船閘施工過程中地質突變的處理方案

田建柱

(中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007)

工程建設中，實際開挖揭露的地質情況與原勘察成果相差較大的情況是經常出現的。這一方面是受成本影響，所布置的勘察鉆孔數量有限[1]；另一方面部分地區地質情況本身復雜多變。施工過程中發現的地質突變情況不同于設計過程中的地質變化情況，前者有突發性、邊界條件更荷刻、方案選擇受制于已有施工條件和工期要求以及費用控制要求等特點，而后者則可以從容地選取最佳方案進行設計[2]。因此，處理好施工過程中出現的地質突變問題，是設計人員必須面對的挑戰和提升專業水平的重要機遇。

土質地基局部出現軟土或可液化土層，這種情況主要發生在平原地區，如在江蘇省較為常見，在山東省則較少見；斷層等地質構造引起的巖面突然起伏，這種情況主要出現在山區；深厚含淤泥砂層等軟弱層，這種情況在江西等地曾出現；風化槽、斷裂帶等，廣泛存在于山區、丘陵等地區，且對工程影響巨大，往往造成設計方案推倒重來。本文以風化槽引起的地質突變情況為例，結合某二線船閘施工過程中遇到的地質突變問題處理，分析船閘工程建設過程中地質突變的應對措施和設計方案的擬定。

船閘工程軸線方向尺度很大，主體長度一般在300 m左右，上、下游引航道長度一般在500 m左右，無論是主體結構還是引航道，都可能遇到地質突變的情況，根據筆者經驗，相對于閘首、閘室等主體結構，由于受結構橫河向尺度的限制，引航道中的建筑物遇地質突變情況，處理難度更復雜一些。

1 工程概況

1.1 某二線船閘施工過程中遇到的地質突變問題

根據原地質勘察成果，某船閘工程下游主導航墻結構基于中風化含礫砂巖，地基承載力容許值為1 200 kPa，原設計采用重力式方案，擋土高度21.2 m，最大基底壓力為680 kPa；施工中開挖至基底面后，發現為全風化礫巖層，且局部超挖2 m以上，仍未出現巖基；根據原地質勘察成果，全風化礫巖層容許承載力為180～220 kPa，原設計方案已不再適用。經過兩個鉆孔的補勘，其中一孔揭露中風化礫巖層在基底面以下6.63 m，另一孔揭露中風化礫巖層在基底面以下5.68 m，基底面到中風化礫巖層之間均為全風化礫巖。原設計方案如圖1所示。

圖1 原設計方案(高程：m；尺寸：mm。下同)

1.2 限制性邊界條件

開挖邊坡坡頂原有一條施工道路，由于不允許破壞該道路，結構基坑開挖空間受限；根據工期節點的要求，該部分結構處理時間受限。

2 技術路線

考慮地質條件、工期、成本控制、邊界條件限制等工程實際情況，重力式結構仍是結構方案的最佳選擇，因此，擬定技術路線為：優化上部結構，降低基底壓力；通過地基處理提高地基承載力。

2.1 優化上部結構，降低基底壓力最大值

基礎底面的壓力，可按下列公式確定[3]。

1)當受軸心荷載作用時：

(1)

式中：pk為基礎底面的壓力；Fk為標準組合時，上部結構傳至基礎頂面的豎向力值(kN)；Gk為基礎自身重力和基礎上的土重力(kN)；A為基礎底面面積(m2)。

2)當受偏心荷載作用時：

(2)

(3)

式中：Mk為標準組合時，作用于基礎底面的力矩值(kN·m)；W為基礎底面的抵抗矩(m3)；A為基礎底面面積(m2)；pkmax、pkmin為標準組合時，基礎底面邊緣的最大、最小壓力值(kPa)。

從基底壓力的計算公式可知，可以通過降低自重從而減小Fk和Gk，使基底壓力最大值減小；也可以通過增加前趾長度，從而減小Mk，使基底壓力減小。

2.2 地基處理

根據實際地質情況，可選的地基處理方案主要有換填、PHC樁復核地基、注漿、擠密碎石樁及采用樁基等；現場地基為紅色全風化含泥砂巖，遇水軟化、崩解，黏性很高；干燥時碎石硬度很大，因此擠密類、夯實類及PHC樁復合地基等地基處理方法實施難度較大。

3 處理方案比選

3.1 拋石基床淺換填+重力式結構方案+墻后回填至39 m

該方案斷面見圖2。通過降低結構本身自重且降低墻后填土高程，以降低基底壓力最大值；通過調整前趾板的長度，使基底壓力分布更均勻；通過拋石基床淺換填，并考慮深寬修正，提高地基承載力；經計算，地基承載力、穩定、強度等均滿足要求。

圖2 拋石基床淺換填+重力式結構方案斷面

方案優勢為：結構簡單，工程量較小，造價低廉；相對于原設計，結構形式仍為重力式，對施工工藝影響不大；對邊坡安全影響較小。方案不足為：采用輕型重力式結構，配筋量會有大幅提高，尤其是前趾板底板拉應力較高；另外擋土能力有限，墻后填土高程降低較多，對后期墻后土地使用有一定影響。

3.2 支護后深開挖方案

該方案斷面見圖3。采用深開挖和重力式結構，建于基巖面上；該重力式結構通過前趾前伸、墻后設卸荷平臺等措施調節基底壓力分布，使其趨于均勻；基坑深挖前，通過兩排灌注樁進行基坑支護。經計算，地基承載力、穩定、強度等均滿足要求。

可知，此年齡款的作品都屬于該年份作品（共16件），加上3件有“港九美術界勞軍一九四九年十一月”“李鐵夫年八十以后所作”印章的作品，可確認為1949年創作的書法作品為19件。

圖3 支護后深開挖方案斷面

方案優勢為：擋土功能更強，對地基處理更徹底，結構建成后超載能力強。方案不足為：工程量較大，工序較多，施工復雜，工期長，造價高。

3.3 灌注樁基礎方案

該方案斷面見圖4。通過縮小墻體斷面，減少墻體自重和混凝土用量；基底設間距3 m直徑為1.8 m的灌注樁基礎，樁底嵌入基巖。經計算，樁基承載力、強度和墻體強度等均滿足要求。

圖4 灌注樁基礎方案斷面

方案優勢為：可以避免大規模開挖；采用樁基連接墻體與基巖，連接更可靠。方案不足為：局部基樁軸力較大，工序較多，施工復雜，工期長，造價高。

3.4 PHC樁復合地基方案

該方案斷面見圖5。采用PHC樁復合地基，提高地基承載力；同時優化墻體斷面，減小基底壓力；經計算地基承載力、結構強度等均滿足要求。

方案優勢為：可以避免大規模開挖；充分利用原地基承載力，施工工藝成熟，施工難度不大，施工速度較快；造價中等。方案不足為：經有限元分析計算，水平位移較大；結合當地實際情況，考慮存在較大孤石的可能，有PHC樁無法打入的風險。

圖5 PHC樁復合地基方案斷面

3.5 注漿處理方案

該方案采用往地基中注入水泥漿，提高地基承載力，注漿孔平面布置見圖6。

方案優勢為：可以避免大規模開挖；充分利用原地基承載力，施工工藝成熟，施工速度較快；造價低。方案不足為：當地全風化巖層中黏粒含量高，水泥漿擴散難度大，方案可行性比較差。

圖6 注漿孔平面布置(單位：mm)

3.6 拋石基床淺換填+空箱式墻體方案+墻后回填塊石

圖7 拋石基床淺換填+空箱式墻體方案斷面

方案優勢為：墻體自重、重心可調，施工完成后可以根據變形觀測情況，必要時通過調整箱體內的填充料，改善結構工作狀態，結構可靠度高；避免大規模開挖；充分利用原地基承載力，施工工藝成熟，施工速度較快。 方案不足為：墻后大部分須回填塊石，造價略高；箱體結構模板工作量較大。

3.7 部分方案投資估算對比

部分方案投資估算為：水泥注漿處理方案為1 872.64萬元，支護后開挖方案為2 517.52萬元，樁基方案為2 636.20萬元，淺換填+空箱墻體方案為2 145.19萬元，PHC樁地基處理方案為2 267.86萬元。

3.8 方案確定

從可行性、可靠性、后期可維護性、經濟性等方面綜合考慮，最終設計推薦方案為淺換填+空箱墻體方案。

4 計算及靜載荷試驗情況

4.1 抗滑、抗傾、地基應力計算

抗滑、抗傾和地基應力計算結果見表1[4]。

表1 抗滑、抗傾和地基應力計算結果

4.2 有限元分析

有限元模型見圖8，整體與局部沉降云圖見圖9，內力計算結果見表2。根據圖9b)，最大沉降值為45 mm。

圖9 整體與局部沉降云圖

表2 內力計算結果

4.3 靜荷載試驗

經地基承載力靜荷載試驗，得出承載力特征值為350 kPa。因此，地基承載力滿足要求。

5 結語

1)地質突變問題一般從兩方面考慮：調整結構、適應新的地質情況；通過地基處理，提高地基的承載力等指標。

2)擬定方案時要充分考慮方案的可行性、可靠性、后期可維護性、施工便捷性等，以避免在不可行方案上浪費時間和精力。

3)重力式結構可以通過加長后趾提高抗滑穩定性、通過加長前趾提高抗傾穩定性和降低最大基底壓力。

4)樁基承臺式墻體結構用于擋土時，水平位移不易控制。

5)空箱結構墻體加淺換填方案，可以通過調整內部填料調整結構自身的重心和自重，可以靈活地適應較廣泛的地基情況，尤其對于邊界條件苛刻的情況，更有優勢；目前該船閘已通航，導航墻狀態正常。