目前国内常见的大型围堰结构形式一般有土石围堰和钢板桩围堰两大类型。其中土石围堰施工占用水域面积较大,同时大量的土方施工对生态环境造成破坏性的影响,且施工周期较长,因此大多采用钢板桩围堰设计。根据查阅文献和规范可知,对于双排钢板桩围堰计算方法有2种:①视内外板桩为嵌固于基坑面以下0.5~1.0m处的悬臂梁,按内外板桩顶端拉杆处位移相等的条件,计算拉杆拉力和板桩最大弯矩;②视内外板桩分别为各自独立的单排板桩,按单排板桩计算拉杆拉力和板桩最大弯矩。《格形钢板桩码头设计与施工规程》JTJ293—98中对板桩计算也提出要求,对于板桩码头前墙的踢脚稳定性、板桩码头整体稳定性、桩的承载力和构件强度等,应按承载力极限状态设计。但是对于软弱地基中双排钢板桩围堰结构形式并未提出相关说明,均视为两侧等长考虑。现有研究对于软弱地基双排钢板桩围堰外排钢板桩的变形规律与内排钢板桩变形规律基本一致。外排及拐角处的钢板桩接头存在较大的转动,而其他位置转动很小。常用的计算方法有地基梁法、比例系数法、等效抗弯刚度法、有限元法,其中有限元可考虑空间效应、适用性强。对于双排钢板围堰的整体稳定、水平抗滑稳定及抗倾覆稳定计算、围堰变形及钢板桩内力和围堰渗流均有相关的研究,但是对双排桩支护结构双排桩桩-土共同、桩距、排距等对支护结构的影响并无相关研究。同时,由于钢板桩围堰属于柔性结构,在软土地基中变形量大,无法满足现场施工的要求。

本文以东湖通道工程深厚软基中双排钢板桩围堰为背景,开展不同桩长在围堰抽水阶段围堰变形情况分析,并且结合长期监测数据对双排结构钢板桩围堰变形监测提出适宜的预警控制值。

东湖通道工程规划北起二环线红庙立交与二环线水东段对接,南止于喻家湖路喻家山北路道口,全长约10.6km,其中湖中隧道长度约为4.94km,里程桩号为DHTDK0+300—DHTDK5+240,采用围堰明挖法施工。隧道施工前需要设置围堰挡水,单侧围堰长度约为8.045km,其中双层钢板桩土芯围堰长度约为7.16km,长度为全国涉湖隧道之首。

根据钻探揭露,东湖通道围堰断面地层主要为:在本次最大勘探深度45.5m范围内,根据钻探资料及土工试验成果,拟建场区除表层填土外,其下依次由湖积(Q^l)的淤泥及冲积(Q₄^al)的黏土、淤泥质黏土,第四系上更新统冲洪积(Q₃^al+pl)的粉质黏土、含粉质黏土碎石,S₂泥质粉砂岩、S₂砂岩组成。自上而下分述如下:①Q^l①₄主要为淤泥,厚度0.4~6.1m,流塑状饱和,土质软,易变形,局部夹未分解完全的腐殖质,可见白色螺壳,有腥臭味。压缩性高。②Q₄^al黏土,厚度0.0~7.8m,可塑~软塑,饱和,土质均匀,切面光滑,干强度及韧性高,有腥臭味,压缩性高偏中等。③Q₄^al②₂淤泥质黏土,厚度1.3~12.5m,软塑~流塑状,饱和,土质软,易变形,略有腥臭味,局部含少量螺壳。压缩性高。④Q₃^al+pl③₁粉质黏土,厚度0.6~9.2m,可塑,饱和,土质较不均匀,切面欠光滑,局部夹少量粉土及螺壳,压缩性中等。⑤Q₃^al+pl

③₂粉质黏土,厚度1.2~24.0m,硬塑,饱和,土质较不均匀,含铁锰质结核及灰白色高岭土条纹,局部夹有薄层粉土,压缩性中等偏低。⑥S⑩_a-1强风化粉砂质泥岩,厚度1.7~24.1m,取样呈短柱状及柱状,手较难掰断,分布有近垂直向节理,节理发育,锤击声哑,敲击易碎,属软岩,岩体较破碎,岩芯采取率约为70%,RQD值约为65%,岩体基本质量等级为Ⅴ级。分布在里程约为DHTDK0+450—DHTDK1+700。

根据隧道线路走向与沿湖路关系,湖中隧道段围堰与沿湖路自然形成5个围堰区域(见图1,2),围堰1~4采用拉森钢板桩围堰方案,围堰5靠近东湖东路局部地段采用土围堰:围堰1区面积3.8万m²;围堰2区面积10.6万m²;围堰3区面积20.0万m²;围堰4区面积7.9万m²;围堰5区面积12.5万m²;围堰总面积约为55.0万m²。

根据对全线地质资料查阅,选择以东湖通道K1+450处围堰为典型断面进行研究。此处地质变化起伏较大,围堰两侧板桩底均处于淤泥质黏土层。围堰支护结构形式为双排钢板桩围堰,围堰宽度7m,迎水面钢板桩顶高程22.000m,背水面钢板桩顶高程21.000m;拉杆标高20.000m,拉杆两侧采用[28b作为垫板。常年平均水位19.580m,湖底标高16.500m;围堰内填筑黏土防止湖水渗流,在迎水面侧设置子围堰,标高21.500m。钢板桩拉接钢筋为32@800,迎水面与背水面钢板长为15,18m,分别进入湖底土层10,14m,钢板桩底均处于淤泥质软土层中,抽水后围堰内外水位差为3.0m。湖底土层从上到下依次为:4m厚淤泥层,1.5m厚黏土层,9.5m厚淤泥质土层,3m厚粉质黏土层,以下为强风化岩层。基坑宽度40m,基坑左边缘距离左边背水面钢板桩20m,基坑右边缘距离右边背水面钢板桩50m,计算深度取为30m。钢板桩尺寸与设计一样。

为进一步研究软土地基双排钢板桩围堰特性,在设计“前短后长”围堰支护结构形式上进一步优化,提出“前长后短”围堰支护结构,即改变迎水面和背水面钢板桩长度,以研究2种不同结构形式在围堰抽水过程中变形及稳定性变化情况。

岩土体参数取值和拉森式SP-IV型钢板桩参数取值分别如表l,2所示。

本模型在左右两侧边界面约束x方向位移,前后两侧边界面约束y方向位移,底部约束x,y,z方向位移,本模型中水压力荷载按面荷载形式施加。模型中钢板桩与周围土体的接触处理方式如下:首先建立1条与钢板桩长度及宽度相同的三维实体单元,而后将钢板桩用embed的方式(类似共节点连接)嵌入到上述实体单元中,再将该实体单元与周围土体建立接触,如图3所示,摩擦系数取为0.1。

拉接钢筋与钢板桩建立tie连接的方式(类似共节点连接),支撑与支护桩采用相同的连接方式。支护桩采用embed的方式嵌入到周围土体中。

根据查阅文献资料,钢板桩由于不同的抽水速率会造成土体内孔隙水压力变化情况的不同。水压力作用下,土体的变形包括弹塑性变形、土体的固结变形。本计算中不考虑土体的固结变形影响:①固结变形随着时间的推移不断增长,与所讨论的问题相悖,实际情况下降水过程时间越短位移反而越大;②考虑到降水过程的时间较短(大约30d),土体的固结变形效应造成的变形较小。本计算中主要考虑降水过程中土体的变形造成土体中超孔隙水压力的产生,而超孔隙水压力的存在会造成土体塑性变形参数的改变(莫尔-库仑模型中主要是摩擦角参数的改变)。当土体为正常固结状态时,表现为固结排水条件下摩擦角参数大于固结不排水条件下摩擦角,实际降水过程中土体的莫尔-库仑材料参数应介于两者之间。当前的计算软件通过设置材料的渗透系数,可以做到孔隙水压力随时间而改变,计算中分别考虑钢板桩“前长后短”和“前短后长”两种结构形式在5种不同抽水速率工况过程的位移变形情况。

2.3.1 钢板桩“前短后长”情况下抽水过程的数值模拟(见图4)

2.3.2 钢板桩“前长后短”情况下抽水过程的数值模拟(见图5)

2.3.3 两种情况下抽水过程数值模拟对比分析

由于东侧淤泥质黏土层较西侧厚,导致其围堰钢板桩在水压力下变形较西侧更大,故只取东侧迎水面钢板桩和东侧背水面钢板桩的位移情况进行比较(取东侧迎水面钢板桩桩顶位移作为参考值),如表3,图6所示。

由图6可以看出,在抽水速度一定的情况下,随着抽水深度的增加,水平位移也随之逐渐增加,而前长后短情况下引起的水平位移较前短后长情况下小。同时由计算结果可知随着降水速率的加快,围堰钢板桩水平位移的累计量增大较为明显(从0.48m到0.75m),水平位移的增量增大较为明显(从0.025m/次到0.253m/次)。综合考虑,降水速率不能过快,否则会引起钢板桩水平位移过大,建议抽水速率宜为20cm/次,并且在刚开始抽水时速率可以适当快,随着水位的降低,应放缓抽水速率。围堰“前长后短”结构形式,相对于实际中“前短后长”结构形式,在围堰抽水阶段对围堰变形具有明显改善效果。

实际测量中最终位移在1m左右,时间是从2013年11月25日—2014年1月8日,按照20cm/d的速率进行降水。中间实时监测,如果位移过大会相隔几天再进行抽水。数值计算中所取次数的概念是根据水的渗透对于土质参数的影响所大致对应的时间,可认为是实际中的1~2d。由结果可知数值模拟的结果和实际大致相同,趋势基本一致。

根据《建筑基坑工程监测技术规程》GB50497—2009,对一级基坑的报警绝对值为50~60mm。通过现场实际监测变形数据情况分析,在抽水阶段围堰变形极易达到50~60mm,导致工程施工无法开展。为确保施工顺利进行,在结合钢板桩围堰柔性结构特点和现场监测数据分析后,经过多次召开专家论证会,最终确定依托工程实际预警控制措施,并经现场证实预警值控制效果较好。

从抽水阶段开始,累计水平位移达到100mm(背水面钢板桩)和150mm(迎水面钢板桩),或抽水及清淤阶段变形速率连续3d达到8mm/d,此时应引起重视,加密观测频率,观测间隔时间不得大于24h。

从抽水阶段开始,累计水平位移达到200mm(背水面钢板桩)和300mm(迎水面钢板桩),或抽水及清淤阶段变形速率连续3d达到15mm/d,此时应引起重视,加密观测频率,观测间隔时间不得大于6h。

从抽水阶段开始,累计水平位移达到350mm(背水面钢板桩)和550mm(迎水面钢板桩),或抽水及清淤阶段变形速率连续3d达到30mm/d,此时应引起重视,加密观测频率,观测间隔时间不得大于2h,且应采取预警措施。

对于发生大位移钢板桩围堰,应加强相关监测并完善该地区附近地质勘查资料。在出现险情之后,应立即停止抽水,并组织相关人员进行抢险和抢修,可采取加土反压并且在背水面处打桩等技术措施阻止位移的进一步发生。同时加强相关的监测力度和速率,保证工程的安全进行。具体措施:若围堰累计位移达到预警值,对围堰进行全线反压措施;若反压后围堰位移仍继续增大,则采用距背水面钢板桩3m处打设钢管桩,以抵挡围堰继续变形。

利用ABAQUS进行数值模拟,对围堰不同结构形式及抽水过程状态下土芯组合钢板桩位移稳定性进行了分析,并结合双层钢板桩土芯组合围堰抽水状态下实测数据分析,形成如下结论。

1)设计所采用双层钢板桩“前短后长”围堰结构能够满足工程要求,同时,提出了双层钢板桩“前长后短”围堰结构优化设计方案,其主要性能指标更优。

2)通过对多种不同抽水速率下,迎水面和背水面桩顶水平位移变化情况分析,提出0.2m/d抽水速率控制指标,确保了围堰在抽水过程中的安全稳定。

3)通过对多种不同的抽水速率下,迎水面和背水面桩顶水平位移变化情况分析,提出了三级预警控制指标。