Midas-GTSNX有限元数值模拟软件，以铁路桥梁深基坑为工程对象，研究了不同基坑封底方式下，钢板桩变形情况，以及坑底隆起情况，可为类似工程设计与施工提供借鉴。

1 项目概况

1.1 工程概况

新建某铁路工程濠江特大桥跨濠江主航道(88+160+88) m连续钢构，主墩为106号墩、107号墩，水位高程2.5 m，承台尺寸为19 m×24 m。承台基坑采用拉森Ⅳ钢板桩(牌号Q295P)及钢管内支撑的支护形式，钢围檩由上往下依次采用双拼Ⅰ45b工字钢、双拼Ⅰ56b工字钢、3UB610×229型钢，基坑深度16.1 m，其中基坑顶面至顶面下7 m为水层，钢板桩插打长度为24 m。

1.2 工程地质与水文地质

106,107墩位置处从河床以下的岩土层分布及指标如下：1)淤泥：层厚8.2 m，重度19 kN/m3，浮重度9 kN/m3，黏聚力12 kPa；2)细砂：层厚12.4 m，重度19.5 kN/m3，浮重度19.5 kN/m3，黏聚力4 kPa，内摩擦角36°。钢板桩围堰布置如图1所示。

2 基坑施工工序及不同封底方式分析

2.1 基坑施工工序

水中钢板桩围堰均采用先下整体式内围囹，后打钢板桩的方法。基坑采用湿封混凝土方式施工工序如下：

1)围檩及内支撑杆件现场组装，由下到上依次下放各层钢围檩及内支撑至设计位置。

2)钢板桩定位，依次插打拉森钢板桩直至闭合。

3)水下清淤，浇筑水下混凝土。

4)牛腿与钢板桩焊接。

5)降水至坑底，承台施工。

6)承台施工到第四道内支撑下50 cm并达到强度后，在钢板桩和承台之间回填砂石并夯实，拆除第四道内撑。

7)承台施工完成后，逐层拆除剩余内支撑和钢围檩，拔出钢板桩[5]。

2.2 不同封底方式介绍与分析

湿封即2.1所述流程，该封底方式优势在于封底过程中，基坑内外水位标高基本一致，故钢板桩内外静水压力差对钢板桩变形影响较小，同时由于封底混凝土施作，大大降低了后续降水时，基坑水土之间渗流耦合作用，有利于降低坑底涌水涌砂及钢板桩失稳等风险，施工安全性较高。缺点是水下清淤困难，工期较长，封底混凝土计算厚度较大，用量大，不利于成本控制。

干封即在钢板桩定位后，直接进行降水，并在过程中做好基坑支护结构加固，降水至淤泥层后进行清淤，直至降水清淤至封底混凝土底面，此时进行封底混凝土浇筑。该封底方式优势在于施工快，封底混凝土计算厚度相对较小，用量较少，有利于工期及成本控制。缺点是基坑水土渗流耦合作用较强，且钢板桩内外静水压力相差较大，不利于降低坑底涌水涌砂及钢板桩失稳等风险。

3 有限元模型及计算结构分析

3.1 有限元计算软件选用

基坑有限元模拟通常采用MIDAS-CIVIL荷载结构法进行分析，然而荷载结构法在涉水基坑计算中存在几方面不足:

1)水土分算法进行计算是偏于保守的。

2)无法考虑水土之间渗流耦合作用。

3)无法考虑降水过程影响。

4)结构计算荷载为手算后输入，对计算人要求较高。

故本次有限元数值模拟采用MIDAS-GTS。

3.2 有限元模型建立

为降低基坑降水开挖边界效应的影响，基坑开挖范围在水平方向上为开挖深度的3倍～5倍，在垂直方向上为开挖深度的2倍～4倍，为真实模拟基坑降水开挖过程，基坑完全采用施工现场实际尺寸，即南北方向26.4 m，东西方向21.4 m。土体本构模型选用摩尔库仑模型，该模型由C.A.Coulomb最先提出，在应力应变平面上由摩尔圆和抗剪强度包线组成，当土体中任一平面上的某点剪应力等于土的抗剪强度时，该点即处于濒于破坏的临界状态。

钢板桩采用板单元模拟，并建立界面单元，对接触面上的钢板桩-淤泥单元强度折减。支撑结构采用梁单元模拟，淤泥、细砂、封底混凝土均采用实体单元模拟。基坑降水则采用设置各层节点水头方式进行模拟。钢板桩按照每延米的惯性矩等效为矩形截面的钢板，用4节点板单元模拟等代计算厚度[6]为16.7 cm。

封底混凝土采用C30混凝土，弹性模量E=3×104MPa，容重为25 kN/m3，泊松比0.2。Q235钢材的弹性模量E=2.06×105MPa，容重为76.98 kN/m3，泊松比0.3；根据设计计算书，本工程湿封封底厚度取3 m，干封封底厚度取1.5 m。数值计算模型如图2，图3所示。

3.3 计算结果

工况一为采用湿封混凝土方式，工况二为采用干封混凝土方式。两种工况下，钢板桩最大变形云图分别如图4，图5所示。

最不利情况下，基坑内降水至封底混凝土面时，钢板桩变形随深度变化曲线及坑底隆起随降水变化曲线，如图6，图7所示。

图6为两种工况下钢板桩随深度变化曲线，工况一，钢板桩最大变形发生在顶面下10 m位置，南北向最大水平变形14.5 mm；工况二，钢板桩最大变形发生在顶面下16 m位置，南北向最大水平变形65.2 mm。分析原因，当采用湿封混凝土方式时，封底混凝土弹性模量、密实度均远大于原淤泥质地层，故降水开挖时，钢板桩变形较小。

图7为两种工况下坑底隆起随降水深度变化曲线，工况一坑底隆起最大值5.1 cm，工况二坑底隆起10.4 cm。当采用湿封混凝土方式时，由于在基坑内降水之初，已完成水下封底混凝土施作，封底混凝土弹性模量、重度等均远大于原高压缩性淤泥质地层，且混凝土渗透性远小于淤泥地层，水土渗流耦合作用小，故在降水开挖这一卸载过程中，工况一坑底隆起值小于工况二坑底隆起值。

4 计算结果与监测结果对比

钢板桩预警值规定：Ⅰ级桩顶最大位移0.004 h且不大于30 mm，桩身最大位移0.004 h且不大于50 mm。本工程107主墩已采用湿封混凝土方式进行基坑开挖，受工期等因素影响，106主墩计划采用干封混凝土方式开挖，尚未进行施工。

现场主要对107墩各层钢围檩布置12个监测点，其中，南北方向6个，东西方向6个。具体监测方案如表1所示。

表1 监测方案

根据现场监测结果，107主墩南北向最大水平变形为12.4 mm，钢板桩最大变形发生在顶面下10 m位置。计算结果略大于现场监测结果，但相差较小，最大变形位置相同。原因分析，濠江靠近大海，退潮频次及程度较大，退潮程度较高时，外露河床，此时河床以上，钢板桩不受外部水压影响，变形较小。

5 结语

通过跨濠江主跨106 m连续钢构主墩钢板桩围堰数值模拟及结合现场监测结果对比分析，得到以下结论：

1)107墩基坑开挖方式钢板桩最大变形与现场监测结果较为接近，在仅改变基坑施工工序情况下，106墩采用干封方式，计算得到钢板桩变形、坑底隆起值有较大参考意义。

2)106墩采用数值模拟方法计算干封时最大水平变形65.2 mm，大于钢板桩的预警值，应对支护方案进行优化。同时当坑内水位降低至内支撑以下时，需加强现场监测频次，增加监测点数量，并尽可能在江面水位较低或退潮时施工。

3)在工期条件等因素允许条件下，尽可能采用湿封混凝土方式对基坑进行封底，有利于提高安全性。