浅海隧道基坑双排钢板桩围堰支护数值研究

杨鲤铭，康建旗

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350）

引 言

随着海底基础建设的发展，水中围堰明挖基坑愈来愈多。现有研究主要针对最常见的桥墩承台水下围堰基坑，一般采用钢板桩围堰+内支撑深基坑形式，例如天津海河大桥[1]、杭州市跨京杭大运河大桥[2]等，该类基坑的宽度和长度都较小。武汉东湖隧道[3]是比较典型的水下隧道围堰基坑工程，但其围堰与基坑围护分离，间隔较远，监测表明二者相互作用不明显。

本文研究的双排钢板桩围堰基坑工程位于深圳某海湾内，该处地质环境和水文条件极其复杂，围堰与基坑距离较近，相互作用显著，双排钢板桩围堰稳定性及基坑竖向支护结构变形控制是该工程重点研究问题。双排钢板桩多应用在软土地区或深基坑[4-5]，张玉成[6]等针对4个基坑设计中的关键因素进行分析，结合理论计算优化支护结构型式，选取双排钢板桩方案，取得良好的经济效益。王风梅[7]等通过有限元方法对比双排钢板桩的3种加固方案效果，发现联合加固的效果最好。晏明等[8]介绍了几种常用的双排桩结构及对应的计算方法，结合有限元模拟优化了比例系数法的土压力分布，总结了双排钢板桩的排距优化取值范围。侯永茂[9]等通过监测结果发现大跨度双排钢板桩具有三维空间效应，分析得出围堰前、后排钢板桩的变形特性存在差异。目前针对水下双排钢板桩围堰稳定性及基坑变形特性分析研究甚少，对影响围堰稳定与基坑变形的各个因素，如双排钢板桩的插入深度、围堰宽度、围堰与基坑间距进行研究，分析围堰稳定与基坑变形及其相互作用，将为施工设计提供理论依据及优化方案，具有重要的工程实际意义。

1 工程概况

海底隧道选址场地为深圳市某海湾内，隧道采用围堰明挖法施工，围堰型式为双排钢板桩，施工围堰沿路线长度约1 600 m，起点和终点分别与海岸陆域段相接，隧道海域段采取分段分仓施工方式，沿线设置5处分仓独立的施工区域，基坑拟采用地下连续墙作为围护结构。

基坑全长91.7 m，开挖深度12.4 m。双排钢板桩之间填充吹填砂并通过钢拉杆连接形成围堰，钢板桩厚度为0.4 m，内侧钢板桩长22.9 m，外侧钢板桩长16.5 m，围堰宽度为8 m。围护结构采用1 m厚的地下连续墙。竖向设置3道支撑，第一道支撑采用混凝土支撑，第二、三道支撑采用钢支撑。双排钢板桩围堰基坑断面见图1。

图1 双排钢板桩围堰基坑断面示意

2 数值模拟

2.1 模型设置

许多学者采用FLAC3D数值研究方法对双排桩结构的内力与变形等进行研究和分析，计算结果与工程实测结果基本吻合，验证了FLAC3D数值软件建立的计算模型是合理可行的[10-12]，本文也将采用FLAC3D数值软件展开分析。根据工程经验，基坑开挖对地表沉降影响范围一般为开挖深度的3～4倍，对深度的影响范围为开挖深度的2～3倍，基于平面应变假定，建立二维平面模型，宽度为180 m，深度为48 m，共有5 346个单元网格，FLAC3D二维几何模型见图2。

图2 FLAC3D几何数值模型

土体采用Mohr-Coulomb本构模型，双排钢板桩与地下连续墙采用线弹性实体单元，钢拉杆与支撑结构采用梁单元。地下连续墙弹性模量取值30 GPa，双排钢板桩弹性模量取值200 GPa，支护结构物理力学参数见表1。

表1 支护结构参数

固定X、Y、Z三个方向的位移为0，在自重应力作用下完成土层沉积固结过程模拟，然后清除历史位移与塑性区，按照实际施工顺序分成5步施工工况进行施工过程模拟，具体工况见表2；其中，在围堰抽水过程中，钢板桩围堰的受力平衡状态被打破，变成悬臂梁受力结构，不断受到外侧海水的压力作用，通过在围堰外侧施加三角形水压完成该过程的模拟。

表2 施工过程

2.2 结果分析

在内侧钢板桩桩长为22.9 m（插入深度15.3 m）、外侧钢板桩桩长为16.5 m（插入深度8.9 m）、围堰宽度为8 m、距离基坑18.4 m的情况下（方案一），图3为工况2～5开挖阶段的支护结构水平位移变化趋势，其中，地下连续墙在工况2清淤结束后完成施工，自工况3开始才受到开挖卸载的影响。

图3 支护结构水平位移变化

可以看出，随着开挖进程的不断进行，地下连续墙的水平位移量不断增大；开挖初期，地下连续墙的水平位移变形较小，最大水平位移发生在顶部；开挖完成时，地下连续墙的水平位移达到最大，最大变形为3.62 mm，顶部受到水平向混凝土支撑的作用，使最大水平位移的位置下移。相对于开挖深度而言，此基坑工程的支撑与立柱设计数量足够且刚度较大，故地下连续墙的变形受到限制，整体变形很小。双排钢板桩的水平位移逐渐增加，最大变形均发生在顶部，各工况变形趋势一致；抽水与清淤过程完成后，钢板桩发生较大的水平位移；在基坑开挖第一步（工况3），钢板桩再次发生较大的水平位移，在开挖第二、三步，桩身几乎没有发生变形，原因是在基坑内部开始施工水平向支撑，大大限制了钢板桩的变形。内侧钢板桩最大水平位移为26.57 mm，外侧钢板桩最大水平位移为30.52 mm，两排钢板桩变形趋势及大小基本一致，内侧钢板桩插入深度大，整体稳定性比外侧钢板桩高，最终变形相较偏小。

3 围堰设计参数影响分析

在方案一的基础上，通过变化几何参数得到不同的研究方案（表3），分别研究钢板桩的插入长度、围堰的宽度、围堰与基坑的间距等因素对钢板桩自身及地下连续墙的变形影响，分析基坑的稳定性。

表3 研究方案

3.1 外侧钢板桩插入深度H1的影响

图4为地下连续墙与双排钢板桩在不同插入深度H1下的水平位移变化趋势。分析发现，不同H1方案的地下连续墙水平位移变形趋势基本一致，水平位移沿墙身先增大后减小；地下连续墙的整体水平位移随H1的增加呈现先增大后减小的趋势，说明H1存在优化区间。不同H1的内外侧桩变形趋势一致，变形大小几乎不变，H1的增加甚至有增大桩顶水平位移的趋势，改变H1对改善围堰的稳定性影响较小，若H1过大，被动区土压力增加，会降低钢板桩的抗倾覆能力，使桩顶水平位移略有增加。考虑到经济节省，外侧钢板桩的最佳插入比约为1.2。

图4 外侧钢板桩插入深度对支护结构水平位移的影响

3.2 内侧钢板桩插入深度H2的影响

图5为地下连续墙与双排钢板桩在不同插入深度H2下的水平位移变化趋势。

可以看出，随着H2的增加，地下连续墙的水平位移逐渐减小；插入深度为15.3 m、20.4 m时，地下连续墙的水平位移几乎相同，说明在插入深度大于15.3 m后对墙体变形影响不大。H2的增加会明显改善内、外侧桩的水平位移；但是当H2＞15.3 m后，H2的增加对桩身变形影响不大。综合考虑技术安全与经济节省的目标，内侧钢板桩的最佳插入比约为2.0。

图5 内侧钢板桩插入深度对支护结构水平位移的影响

3.3 围堰宽度B的影响

图6为地下连续墙与双排钢板桩在不同围堰宽度B下的水平位移变化趋势。地下连续墙与双排钢板桩的水平位移随着围堰宽度B的增大而减小，原因是围堰的宽度越大，刚度越大，抵抗变形的能力就越大。B=6 m时，地下连续墙、内、外侧钢板桩的最大水平位移分别为3.8 mm、43.56 mm、49.06 mm，双排钢板桩的位移接近安全值。考虑到技术安全、经济节省，建议围堰宽度为B=8 m。

图6 围堰宽度B对支护结构水平位移的影响

3.4 围堰与基坑的间距L的影响

图7为地下连续墙与双排钢板桩在不同间距L下的水平位移变化趋势。综合分析，地下连续墙的水平位移随着间距L的增大而减小，围堰等效地面载荷，距离基坑越远，对基坑及围护结构的影响越小。图中表明间距L对双排钢板桩的整体水平位移没有影响，原因有两个：

1）双排钢板桩自身的结构性质没有变化；

2）本次讨论的基坑支护结构设计刚度足够大，基坑随开挖产生的扰动非常小，水压等其他外荷载对双排钢板桩的影响就更小。因此，可根据实际施工需要合理调整围堰与基坑间距。

图7 围堰与基坑的间距L对支护结构水平位移的影响

4 结 语

本文运用FLAC3D有限差分数值软件，实现了具体工程的数值建模和变形分析，探究了不同围堰设计参数对双排钢板桩、地下连续墙及基坑工程的影响，为工程设计提供了更多理论支持和优化方案，给出了设计参考建议，并得出以下结论：

1）方案一地下连续墙、内侧钢板桩、外侧钢板桩的最大水平位移分别为3.62 mm、26.57 mm、30.52 mm，均在安全值内，符合安全要求。

2）随H1的增加，地下连续墙的水平位移先增大后减小，内外侧钢板桩的顶部水平位移略有逐渐增加的趋势。外侧钢板桩的最佳插入比约为1.2。

3）内侧钢板桩的插入深度H2对双排钢板桩的变形影响较大，H2的增加会明显改善内、外侧桩的整体水平位移；随着H2的增加地下连续墙的水平位移逐渐减小，说明有效地增加内侧钢板桩插入深度对结构的整体稳定性十分有利，但是超过一定范围后，对抑制变形的作用不再明显。内侧钢板桩的最佳插入比约为2.0。

4）地下连续墙与双排钢板桩的水平位移随着围堰宽度B的增大而减小，围堰的宽度越大，刚度越大，抵抗变形的能力就越大。

5）地下连续墙的水平位移随着间距L的增大而减小，围堰相当于地面载荷，距离基坑越远，对基坑及围护结构的影响越小；对双排钢板桩的变形几乎没有影响。因此，可以根据实际施工需要合理调整围堰与基坑间距。

采用数值模拟方法研究了方案一设计标准下围堰深基坑工程的变形与稳定性。在方案一的基础上，研究了外侧钢板桩插入深度H1分别为8.9 m、15.3 m、20.4 m时地下连续墙与双排钢板桩的水平位移变化，增大H1只在优化区间内起到改善结构变形的作用；H2＞15.3 m后对双排钢板桩和地下连续墙的变形影响不大；B=6 m时，地下连续墙、内、外侧钢板桩的最大水平位移分别为3.8 mm、43.56 mm、49.06 mm，双排钢板桩的位移接近安全标准值，考虑到技术安全、经济节省，建议围堰宽度为B=8 m。

本文研究的围堰深基坑工程，地处软弱土层，因此对基坑的支护结构设计过于保守，在研究双排钢板桩的插入深度、围堰宽度以及围堰与基坑的间距等因素对地下连续墙的变形以及基坑的稳定性的影响过程中，地下连续墙均处于十分安全的状态。通过研究围堰与基坑支护的变形及稳定能够指导施工和设计，为相似工程提供理论借鉴。