联石湾船闸临时道路对基坑开挖的影响研究

温友鹏

（1.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；2.中交集团交通基础工程环保与安全重点实验室，广东 广州 510230）

随着国内沿江产业经济的发展，内河航运需求量快速增长，为改善船闸通航能力，低等级航道的升级需求日益迫切，其中包括大量旧船闸的改扩建工程。船闸基坑工程具有施工环境、施工工序复杂等特点，安全风险性较高，保护基坑主体和周边结构安全是施工重点[1-3]。

1 工程概况

1.1 建设概况

联石湾船闸位于中山市坦洲镇，1989年建成使用，船闸现状存在较为严重的安全问题，难以满足使用需求，需拆除回填旧船闸，新建1 座主体结构满足珠江干线1000 吨级船舶通航要求的船闸，船闸有效尺度为166m×16m×4.5m（长×宽×门槛水深），工程主要包括上下闸首、上下游主导航及护岸。由于施工场地狭窄，根据拟在上闸首左侧及环绕下闸首修筑一段施工便道，以满足基坑开挖、主体结构的施工车辆通行要求。由于船闸基坑尺寸较大，以下分析仅考虑下闸首，临时道路与下闸首的位置关系如图1所示：

图1 下闸首临时道路与基坑断面图

由于拟修建临时道路距离基坑较近，存在一定安全风险，因此需对道路修建对基坑开挖的影响进行分析。路基加固方案采用水泥土搅拌桩，以减小由于道路及车辆荷载挤压土体对基坑的影响，本文拟对加固方案进行验算复核并给出相应建议。

1.2 工程地质条件

联石湾船闸主要地层为第四系地层及燕山期（γ）花岗岩体，各土层特性指标见表1：

表1 主要土层特性指标统计表

2 承载力验算

本工程淤泥十字板强度标准值为18.3kPa，根据《软土地区岩土工程勘察规程》[4],计算得原状土地基承载力为55.75 kPa。

混凝土罐车按10 立方，重量按50t 计，计算荷载为37kPa。路基按永久荷载考虑，车辆荷载按活荷载考虑，根据《建筑结构荷载规范》[5]计算得临时道路地基附加荷载为81.61kPa。考虑软土路基填筑形成的硬壳层影响，计算得临时道路处理后地基承载力不低于72.24kPa。

初步加固方案为搅拌桩直径0.7m，间距1.3m，桩长16m，承载力计算相关参数如表2所示：

表2 临时道路复合地基承载力计算参数

由上述计算可得复合地基承载力93.13 kPa＞72.24kPa，满足要求，同上，搅拌桩间距取1.4m，计算得复合地基承载力87.88 kPa，仍满足要求，因此可将桩间距定为1.4m。

打设搅拌桩主要目的是将路基及车辆荷载传递至基坑以下，减小基坑开挖时临时道路对基坑变形的影响，因此采用有限元方法分别对路基未加固及采用搅拌桩加固两种情况进行计算。

3 计算模型

考虑施工的时序性及三维空间特性，采用Midas/GTS 软件建立三维有限元模型，分析修建道路对船闸基坑开挖的影响。考虑边界效应的影响，模型深度取50m，长200m，宽150m，如图2所示。

图2 下闸首三维数值模型

本工程影响范围内主要为淤泥、淤泥质土，且涉及基坑开挖与卸载，因此模型采用修正莫尔-库伦弹塑性本构，卸载模量取压缩模量的3 倍，不考虑渗流固结，模型参数取值如表3所示：

表3 计算模型参数表

水泥土设计抗压强度为800kPa，依据《地基处理手册》[6]，水泥土粘聚力取160kPa，摩擦角取20°，水泥土挡墙的内摩擦角和粘聚力根据面积置换率计算。

本船闸基坑开挖深度6.9m，模型中适当简化基坑开挖，分四层开挖，层厚分别为0.9m、2m、2m、2m。数值模拟步骤：初始地应力平衡→临时道路地基处理→修建临时道路→开挖基坑第一层土体→开挖第二层土体→开挖第三层土体→开挖第四层土体。

4 计算结果

由上述模型计算得，临时道路路基未处理，基坑开挖至坑底（6.9m）时水泥土搅拌桩支护结构变形如图3所示：

图3 临时道路未处理开挖至坑底围护结构变形云图

当采用搅拌桩处理深度16m，基坑开挖至坑底时支护结构变形及路基沉降变形如图4、图5所示：

图4 开挖至坑底时围护结构变形云图（16m 搅拌桩）

图5 开挖至坑底时道路沉降云图（16m 搅拌桩）

当采用10m 搅拌桩处理，基坑开挖至坑底时支护结构变形如图6所示：

图6 开挖至坑底时围护结构变形云图（10m 搅拌桩）

将上述临时道路地基未处理及采用16m 搅拌桩处理、采用10m 搅拌桩处理三种情况下，基坑开挖后支护结构变形结果统计如表4所示：

表4 下闸首不同工况下基坑支护结构变形

根据《建筑基坑工程监测技术规范》[7]，按二级基坑变形控制要求，由表4 可知未做地基处理情况下基坑变形不能满足要求，采用16m 搅拌桩与采用10m 搅拌桩计算结果相近，因此搅拌桩可穿过基坑开挖深度，取8 ～10m 进行加固。

5 结论

（1）联石湾船闸工程因施工需要修筑一临时道路，按二级基坑考虑，在临时道路路基及上部车辆荷载作用下基坑开挖后变形不能满足规范要求，应进行加固处理。

（2）按地基承载力计算下闸首搅拌桩处理取桩间距1.4m，桩径0.7m，三角形布置。为减小临时道路对基坑开挖的影响，采用搅拌桩能将道路荷载传递至坑底以下，通过数值分析计算，可知搅拌桩采用16m 与10m计算结果相近，因此可考虑将桩长设置为8m ～10m。