遮帘式地连墙在鱼珠隧道工程中的应用

罗志安

(广东珠荣工程设计有限公司，广东 广州 510610)

1 项目概况

鱼珠隧道南起广州市海珠琶洲片区新港东路，北至黄浦鱼珠片区珠吉路，隧道工程主线全长2.4 km，其中跨越珠江段采用沉管施工。由于隧道沉管基槽开挖深度大，基槽与两岸堤防连接处最大临空面高度19 m～20 m，势必影响两岸现有堤防的安全稳定。为保证沉管基槽开挖期间堤防正常使用，需在基槽影响范围内采用支护结构对原堤防进行结构加强。

2 支护结构选型

地连墙结构具有工效高、工期短、质量可靠、环境影响小、经济效益高等特点[1]，在基坑工程中得到了广泛应用。

格构型地连墙具有刚度大、整体性强的特点，更适用于深度较大、变形要求严格的基坑工程，例如广州市如意坊放射线工程芳村端堤防加强结构基坑深度达18.8 m、澳门内港挡潮闸东侧堤岸加强结构基坑深度达19 m，均采用格构式地连墙结构加强护岸。格构式地连墙为悬臂结构，受力条件较锚拉式支挡结构差，因此在用于深度较大的基坑支护时，支护结构断面大，工程投资造价高，且具有中隔墙连接部位施工难度大、施工质量难以保证的缺点。

传统的板桩式码头为典型的锚拉式支挡结构，但一般适用于中小型码头，目前只用于墙高不大的情况，一般在10 m以下[2]。

遮帘式板桩结构近年来在码头设计中逐渐兴起，为我国自主创新的结构型式，总体上处于国际领先水平[3]。遮帘式板桩结构在传统的板桩码头结构前墙后一定范围内设置灌注桩作为遮帘桩，让其承担一部分土压力，减少了前墙的厚度，同时增强了其抗倾覆的能力，可用于基坑深度10 m以上的支挡结构设计。与格构式地连墙结构相比，遮帘式板桩结构施工工艺简单，且遮帘桩间的空隙可用于锚索的布置，受力条件较格构式地连墙结构好，支护结构断面小，投资造价节省。

遮帘式板桩结构分为全遮帘式结构和半遮帘式结构两种[4]。其中全遮帘式板桩结构遮帘桩与前墙由拉杆或承台联系，半遮帘式板桩结遮帘桩与前墙相独立，仅仅起到减少前排桩土压力的作用，遮帘效应较全遮帘式板桩结构弱。

鱼珠隧道堤防加强结构前期对格构型地连墙支护方案和遮帘式地连墙方案(即全遮帘式板桩方案)进行方案比选。

格构式地连墙方案临水侧、背水侧各设1道T型地连墙，地连墙最大长度为30 m，梁肋处设1道中隔地连墙连接，中隔墙及梁肋间距5.0 m，地连墙厚度均为1.0 m，梁肋高1.5 m，中隔墙宽4.0 m；桩顶设钢筋砼卸荷承台，承台底高程4.0 m，承台总宽9.0 m，厚1.0 m；承台临水侧设钢筋砼胸墙结构，胸墙厚0.5 m，胸墙顶高程8.0 m；结构断面见图1和图2。

图1 格构式地连墙断面图

图2 格构式地连墙平面图

遮帘式地连墙方案临水侧设1道厚1.0 m T型地连墙，地连墙最大长度为30 m，墙肋间距4.0 m，平面尺寸2.8 m×1.0 m，墙后5.25 m、9.75 m各设1排φ1500遮帘桩，桩间距4.0 m，桩排距4.5 m，2排桩错缝布置；桩顶设钢筋砼卸荷承台，承台底高程4.0 m，承台总宽13.4 m，厚1.0 m，承台临水侧设钢筋砼胸墙结构，胸墙厚0.5 m，胸墙顶高程8.0 m；承台与遮帘桩交接位置各设1道750 kN预应力锚索，锚索长约50 m；结构断面见图3和图4。

图3 遮帘式地连墙断面图

图4 遮帘式地连墙平面图

对两方案进行技术经济比较见表1。

表1 支护结构方案比较表

本工程堤后弱风化基岩埋深约20 m，具备设置锚索的地质条件，且堤后施工场地较为宽敞，经对比，遮帘式地连墙方案明显占优，因此推荐采用该方案加强堤防支护。

3 结构计算

鉴于两岸珠江堤防为1级堤防，支护结构安全等级为一级，位移控制值取30 mm。

遮帘式板桩结构宜考虑土体的弹塑性特性和桩土相互作用，采用三维数值分析方法进行计算[5]。刘文平等[6]也通过数值计算与实际工程监测结果对照分析，证明两者结果基本吻合。本工程采用MIDAS GTS NX软件对遮帘式板桩结构设计进行三维有限元计算复核。选取一个完整T型地连墙结构作为计算宽度范围，地下连续墙、遮帘桩、卸荷承台等混凝土结构以及各土层均采用实体单元进行模拟，锚索采用植入式杆单元进行模拟，网格模型见图5和图6。

图5 计算网格模型正视图(沉管基槽开挖前)

图6 计算网格模型正视图(沉管基槽开挖后)

各材料计算参数及本构模型见表2及表3。

表2 不同材料计算参数及本构模型

表3 锚索参数

模型底部采用三向约束，三个侧面采用法向约束，对称面采用对称约束。计算工况背水侧取水位为7.0 m，临水侧取历史最低水位3.07 m，堤身考虑渗流，临水侧开挖底高程取最低-11.39 m，锚索预拉力按600 kN考虑，施工过程为施工平台开挖→地连墙、遮帘桩及承台施工→预应力锚索施工→承台上方土方回填→沉管基槽开挖，计算结果见图7～图12及表4。

表4 应力变形计算结果汇总表

图7 支护结构X向位移云图

图8 支护结构Z向位移云图

图9 地连墙Z向应力云图及弯矩图

图10 前排遮帘桩Z向应力云图及弯矩图

图11 后排遮帘桩Z向应力云图及弯矩图

图12 锚索轴力云图

经计算，基坑开挖完成后，卸荷承台挡墙顶部最大水平位移为24.5 mm，地连墙最大水平位移为22.3 mm，前排遮帘桩最大水平位移为22.5 mm，后排遮帘桩最大水平位移为22.4 mm。均不超过一级基坑要求的限制30 mm。

地连墙最大竖向拉应力为8.76 MPa，位于T型地连墙背水侧与强风化层接触部位处；最大压应力为9.86 MPa，位于地连墙背水侧顶部与承台接触部位。前排遮帘桩最大竖向拉应力为6.92 MPa，位于遮帘桩与卸荷承台交接部位；最大压应力为6.41 MPa，位于遮帘桩与卸荷承台交接部位。后排遮帘桩最大竖向拉应力为9.22 MPa，位于遮帘桩与卸荷承台交接部位；最大压应力为10.30 MPa，位于遮帘桩与卸荷承台交接部位。最大压应力均小于C35混凝土抗压强度设计值。

锚索最大轴力为723 kN，采用750 kN级锚索可满足设计要求。

4 结语

(1)遮帘式板桩结构可用于基坑深度较大的支挡结构设计。

(2)遮帘式板桩结构较格构式地连墙结构投资费用节省，施工简便可控。

(3)遮帘式板桩结构可与预应力锚索结合，构成锚拉式结构，较悬臂式支挡结构受力条件更好。