新担涌水闸工程空间分析法深基坑支护设计

黄显（广州市水务规划勘测设计研究院广东广州510640）

新担涌水闸工程空间分析法深基坑支护设计

黄显
（广州市水务规划勘测设计研究院广东广州510640）

本文通过分析新担涌水闸工程概况以及工程地质条件，对基坑支护方案进行了比选和设计。对设计方案进行了计算分析，本次计算采用空间整体协同有限元计算方法，考虑了支护结构、内支撑结构及土空间整体协同作用，以期为类似案例提供借鉴。

水利工程；空间分析；深基坑；设计

1　工程概况

新担涌水闸工程位于广州市黄埔区长洲岛中部，东西两端河口各设一座水闸，将原来潮涨潮落的自然状况变为可调控的人工湖，在保障水安全的同时，也提升了水环境、水景观［1］。新担涌东闸共7孔，总净宽90.0m，闸门型式为底轴驱动下卧式钢闸门。东闸基坑深度4.30m～12.10m，最深位于廊道处。廊道设置于底板下，用于管线布置和检修通道，廊道贯穿河道，一直延伸到堤岸，岸边设置吊装孔、启闭房连接廊道。廊道处基坑场地开阔，无近距离房屋，周边多果树及鱼塘，综合考虑到基坑深度以及破坏后果的重要性，基坑等级定为一级基坑。

2　场区地质条件

工程区位于珠江三角洲平原，地势平坦，汊河众多，地面高程一般为0.50m～3.50m，河道为-3.80m～-0.15m。在勘探深度范围内，地基岩土层从上而下分别为：

①人工填土：稍湿，结构松散，由粉质粘土、中粗砂组成，局部夹碎石、草根，欠压实，层厚1.90m～6.10m。

②-1淤泥质土：流塑，具滑腻感，含有机质。该层普遍分布，层厚2.15m～7.30m。

②-2粉砂：松散～中密，饱和，层厚2.25m～13.30m。

②-3淤泥质粉砂：松散～稍密，饱和，含有机质及少量贝壳，淤泥质胶结，局部夹中粗砂薄层。该层普遍分布，层厚2.80m～13.20m。

②-4粗砾砂：稍密～密实，该层局部分布，层厚0.90m～2.80m。

③残积土：可塑～硬塑，呈粉质粘土状。该层普遍分布，层厚0.90m～5.60m。

④全风化混合岩：原岩结构基本已被破坏，岩芯呈坚硬土柱状。该层部分分布，层厚1.05m～6.35m。

⑤强风化混合岩：风化强烈，原岩结构大部分已被破坏，岩芯呈半岩半土状。该层普遍分布，层顶标高-20.57m～-13.11m。

⑥弱风化混合岩：风化裂隙较发育，敲击声哑，易折断，岩质较软，岩芯呈短柱状。

根据附近钻孔资料，廊道处基坑各岩土层的层厚及物理力学指标计算参数见表1。

表1　各土层物理力学指标及计算参数

3　支护方案选择与设计

3.1支护方案比选

由于基坑深度达到12.1m，传统的悬臂灌注桩支护结构显然是不能满足要求的。本次主要对桩锚结构以及内支撑排桩结构进行分析。

（1）从技术上，两种方案均是成熟可行的支护结构，对本工程适用性也较强。

（2）从经济上，由于工程区域淤泥质土层较厚，锚索需要足够长才能伸入到较好的地层，从而提供足够的锚固力，不经济；而内支撑排桩结构可以采用型钢作为腰梁及内支撑梁，基坑施工完毕后可以回收利用，具有明显的经济优势。

（3）从工期上，锚索工序复杂，而采用型钢腰梁及支撑梁，则施工相对简单许多，工期大大减少。

综上所述，本次基坑支护采用内支撑排桩结构。

3.2支护方案设计

支挡结构采用Φ1200钢筋混凝土灌注桩，间隔1400沿廊道结构外边线外布置，预留1.0m～2.5m的施工空间。桩长21.00m，嵌固段长10.40m，桩端进入风化岩层不小于2.40m。桩顶标高1.50m，桩顶设1.00m宽平台，1:2放坡至地面3.00高程。

采用两道内支撑，冠梁层均采用钢筋混凝土结构，冠梁尺寸为1400mm× 1000mm，内支撑梁为800mm×1000mm；腰梁层均采用型钢结构，腰梁采用两道H型钢HM:450mm×300mm×11mm×18mm形成组合梁，内支撑梁采用Φ610×16钢管，腰梁层在主体结构完成、基坑填土压实后，可拆除回收利用。

基坑平面布置及剖面图1所示。

3.3止水方案设计

由于廊道延伸到河岸堤防，原堤防大多为抛石基础，水泥搅拌桩难以施工，因此采用双管旋喷桩作为止水，桩径600mm，旋喷桩桩底穿越砂层，进入强风化层不小于1.0m。旋喷桩间隔1400布置于灌注桩之间，局部拐角位置加密喷射，以保证止水效果。由于场地地下水丰富，为确保成桩质量，在水泥浆液中掺入一定量的速凝剂，掺量根据试桩成果确定。

图1　基坑支护平面及剖面图

4　支护设计计算

4.1计算原理及模型

由于规范有关支挡式结构的计算分析是针对平面结构的，都是简化为用平面杆系结构，采用弹性支点法进行分析。对于按平面结构简化难以反映实际结构的工作状态的情况，规范建议按照空间结构模型分析［3］。由于本工程基坑在平面纵横两个方向上尺寸都较大，如按照线型的排桩支挡结构来考虑，这样的简化计算显然是不合适的。本次计算采用空间整体协同有限元计算方法，考虑了支护结构、内支撑结构及土空间整体协同作用。有限元基本方程［2］如下：

式中：［K］——总体刚度矩阵；｛δ｝——位移矩阵；｛F｝——荷载矩阵。

根据支护设计布置的排桩与内支撑结构，建立三维空间计算模型，如图2所示。

图2　基坑支护三维模型图

图3　控制工况下支护结构位移与内力图

4.2计算结果

采用理正整体法协同计算，可以得到开挖至-4.50m高程、开挖至坑底时以及拆撑等工况下的桩身位移、桩身弯矩、冠梁腰梁弯矩以及内支撑梁轴力。选取控制工况下（开挖至坑底）的计算结果如图3所示。

从计算结果可以看出，控制工况下，桩身最大位移24.62mm，最大弯矩1791kN·m，内支撑梁最大轴力3869kN。冠梁及腰梁弯矩大部分都小于800kN·m，只有阳角处的冠梁弯矩最大达到4064kN·m，这主要是因为该位置的变形较大引起的。实际工况下，该处靠近水闸边墩，闸室底板为台阶状，该处基坑深度较廊道处浅1.85m～4.0m，另外水闸边墩下有灌注桩基础及高压旋喷桩搭接而成的止水帷幕，对于被动区的土体有很好的加固作用，因此该计算结果偏大，后文也将通过结构优化来处理。

为了比较，整体计算的同时按照规范［3～4］平面简化结构计算，单元计算结果表明，控制工况下，桩身最大位移25.18mm，最大弯矩2200kN·m。对比发现，由于未考虑支护构件的整体协同作用，单元计算结果明显偏于保守。4.3配筋计算

图4　基坑监测布置图

根据上述内力计算的结果进行结构配筋。由于计算出来每根桩的弯矩均不一样，分别对每根桩进行配筋是不合理的，而且会大大增加施工的复杂程度，设计时，需对其进行归并处理。根据计算结果，主要归并为两个区，配筋较大的桩只有少数几根，集中在阳角区域附近，由于该区域计算结果偏于保守，而且较其他桩配筋差别不大，为便于施工，所有桩主筋均统一采用28C22，螺旋筋均采用B12@150。冠梁、支撑梁配筋及腰梁型钢选型本处省略。

4.4支护结构优化

通过冠梁及腰梁弯矩图可看出，由于阳角的存在，冠梁局部弯矩大大超过结构要求，明显不合理。为了限制该处的变形，加强构件的整体性，在该处设置300mm厚的钢筋混凝土角板连接冠梁。

5　基坑施工顺序

由于基坑深度大，应制定严格的施工工序，以确保基坑安全，本次基坑施工步骤如下：

1）开挖地面至1.50m高程，修整打桩平台，进行冲孔灌注桩及桩间旋喷桩止水施工；

2）破除桩头，施工冠梁和内支撑梁；

3）待灌注桩、冠梁以及内支撑梁达到设计强度后，继续开挖土体至腰梁层以下0.5m，施工腰梁及内支撑梁；

4）继续开挖土体至坑底，及时施工结构主体。廊道段可一次性施工完毕，吊装孔及液压启闭室侧壁施工到腰梁层标高下0.5m处时，在混凝土结构达到设计强度的80%后，利用砂土填充侧壁与支护结构之间的空隙，并分层压实，同时浇注一层厚500mmC30素砼换撑板，达到强度后拆除腰梁及内支撑梁；

5）继续施工吊装孔及液压启闭室，在侧壁施工到冠梁层标高下0.5m处时，同第5步要求施工素砼换撑板，并拆除结构附近的内支撑梁。

6　基坑变形监测

根据规范［5］要求，本次基坑变形监测共布置9个水平位移和沉降观测点、5个测斜孔、4个地下水位监测孔和5个地表沉降监测点，布置图如图4。在基坑开挖深度≤10m期间1天～2天测1次，开挖至坑底期间1天测2次，保持此频率直至廊道浇筑后7天，此后保持1天～3天测1次直至基坑回填。观测结果显示，桩顶最大位移为21mm，基坑外地表无明显裂缝，地下水位稳定，表明围护结构稳定。

7　结语

空间整体协同有限元方法是基坑设计中的先进方法，也是发展方向之一。对于深基坑设计中按平面结构简化难以反映实际结构的工作状态的情况，宜采用空间结构模型分析，加以传统方法比较，并结合工程实际，综合考虑，来优化基坑的设计。本文针对某软土地区水闸工程中的深基坑实例，应用整体法协同计算，并用规范方法计算比较，再结合实际工况对结构进行优化，通过基坑监测结果和实际施工效果，最终验证了设计方案的合理性。陕西水利

［1］广州市水务规划勘测设计研究院.广州市黄埔区长洲岛新担涌水闸工程初步设计报告［R］.2012.

［2］陈晓平，闫军.深基坑支护结构的三维杆系有限元分析［J］.岩土力学，2001，22（3）：258-261.

［3］《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）［S］.

［4］《广州市标准广州地区建筑基坑支护技术规定》（GJB02-98）［S］.

［5］《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497-2009）［S］.

（责任编辑：畅妮）

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