某二线船闸基坑施工对既有一线船闸的影响分析

刘志军，姜 燕，黄茂兴，谢志杰

(1.广东省源天工程有限公司, 广东 广州 511340；2.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；3.广东省岩土工程技术研究中心，广东 广州 510635)

1 工程概况

广东省某水利枢纽工程正常蓄水位为10.81 m，总库容为3.018亿m3，过闸流量大于5 000 m3/s，工程等别为Ⅰ等，规模为大(1)型[1]。现有一线船闸为单线Ⅲ级船闸，船闸闸室有效尺寸为180 m×23 m×4.5 m(闸室长×宽×门槛最小水深)，可通行船舶1 000 t级。为提高干流航道的通航能力，新建1 000 t级的二线船闸。二线船闸布置在既有一线船闸右侧，两闸平行布置，中心距为90 m，以上闸首上游面对其布置，二线船闸和一线船闸相对位置如图1所示。

图1 二线船闸和一线船闸相对位置示意

二线船闸上闸首左侧与一线船闸门库段相接，二线船闸门库段基坑与一线船闸门库最近距离仅6.25 m；二线船闸闸室临近一线船闸闸室及下闸首门库，其中距一线船闸闸室最近距离为36.8 m，距下闸首门库最近距离仅16.67 m[2]。总体上，二线船闸和一线船闸距离较近，二线船闸在地连墙施作、基坑开挖时均可能影响一线船闸既有建筑物的受力和变形特征[3]。

二线船闸基坑采用双排连续墙+内支撑支护方案，且存在较深厚砂层，本文采用有限元方法分析了二线船闸施工对一线船闸既有建筑物的影响，结合现场监测数据，验证了支护方案的可靠性以及加固措施的有效性。

2 工程地质情况及力学参数

根据勘察资料[4]，一、二线船闸场地表层为填砂、填土，呈稍湿、松散状，渗透性属中等—强，场地内主要的岩土层为：

1a层素填土：以粘性土为主，灰褐色，软塑为主，土质不均，含少量生活垃圾，局部含碎石。

1b层填砂：以中粗砂为主，部分为粉细砂，灰黄色，稍湿，呈松散—稍密状，主要分布于上游引航道段。

1-1层粉质粘土：呈软塑—可塑状；1-3层中粗砂：松散，承载力一般，中等—强渗透性；2-2层淤泥质粉质粘土：呈流塑—软塑，不透水—微透水；2-3层粉细砂层，稍密—中密，渗透性中等—强，稳定性差；3-2层淤泥质粉质粘土；4-1、4-3层圆砾土、卵石土，中密—密实，承载力较好，渗透性强。

下伏基岩主要为泥盆系天子岭组中风化灰岩、灰质页岩及砂岩，承载力好，透水率大部分小于3 Lu。

船闸主体结构段地质纵剖面见图2所示。主体结构建基面位于2—3层粉细砂层，建基面以上为1-3、1b中粗砂层和2-2层淤泥质粉质粘土；建基面以下为4-3层卵石层和强、中风化岩。各土层主要物理力学参数见表1[5]。

图2 船闸主体结构段地质纵剖面示意

表1 各土层主要物理力学参数

3 二线船闸典型基坑方案及与一线船闸既有建筑物的位置关系介绍

3.1 二线船闸支护设计及与一线闸基础情况说明

典型基坑支护剖面如图3所示，基坑左岸采用双排地连墙支护，墙距为5.15 m，连续墙厚度为1.2 m，桩长约为41 m，基坑顶高程为13.91 m，最低开挖面高程为-8.64 m。基坑竖向设置3道支撑，支撑截面为1.3 m×0.95 m，支撑间距为6 m。右岸采用桩径为1.2 m的单排地下连续墙，桩顶高程为8.0 m，桩长为30 m，本次靠近一线船闸为左岸支护结构。

图3 典型基坑支护剖面示意

二线船闸基坑结构与一线船闸既有建筑物的相互关系分述如下：

1) 二线船闸上闸首门库段基坑临近一线船闸上闸首门库，最近距离约为6.25 m，邻近一线船闸上闸首及上闸首门库段地基采用水泥搅拌桩和高压旋喷桩加固。其中水泥搅拌桩桩径为850 mm，桩的中心距为600 mm，高压旋喷桩桩径为800 mm，中心距为600 mm。

2) 二线船闸上闸首普通段基坑临近一线船闸闸室段，最近距离约为36.8 m。邻近一线船闸闸室段采用振冲+PHC管桩做地基处理。桩径及桩间距同上。

3) 二线船闸闸室段邻近一线船闸闸室，最近距离约为36.8 m。邻近一线船闸闸室段地基采用振冲桩加固，桩径及桩间距同上。

4) 二线船闸闸室段2-2断面邻近一线船闸下闸首门库，最近距离约为16.67 m。邻近一线船闸闸室段地基采用振冲桩加固，桩径及桩间距同上。

3.2 主要施工保护措施

二线闸施工对一线闸保护有较大影响的关键措施如下：

1) 由于该工程地质条件复杂，场地表层覆盖砂层厚、岩溶发育强烈。若地连墙施工遇到溶洞发生坍塌，容易危及到一线闸既有建筑物变形及安全。故在施工二线闸地连墙前，每槽地连墙均采用超前钻查明每个槽段嵌入岩层是否存有溶洞、土洞，并对已探明岩溶区域，对地连墙两侧槽壁进行预注双液浆填充固化[5]，中间部位采用预注水泥浆的处理方法，从而提高抗岩溶局部坍塌的能力。

2) 为确保二线船闸施工上游引航道纵向围堰及支护结构不断航，采用延伸法先行施工钢栈桥片平台，进而利用钢栈桥平台施工复合挡土墙结构中的大直径钢管桩形成上游纵向围堰；为顺利施工基坑支护结构提供了有力的保障措施，也确保了相邻的一线船闸运营不断航[6]。

4 对一线船闸影响的有限元分析

4.1 计算模型

采用实体单元模拟各土层，地连墙、支撑、立柱及连板采用梁单元模拟，并假定各土层均服从修正-摩尔库伦屈服准则，地连墙、立柱、支撑及连板则假定为弹性体。模型的边界条件为：底边固定约束、两侧法向约束、上部自由。对于一线船闸经加固后的土层简化为复合土体，采用Midas/GTS NX内嵌的加强土模型模拟。

施工顺序模拟过程为：① 初始应力场获取，且位移清零；② 二线船闸地连墙施工；③ 基坑开挖和支护体系施作。

4.2 计算参数

根据地质勘探资料结合工程经验给定各土层的计算参数[7](见表2所示)。

表2 计算参数取值

4.3 计算结果分析

1) 上闸首门库段开挖

二线船闸上闸首门库段基坑支护体系包含左侧格栅式双排地连墙、右侧单排地连墙、3道支撑和7道立柱。上闸首门库及一线船闸既有建筑物有限元模型如图4所示。各土层及支护结构参数根据表2选取。

图4 上闸首门库及一线船闸建筑物有限元模型示意

一线船闸上闸首及门库地基经加固处理后开挖二线船闸上闸首门库段基坑。开挖完成后一线船闸上闸首及门库变形情况如图5所示。

(a)水平位移

(b)竖向位移

经计算分析可知，一线船闸上闸首及门库地基经加固处理后再开挖二线船闸上闸首段基坑时，一线船闸上闸首门库产生的最大水平位移为10 mm，最大沉降为7.66 mm，均发生于门库临近二线船闸侧顶部；上闸首产生的最大水平位移为0.87 mm，最大沉降为0.49 mm，均发生于上闸首临近二线船闸侧底部。由此可见，二线船闸上闸首基坑开挖对一线船闸既有建筑物变形影响较小。

2) 上闸首普通段开挖

二线船闸上闸首普通段基坑支护体系与上闸首门库段相同，上闸首普通段及一线船闸闸室有限元模型如图6所示。

图6 上闸首普通段及一线船闸闸室有限元模型示意

一线船闸闸室段地基经加固处理后开挖二线船闸上闸首普通段基坑。开挖完成后一线船闸闸室变形情况如图7所示。

(a)水平位移

(b)竖向位移

经分析可知，一线船闸闸室产生的最大水平位移为0.53 mm，发生于临近二线船闸侧顶部；最大沉降为0.044 mm，发生于临近二线船闸侧顶部。由此可见，二线船闸上闸首普通段基坑开挖对一线船闸既有建筑物变形影响较小。

3) 闸室1-1段开挖

二线船闸闸室1-1段临近一线船闸闸室，其基坑支护体系包含左侧格栅式双排地连墙、2道支撑和5道立柱及右侧单排地连墙。二线船闸闸室段及一线船闸闸室有限元模型如图8所示。

图8 闸室及一线船闸闸室有限元模型示意

一线船闸闸室段地基经加固处理后开挖二线船闸闸室段基坑(一线船闸闸室产生的变形情况如图9所示)，开挖时一线船闸闸室产生的最大水平位移为8.4 mm，最大沉降为3.2 mm，均发生于临近二线船闸侧上部。由此可见，二线船闸闸室段基坑开挖对一线船闸既有建筑物变形影响较小。

(a)水平位移

(b)竖向位移

4) 闸室2-2段开挖

闸室2-2段临近一线船闸下闸首门库，其基坑支护体系与闸室1-1段相同。闸室2-2段及一线船闸下闸首门库有限元模型如图10所示。

图10 闸室及一线船闸下闸首门库有限元模型示意

一线船闸下闸首门库地基经加固处理后开挖二线船闸闸室基坑，一线船闸下闸首及门库变形情况如图11所示。

(a)水平位移

(b)竖向位移

计算可知，一线船闸下闸首门库产生的最大水平位移为23.1 mm，发生于下闸首门库临近二线船闸侧顶部，下闸首产生的最大位移为16.0 mm，发生于下闸首近二线船闸侧顶部；下闸首门库产生的沉降较小，而下闸首临近二线船闸侧上部产生的最大沉降为13.1 mm。由此可见，二线船闸闸室段开挖对一线船闸下闸首及门库变形有影响，但仍变形满足规范[8]要求。

5 对一线船闸影响的现场监测分析

为及时掌握二线船闸施工时一线船闸的变形动态，在二线船闸施工前对一线船闸上闸首及门库、下闸首及门库、闸室及上、下游导航墙顶部布置了63个位移观测点，用于监测二线船闸施工期间一线船闸及中间土体的位移发展情况。

根据监测数据，二线船闸施工过程中一线船闸上闸首门库、上闸首、闸室、下闸首、下闸首门库等的累计水平位移量介于-3.0～22.9 mm之间，其中上闸首门库段建筑物累计水平位移量在-3.0～22.9 mm间；上闸首普通段各测点累计位移量介于-2.3～3.5 mm之间，变形量较小；下闸首普通段各测点累计位移量介于2.2～7.9 mm之间，位移量较小；下闸首门库段临近二线船闸侧各测点累计位移量介于0.3～18.6 mm。

二线船闸施工过程中一线船闸上闸首门库、上闸首、闸室、下闸首、下闸首门库等的累计沉降量介于0.15～10.89 mm之间，其中上闸首门库段建筑物累计沉降量在2.51～10.89 mm之间；上闸首普通段各测点累计位移量较小，介于3.55～5.06 mm之间；闸室段临近二线船闸侧各测点累计位移量介于0.51～5.61 mm之间；下闸首普通段各测点累计位移量介于2.65～5.44 mm之间，位移量较小；下闸首门库段临近二线船闸侧各测点累计位移量介于1.81～7.74 mm。

有限元计算结果与实测结果对比分析见表3，由表3可见，二线船闸施工对一线船闸建筑物虽有影响，但影响较小，计算结果与实测结果较吻合。

表3 一线船闸基坑开挖邻近建筑物位移统计 mm

6 结语

广东某二线船闸与既有一线船闸平行布置，二线船闸门库与一线船闸门库最近距离为6.28 m，二线船闸围护结构距一线船闸最近仅1 m，场地地质条件复杂，二线船闸基坑采用双排连续墙+内支撑支护方案，本文采用有限元方法分析了二线船闸基坑施工对一线船闸既有建筑物的影响，并结合现场监测数据进行了对比分析。主要结论如下：

1) 总体而言，二线船闸基坑采用双排连续墙+内支撑的支护方案，其开挖施工对一线船闸有一定影响，但影响较小。

2) 一线船闸上闸首产生的最大水平位移仅10 mm、最大沉降仅7.66 mm。观测期内，上闸首累计位移量最大值为22.9 mm、最大沉降量为10.89 mm，均满足变形要求，说明了支护方案的可靠性。

3) 相对其他部位，二下船闸施工对一线船闸下闸首和门库的影响最大，水平位移最大达23.1 mm，最大沉降量达到13.1 mm，实测最大水平位移为18.6 mm、最大沉降达7.74 mm。实测值与计算值基本吻合，二线船闸施工对一线船闸下闸首变形影响较明显，但仍满足规范变形要求。