青藏高原深水橋筑島基坑復(fù)合支護(hù)全過程力學(xué)行為分析

羅振平 李志成 王家鑫 寧選濤

(1.中鐵十九局集團(tuán)第六工程有限公司，江蘇 無錫 214028；2.淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223003；3.江蘇省交通運(yùn)輸與安全保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223003)

0 引言

拉林鐵路(Lhasa-Linzhi Railway)，簡稱拉林線，是中國一條連接西藏自治區(qū)拉薩市拉薩站至林芝市巴宜區(qū)林芝站的國鐵Ⅰ級(jí)單線電氣化快速鐵路，是川藏鐵路的重要組成部分，全長433km。本文依托工程為“新建鐵路川藏線拉薩至林芝段LLZQ12標(biāo)段多卡3號(hào)特大橋6～13號(hào)深水墩基礎(chǔ)承臺(tái)筑島及深基坑鉆孔樁圍堰施工”，以其中12號(hào)墩為例進(jìn)行全過程力學(xué)行為分析。

1 工程概況

依照設(shè)計(jì)圖紙及施工研究，計(jì)劃施工時(shí)采用筑島作為施工平臺(tái)，然后進(jìn)行鉆孔樁施工，之后進(jìn)行承臺(tái)外圍的圍護(hù)樁施工。承臺(tái)基坑周圍設(shè)置Φ1.25m的 C30鋼筋混凝土圍護(hù)樁。圍護(hù)樁間距 1.5m，其上端設(shè)置鋼筋混凝土冠梁。在圍護(hù)樁兩側(cè)設(shè)置Φ500mm高壓雙液旋噴樁進(jìn)行止水。當(dāng)圍護(hù)樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行承臺(tái)基坑開挖，并在開挖過程中設(shè)置內(nèi)支撐，完成后施工封底混凝土。當(dāng)封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到 85%時(shí)，進(jìn)行承臺(tái)、墩身施工。

為確保基坑安全，選取深度最大的12號(hào)墩基坑進(jìn)行計(jì)算，其基坑圍護(hù)樁及內(nèi)支撐布置如圖 1所示。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告及施工單位提供的資料，橋址處的地質(zhì)資料及土層參數(shù)如表 1所示(參數(shù)均按較不利情況取值)。

圖1 多卡3號(hào)橋12號(hào)墩基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平立面布置示意圖(單位：cm)

表1 12號(hào)墩基坑處地質(zhì)資料及有關(guān)參數(shù)

2 筑島基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)開挖分析

12號(hào)墩承臺(tái)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)包括鋼筋混凝土排樁、冠梁及內(nèi)支撐。排樁直徑 1.25m，采用 C30鋼筋混凝土鉆孔樁。內(nèi)支撐共設(shè) 4道，第一、二道內(nèi)支撐形式相同，第三、四道內(nèi)支撐形式相同，均采用雙拼工40a工字鋼設(shè)置。以下對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性檢算，共分為7種工況，具體見表2。

表2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算況

以工況4為例，驗(yàn)算支護(hù)結(jié)構(gòu)受力：

計(jì)算采用ANSYS大型結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件。工況4時(shí)，第一～三道內(nèi)支撐施工完成，開挖至第四道內(nèi)支撐下0.2m處，未設(shè)第四道內(nèi)支撐，計(jì)算模型如圖 4-21所示。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)工況 4 計(jì)算模型

工況4時(shí)，內(nèi)支撐最大應(yīng)力 232MPa，如圖3左所示，大于鋼材容許應(yīng)力188.5MPa，但應(yīng)力最大處(第三道內(nèi)支撐長邊節(jié)點(diǎn)處)存在應(yīng)力集中，計(jì)算應(yīng)力不真實(shí)，實(shí)際應(yīng)考慮消峰作用(最大應(yīng)力在很小范圍內(nèi)迅速減小至 134MPa)，如圖3右，實(shí)際應(yīng)力滿足要求。

圖3 基坑內(nèi)支撐工況 4應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位：MPa)

工況4時(shí)，圍護(hù)樁最大彎矩 803kNm，位于長邊圍護(hù)樁的中部，如圖 4-23所示。冠梁最大彎矩 1158kNm，位于長邊中點(diǎn)附近，如圖4所示。

圖4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)工況 4圍護(hù)樁彎矩計(jì)算結(jié)果(單位：kNm)

3 全過程受力情況分析結(jié)果

按照舉例計(jì)算的工況4方式，分別建立模型分析，得出各工況內(nèi)力與彎矩情況列于表3。

表 3 各工況時(shí)圍護(hù)樁軸力彎矩?cái)?shù)值計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)(彎矩：kNm，軸力kN)

綜上所述，圍護(hù)樁、冠梁及其內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)在各工況時(shí)的全力學(xué)行為安全性均滿足相關(guān)要求。但個(gè)別指標(biāo)接近限值，故提出優(yōu)化性方案：

(1)第三道內(nèi)支撐橫梁與內(nèi)部桿件連接處進(jìn)行局部加強(qiáng)。

(2)第三道與第四道內(nèi)支撐內(nèi)部桿件間增加豎向聯(lián)結(jié)桿，可采用雙拼工 40a，以加強(qiáng)其面外穩(wěn)定性。

(3)適當(dāng)加強(qiáng)第一二道內(nèi)支撐，對(duì)改善第三四道內(nèi)支撐、冠梁及圍護(hù)樁受力均有一定效果。

4 結(jié)語

采用ANSYS數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)多卡3號(hào)特大橋12號(hào)墩基坑進(jìn)行了全過程受力分析優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果對(duì)本工程施工有重要指導(dǎo)作用。

(1)排樁旋噴樁帷幕復(fù)合支護(hù)+內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)可以適用在含有粉砂層地質(zhì)的環(huán)境下，采用筑島圍施工，在應(yīng)用經(jīng)濟(jì)簡單的筑島施工方法同時(shí)，可有效保證基坑防水和擋土的雙重作用。

(2)計(jì)算結(jié)果支持先撐后挖施工順序，減少周邊環(huán)境的影響。同時(shí)，由于最大受力情況隨工況變化存在一定起伏，監(jiān)測(cè)依然不可或缺，同時(shí)也應(yīng)該及時(shí)采取措施保證施工安全。