谢靖宇 洪 钊 党星赛 李会军 朱 君 杨博文 黄 俊

(1.中交隧道工程局有限公司，南京 211100; 2.河海大学土木与交通学院，南京 210098; 3.苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

在浅水区修建隧道时，常需设置临时围堰。围堰的常见类型有土石围堰、钢筋混凝土围堰、钢板桩围堰等。采用定位桩与钢板桩构成的围堰共同承受水流、波浪的冲击和土压力作用，可确保钢板桩围堰不会在软弱淤泥中发生整体倾覆，降低了风浪对预制承台的安装影响，可有效延长海上作业时间，实现了大型跨海大桥围堰施工工厂预制标准化、现场安装装配化[1]。双排钢板桩围堰作为一种重力式支护结构，通过将两排钢板桩打入水中，在两排钢板桩间设置拉杆并填土，使其起到支撑作用且具挡水特性，现已广泛应用于市政工程及水利工程领域[2]。

针对双排土芯钢板桩的变形特点，侯永茂等分析加固围堰内侧土体对控制围堰变形的作用，认为双排钢板桩围堰变形较大，具有显著的三维空间效应[3]；
朱艳等研究深厚淤泥质软土地基条件下双排钢板桩围堰的变形特性，在淤泥地层施工时打入桩施工和桩身止水性能都能得到保证，但有发生较大桩身整体变形的可能，应考虑内侧坑底加固，以避免踢脚稳定性破坏[4]。

针对不同工序对钢板桩变形的影响，徐顺平等研究软土地基条件下双排钢板桩围堰在5种不同抽水速率工况下变形和应力[5]；
罗毅等建立有限元模型，分析海域双排钢板桩围堰与明挖基坑变形特征和相互影响规律[6]；
赵挺生等针对工程实例，建立SAP2000三维有限元模型，并将现场监测数据与获得的各工况下钢板桩围堰及其内支撑体系的结构变形、构件受力和整体振型进行比较[7]；
崔春义等通过建立有限元数值模型，对不同水位下钢板桩围堰在加载过程中的受力变形特征进行分析[8]；
张政伟等通过分析工程实例中钢板桩围堰变形监测数据及数值模拟，得出围堰支护施工过程中的最不利工况，认为围堰内支撑轴力受基坑周边荷载的影响明显[9]。

在复杂荷载作用下，双排钢板桩围堰的变形较明显，不同工序下迎水面、背水面钢板桩的变形特性存在一定差异，其机理尚不明确。以下利用PLAXIS 3D建立了数值模型，对竺山湖隧道的双排钢板桩围堰进行模拟，研究围堰迎水面、背水面钢板桩在围堰内侧降水、基坑开挖等工序下的变形特性及内力分布情况，以期揭示其危险截面及其变形机理，并提出有针对性的建议。

341省道无锡马山至宜兴周铁段设置竺山湖特长隧道1座，总长7 680 m，其中湖区段长5 980 m，采用100 km/h的双向六车道一级公路标准设计。湖底相对较平，线路区经过湖域段平均水深2.2～2.5 m，流速较小，全年均在0.01～0.10 m/s量级。该隧道采用明挖法施工，沿路线方向湖域内设置纵向围堰，与路线大致平行，总长度约为湖面宽度的1/2，纵向围堰与基坑开挖边线的距离≮2倍基坑深度。围堰内隧道采用多仓流水施工的方式，各仓间设置1道横向围堰，单侧形成4个独立围堰分仓。临时大堤段平面见图1(a)。双排土芯钢板桩围堰桩顶高程为5.074 m，采用SP-IVw型拉森钢板桩，桩间距6 m，桩长15.5 m，插入地下10 m，围堰断面示意见图1(b)。

图1 临时大堤段及围堰示意(单位：mm)

2.1 土体本构模型

选择土体硬化模型，该模型的基本特征是考虑了土体刚度的应力相关性，也结合了三轴模型试验的相关结果。相较于其他类型的模型相比，土体硬化模型不仅可以表现出主偏量引起的不可逆应变，也能在土体压缩的过程中进行压缩变形的模拟，该二阶模型可用于模拟砂土、碎石土，也可用于模拟黏土和淤泥等软土，能更真实地反映土体的非线性特性[10-12]。

在土体硬化模型中，三轴加载下的竖向应变ε1和偏应力q之间为双曲线关系，有

(1)

式中，qa为抗剪强度渐进值；
E50为主加载下与围压相关的刚度模量。E50计算公式为

(2)

式中，σ3为主应力。

卸载刚度模量和再加载的应力路径采用的应力相关刚度模量关系为

(3)

根据钻探揭露，围堰断面土层主要强度参数见表1。

表1 土层抗剪强度(直剪快剪)参数及压缩性质指标

各层土体的土体硬化模型刚度参数见表2。

表2 各土层土体硬化模型刚度参数

2.2 结构单元及参数

模型使用PLAXIS 3D中的板单元结构模拟钢板桩，梁单元结构模拟钢拉杆。模型中各个结构的参数见表3。

表3 结构参数取值

2.3 模型尺寸与边界

模型土体尺寸为 130 m×30 m×20 m，土体宽30 m，单根钢板桩宽0.6 m，迎水面、背水面各50根；
设有25根钢拉杆，双排土芯钢板桩的总体尺寸为6 m×30 m×15.5 m。在钢板桩两侧创建正向界面单元，模拟桩与土的相互作用。模型边界条件：底面以及4个侧面设置固定约束，底面以及4个侧面设置固定约束，渗流表面设置地下水渗流边界条件(见图2)。

图2 模型边界条件示意

2.4 网格划分

数值模型的网格划分见图3，单元数为45 659个，节点数为70 050个。

图3 网格划分示意(单位：m)

2.5 施工步骤

模型各阶段按现场的施工过程来设置，具体工序如下。

(1)打设钢板桩：围堰的插入比为1.8(处于1.5～2.0之间，取值偏安全)[15-16]，该阶段激活钢板桩结构，加载类型选择分步施工。

(2)回填并安装拉杆：该阶段激活两排钢板桩之间的填土以及钢拉杆结构，加载类型选择分步施工。

(3)围堰内侧抽水：该阶段通过取消双排土芯钢板桩围堰内侧的荷载来模拟抽水，外侧荷载保持不变，加载类型选择分步施工。

(4)堰脚堆土及基坑开挖：该阶段激活堰脚加固的土体，将开挖部分的土体设置为停用状态。开挖深度为12.38 m，基坑总宽44 m，坡度为1∶1.5。

抽水后整体钢板桩的水平位移和弯矩见图4，钢板桩在各个工序下计算的最大值见表4。

图4 钢板桩水平位移及弯矩(抽水)

表4 钢板桩各个工序下计算最大值

由图4可知，背水面的钢板桩位移大于迎水面，钢板桩地表以上部分水平位移呈现中间大顶部小的现象。

弯矩峰值出现在钢板桩与土的交界面处和钢拉杆处，这两处是钢板桩的危险截面。由表4可知，钢板桩的位移和内力在抽水时的变化最为明显，故应当重点关注抽水后由于两侧水位不等引起的钢板桩变形。

监测点布置于与围堰回填土面水平的钢板桩上。一般段间距为50 m。软土段、转角处适当加密。南北侧钢板桩每个断面布置4个点，每侧布置2个。

钢板桩水平位移监测点观测采用三角高程测量方法，控制网及监测点观测均按TB10101—2018《铁路工程测量规范》[17]二等水平位移监测网技术要求观测。

考虑到实际工程中不会出现较高应力的情况，故按实际设计的情况作为边界条件进行验证和研究。

施工过程中钢板桩测斜点CX7570.1桩体水平位移见图5，监测结果反映了钢板桩在地表以下的位移情况，由图5可知，水平位移值最大值为5.5 mm。现场实测值与数值模拟结果的对比见图6。由图6可知，二者总体趋势较为一致，模拟值相比现场实测值数据偏小，这主要是因为数值模拟未能充分考虑土体的变形特点，土体参数与现场的实际土体中存在一定差异。

图5 CX7570.1测点桩体水平位移

图6 水平位移对比

为了更详细地探究迎水面及背水面2根钢板桩不同位置的受力和变形情况，在板单元迎水面和背水面选取2个剖面，分别代表2根钢板桩，其中剖面A在背水面钢板桩处，剖面B在迎水面钢板桩处(见图7)。

图7 剖面位置示意

图8(a)为剖面A位置钢板桩不同工序时的水平位移。第1工序时(打桩)，钢板桩没有明显的位移；
第2工序时(回填)，桩体位移的最大值位于钢板桩所在地表高程和钢拉杆高程之间，由于钢拉杆以及土体对钢板桩的变形产生约束作用，使得桩体出现了这种中间向外凸出的复合变形现象；
在第3工序时(抽水)，由于抽水后钢板桩两侧水压力的变化，中间凸出部分位移有所增加，且降水速率的快慢，对围堰钢板桩水平位移累计量的影响较为明显；
第4工序时(基坑开挖)，对钢板桩的影响较小。

图8(b)为剖面B位置钢板桩在不同工序下的水平位移。可以看到迎水面的钢板桩位移明显小于背水面，在第2工序时，桩体中间向外凸出；
在第3工序后，由于水压力的影响，凸出的部分向内偏移；
第4工序对围堰变形的影响较小。罗毅等的研究中，基坑与双排钢板桩围堰之间距离8 m，留作施工平台。基坑与围堰之间距离较小时，由于地连墙的约束作用，围堰与基坑的距离减小后钢板桩围堰的变形也会相应有所减小；
但当围堰与基坑的距离超过一定范围后，基坑和钢板桩围堰之间的相互影响就比较小。本工程中围堰内基坑深度为12.38 m，基坑总宽44 m，采用分台阶放坡开挖，基坑两侧以1∶1.5的边坡至高程-0.574 m处设2.5 m宽马道，平台向上以1∶1.5的坡率至基坑顶部，基坑顶部与双排土芯钢板桩围堰的距离大于50 m，基坑开挖对围堰的变形影响较小。由此可以看出，在实际工程中，当基坑较小时，可通过减小施工平台宽度和增大基坑内支撑刚度等方式来减小钢板桩围堰变形；
对于大断面基坑开挖，应在围堰与基坑之间设置较长的距离来减小围堰的变形。

图8 钢板桩不同工序水平位移(单位：m)

钢板桩不同工序弯矩分布见图9，由图9(a)可知，由于钢拉杆的支撑作用，迎水面钢板桩在钢拉杆的位置产生显著的正向弯矩。由图9(b)可知，弯矩的最大值出现在背水侧钢板桩在地表所在高程处，故应在抽水后进行堰脚堆土，围堰内侧土体加固可以有效地限制双排钢板桩围堰的变形。对堰脚加固后，该处的弯矩有所减小。

图9 钢板桩不同工序弯矩分布

通过数值模拟对竺山湖隧道施工钢板桩围堰进行研究，并着重分析了围堰迎水面、背水面钢板桩在不同工序复杂荷载作用下的变形及内力，总结了双排钢板桩的变形特性，结论如下。

(1)围堰的变形区域主要位于钢板桩在地表高程和钢拉杆高程之间，呈现为中间凸出的复合变形特征。

(2)围堰的受力集中于钢拉杆支撑处以及钢板桩近地表处，其中围堰背水面钢板桩的堰脚处弯矩最大，应有针对性地进行加固。

(3)迎水面钢板桩位移较小，背水面钢板桩位移较大。在水压力的作用下，迎水面钢板桩桩顶处产生了向围堰内侧的位移，背水面钢板桩桩顶处产生了向围堰外侧的位移。

(4)抽水过程中双排钢板桩的位移和内力变化最为明显，应特别关注此阶段围堰的稳定性。

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