澳門某工程取水口水上基坑設計

張逸帆，顧寬海

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

隨著水上工程以及水陸交界區域工程越來越多，尤其在海邊度假區的土建工程、船塢和船閘工程、取排水口工程等，涌現出越來越多的水上基坑建設項目。傳統水上施工一般采用大圍堰施工方案，但周邊場地受限或施工時間受限時，則可以考慮采用水上基坑施工方案，其具有影響范圍小、總工期短、造價相對較低等優點。

由于水上基坑處于水陸交界處或直接位于水域中，工程面臨波浪、潮流等荷載作用，其設計方法與陸上基坑有較大差異。一些學者[1-2]已經對臨水基坑的設計進行了研究，但是臨水基坑的技術經驗與水上基坑有所不同。為解決臨水深基坑所面臨的技術難題，近年來也有不少學者對此進行了研究。李小軍等[3]針對船塢塢口所面臨的波浪、水流、環境等條件，提出塢口水上鋼板樁基坑圍護方案；丁勇春等[4]采用平面有限元模型計算了塢口水上基坑的力學性能；雷華陽等[5]分析了水上基坑開挖對自身圍護結構及臨近橋樁的影響規律；李森平等[6]總結了水上基坑的施工關鍵技術。總體上，針對水上基坑的研究還較少。

本文總結現有成功的水上基坑案例，歸納出一套完整的基坑圍護設計方案。結合澳門某工程水口基坑圍護工程，利用彈性地基梁計算方法和數值模擬計算方法，分別分析在無動水條件下、水流波浪條件下圍護結構的變形和受力特性。在此基礎上，分析了圍護樁剛度和坑底加固參數的敏感性。

1 水上基坑設計特點和總體方案

1.1 設計特點

水上基坑與陸上基坑開挖有著顯著的區別。陸上開挖時，基坑外側是土體，地下水位基本保持穩定；而水上基坑外側是水體，并且水體的水位是不斷變化的，同時水上基坑會受到風浪和波浪等諸多因素的影響，導致水體周圍的荷載是不均勻的。水上基坑圍護設計的重點和難點是保持水體周圍荷載的均衡，避免支撐體系失衡。

1.2 總體方案

根據對現有成功的水上基坑案例的總結，水上基坑一般由4個體系組成，分別為：圍護樁體系、內支撐體系、反壓體系和坑底加固體系。

1)圍護樁體系。圍護樁是基坑圍護中的擋土擋水結構，在陸上基坑開挖中，主要有板式支護體系圍護樁結構、水泥土重力式圍護樁結構、復合土釘圍護樁結構等。而在水上基坑中，水泥土重力式圍護樁、復合土釘圍護樁、水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁均以土為基礎；灌注樁成孔或地下連續墻成槽的穩定性難以保證，一般不予以考慮。因此在水上基坑中，一般采用剛度較大的雙排鋼板樁、組合鋼板樁、鋼管樁等圍護樁結構，并在墻頂設置圈梁，構成一個統一的整體。

2)內支撐體系。在內支撐體系布置上，為抵抗整個圍護體系在波浪作用下可能形成的微小擺動以及防止支撐桿件受拉造成的失穩，第一道圈梁及支撐應采用鋼筋混凝土結構，以保證整個支撐體系的剛度；下部內支撐體系可采用鋼支撐體系，并應盡可能加快支撐安裝的施工速度，同時須保證所有支撐及圍檁之間全部焊接。

3)反壓體系。水上基坑大多處于大堤附近，對基坑周邊負荷平衡有很高的要求，因此需要采取削坡卸載、拋填加壓或修筑人工島，最大限度保持泥面高程一致，保證基坑周邊荷載的平衡。為了保證反壓體系的穩定和施工速度，在進行拋填加壓時，常規選用袋裝砂、碎石或塊石。

4)加固體系。水上基坑通常位于軟土地區，坑底土體抗剪強度較低，開挖時坑底處通常變形較大。單純通過增加圍護結構剛度、支撐剛度及插入深度等措施來控制變形的效果一般，加固坑內被動區在一定程度上能控制基坑變形。根據地質情況可以采用雙軸攪拌樁、三軸攪拌樁、高壓旋噴樁等加固方法。

2 工程案例

2.1 工程概況

澳門某工程因建造取水泵房須進行水上基坑開挖。基坑部分位于海中，部分位于原大堤上。陸域高程約3.0 m，人工島圍堰頂高程約4.5 m，海域泥面高程約0.0 m。基坑平面呈矩形，長×寬為23 m×27.83 m，坑底高程-11.25 m，基坑開挖深度14.25 m。

現行規范建議：受潮汐影響的基坑，其臨水側基坑外設計水位宜取25 a一遇高、低潮位。工程場地25 a一遇校核高水位4.54 m、設計高水位3.15 m、設計低水位0.85 m。校核高水位下設計波要素見表1。工程場地為填海形成陸地，整體地形較為平緩，屬于海岸平灘地貌，土體物理參數取值見表2。

表1 波浪設計要素

表2 土體物理參數

2.2 設計方案

本工程部分位于原大堤、部分位于海中，基坑深度深，水壓力大、水源補給豐富，不易補救，技術風險大；另外所處海域水深相對較淺，船舶類施工設備較難停留長時間施工，也需要部分的陸上施工場地。為此設計應考慮采用人工島基礎上的鋼板樁+內支撐體系基坑方案。基坑平面布置見圖1。

圖1 基坑圍護平面(高程：m；尺寸：mm。下同)

鋼板樁圍護樁采用組合型鋼板樁，樁鎖扣內涂刷防水材料，以滿足強度、剛度和止水需求；內支撐體系由1道鋼筋混凝土+3道鋼支撐組成，采用對撐加角撐的方案布置；人工島圍堰采用沖填大砂袋做圍堰，待圍堰形成后再吹砂形成人工島；為提高坑底下土體的土抗力而減少鋼板樁圍護樁的變形，在坑內采用格柵型旋噴樁進行地基加固，加固體深度為5 m，置換率約50%，具體剖面見圖2。

圖2 基坑圍護斷面

3 計算驗證與分析

3.1 計算原理

假定基坑外側的土體和和水文保持基本穩定。按現行規范要求，對基坑斷面的計算主要采用豎向彈性地基梁法。彈性地基梁模型以圍護樁、支撐及被動土彈簧組成受力體系，外側水土壓力作為荷載，通過建立梁曲線方程求解圍護結構變形內力。

而水上基坑臨水側由于受到波浪作用，臨水側圍護樁分別受“靜水壓力+波峰壓力”和“靜水壓力+波谷拉力”兩種工況作用。由于工況不同，圍護樁的內力和變形都會產生明顯的差異，這樣受到波浪的沖擊作用，會出現基坑兩側的壓力不同，導致整個圍護體系出現擺動的趨勢。擺動變形如果達到一定的量值，必然導致支撐體系的失穩。

影響波浪荷載大小的因素很多，如波高、波浪周期、水深、結構尺寸和形狀、群樁的相互干擾和遮蔽作用、海生物附著等。對于直接采用鋼板樁擋水擋浪的水上基坑，可以假定為直立式護面結構計算波浪力；對于采用了人工島擋水擋浪的水上基坑，可以假定為斜坡式護面結構計算波浪力。波浪力可按《海港水文規范》進行計算。

根據以上分析，常規的基坑設計方法(即先進行斷面計算，得到開挖斷面的圍壓后，將支撐體系按平面桁架進行計算)，無法考慮波浪的作用，難以滿足水上基坑的設計需要。為了對圍護樁內力和變形進行精確的分析，需要對整個基坑進行三維有限元模擬計算。

3.2 有限元建模

3.2.1模型邊界設置

基坑尺寸約為23.0 m×27.83 m。人工島陸域高程3.00 m，坑底高程11.25 m。基坑開挖的影響寬度約為開挖深度的3～4倍，影響深度約為挖深的2～3 倍。因此本模型取100.0 m×100.0 m，模型底高程取-30.0 m，以充分考慮位移邊界的影響。模型位移邊界條件如下：四周邊界水平向為位移限制邊界，豎向為自由移動邊界，底部采用全約束。

3.2.2結構參數選取

土體采用HS本構模型，該模型可以考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用摩爾庫倫破壞準則。HS模型需要土體的模型參數包括切線模量E50、割線模量Eoed和卸載模量Eur以及土體的有效應力強度指標。但在實際工程中，地質勘察報告往往只提供壓縮模量Es、快剪指標以及固結快剪指標。本文根據文獻[7]提供的經驗方法，根據土體的種類通過壓縮模量Es換算得到土體剛度參數。當軟土和淤泥壓縮模量Es=2～4 MPa時，Es:Eoed:E50:Eur=1:1:1.5:8；當黏土和粉質黏土壓縮模量Es=4～8 MPa時，Es:Eoed:E50:Eur=1:1:1:5；當砂土壓縮模量Es> 8 MPa時，Es:Eoed:E50:Eur=1:1:1:3。土體固結快剪指標值通常小于土體的有效應力強度指標值，采用固結快剪指標值代替有效應力強度指標值計算結果偏于保守，認為是合適的。

設計常規要求加固后土體28 d的無側限抗壓強度不低于0.8 MPa，本文取不低于1.0 MPa。水泥土的抗剪強度一般是由內摩擦角和內聚力來反映，它的抗剪強度隨無側限抗壓強度的增加而提高。現行規范推薦水泥土強度參數c=25～40 kPa(本文取25 kPa)，而φ=20°。水泥土的壓縮模量與無側限抗壓強度之間的關系為Es=(100～120)qu。加固后的土體參數則根據面積置換率進行加權平均得到。

采用板單元模擬鋼板樁圍護樁，基坑內支撐和立柱采用梁單元模擬，參數見表3。由于圍護樁主要受彎，其厚度通過鋼板樁抗彎截面模量等效換算得到。

(1)

式中：Wz為陸域側鋼板樁抗彎截面模量，其中AZ50型鋼板抗彎截面模量為6×5.0×10-3m3，CAZ50型鋼板樁抗彎截面模量為14.8×10-3m3；d為折算后圍護樁等效厚度。

表3 單元參數

3.2.3施工過程模擬

基坑施工工序較多，工藝復雜，施工時既需要理順基坑施工各工序間的順序，又需要確定基坑施工和主體結構施工之間的順序。該模型考慮波浪力作用對圍護樁變形和彎矩的影響，計算工況為：先利用“K0過程”生成初始應力→激活人工島土體單元→激活圍護樁和坑底加固→激活立柱樁→開挖土體到2.05 m，激活第1道內支撐體系→依次開挖土體并激活內支撐直至坑底。在高水位工況下，分別施加波吸力與波壓力。在基坑每層土開挖前，需把坑內地下水位降到開挖面以下。基坑的三維模型見圖3。

圖3 水上基坑三維模型

3.3 結果分析

對無波浪條件下彈性地基梁計算模型(工況1)、無波浪條件下有限元計算模型(工況2)、波壓力作用下有限元計算模型(工況3)、波吸力作用下有限元計算模型(工況4)共4種工況進行計算。圍護樁變形-樁長曲線、圍護樁彎矩-樁長曲線計算結果見圖4、5。

圖4 圍護樁變形計算結果

圖5 圍護樁彎矩計算結果

計算結果表明：波浪力對圍護結構的變形影響較大。在波壓力(工況3)和波吸力(工況4)的往復作用下，圍護樁坑底以上處變形有較大擺動，圍護樁頂部會反復受拉壓作用。第1道圈梁(y坐標為0處)位移變化幅度達6 mm左右，圍護樁彎矩變化幅度達200 kN·m左右。因此水上基坑圍護方案在海域側通常需要采用剛度較大的組合型鋼板樁或雙排鋼板樁結構，增加在波浪侵襲條件下外側圍護樁及支撐整體系穩定性；第1道圈梁及支撐應盡量采用鋼筋混凝土結構，以加強基坑頂部的剛度，適應拉壓變化。

4 敏感性分析

4.1 圍護樁剛度敏感性分析

為驗證臨水側鋼板樁剛度對圍護樁變形的影響，本案例分別取圍護樁截面模量為0.2Wz2、Wz2、5Wz2共3種情況進行建模計算，圖6為圍護樁變形曲線計算結果。由圖6可見，隨著圍護樁截面模量的增加，可以顯著減小圍護樁的變形。另外，波吸力和波壓力對圍護樁的變形影響主要集中在坑底以上部位，造成基坑頂部受到往復擺動的作用；在坑底以下，波浪荷載對圍護樁基本沒有影響。

圖6 圍護樁截面模量與圍護樁變形曲線

4.2 坑底加固土抗剪強度敏感性分析

為驗證加固土抗剪強度對圍護樁變形的影響，本案例分別取3種情況進行建模計算，加固體參數見表4。圖7為圍護樁變形曲線計算結果。由圖7可見，當坑底處為軟土時，加固后的水泥土的壓縮模量遠大于原狀土體，此時加固坑底對減少坑底處圍護樁的變形有很好的效果。

圖7 加固置換率與圍護樁變形曲線

表4 加固土體參數

5 結論

1)水上基坑圍護設計的重點和難點是保持水體周圍荷載的均衡。

2)水上基坑圍護方案在海域側通常需要采用剛度較大的組合型鋼板樁或雙排鋼板樁結構，第1道圈梁及支撐應盡量采用鋼筋混凝土結構，并加固坑底，以增加在波浪侵襲條件下圍護結構的穩定性。

3)波吸力和波壓力對圍護樁的變形影響主要集中在坑底以上部位，造成基坑頂部受到往復擺動的作用；在坑底以下，波浪荷載對圍護樁基本沒有影響。