沉管對接端深基坑支撐拆除受力分析

仇正中，韓鵬鵬，劉陪陽

（1、中交第二航務工程局有限公司，湖北武漢，430040；2、中交第二航務工程局有限公司第五工程分公司，湖北武漢，430040；3、長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北武漢，430040；4、交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北武漢，430040）

引言

沉管管節對接端深基坑位于陸上暗埋段與水中沉管段連接處，提供陸上段主體結構施工場地及其與沉管管段對接作業空間。深基坑圍護結構由防滲墻、鎖口鋼管樁及支撐組成，當陸上段主體結構施工完成后，需將圍護結構拆除，完成首節沉管與陸上段主體結構對接。對接端圍護結構拆除施工風險大、工序多、作業時間長，如支撐拆除、鎖口鋼管樁拆除、塑性止水墻拆除、對接端清理及對接端整平等工序，絕大部分施工工序需順序作業，對工期影響較大。

支撐拆除是對接端圍護結構拆除的首要工序，支撐拆除的施工工藝主要有3 種，對接端回水至基坑內外水位平齊，水下切割支撐；對接端回填飽和砂至支撐下部，吊機進入，干施工環境拆除支撐，如天津海河沉管隧道[1]；對接端回水至支撐下部，通過浮箱平臺拆除支撐[2]。采用水下拆除方案，對接端圍護結構受力清晰，拆除過程結構安全，但是潛水作業受水深、水溫及裝備限制，施工工期長，且水下可控性差[3-4]；采用回填飽和砂和回水方案，均需進行支撐拆除過程中圍護結構驗算，確保在拆除過程中其余支撐安全，由于回填飽和砂方案后期還需要將基坑內、鋼端殼、鋼管樁附近位置回填砂清理干凈，施工復雜，可控性差。因此進行深基坑圍護結構支撐回水方案驗算，對選擇深基坑支撐拆除方案至關重要。

1 項目概況

襄陽市東西軸線道路工程魚梁洲段項目連接樊城老城區和東津新城，起于規劃旭東路東側，止于縱四路，主線全長5 400 m，項目兩過漢江，沉管段總長1 011 m，為國內整體建設規模最大的內河沉管隧道。

項目沉管與隧道對接端共四處，其中東汊、西汊對接端設置陸上最終接頭，東津、樊城為首節沉管與現澆隧道連接點。沉管對接端基坑深度較大，樊城對接端深度最小約18 m，東津對接端深度最大約26 m，綜合施工難度最大。

東津對接端支撐共8 層，第1 道支撐采用鋼筋混凝土支撐，截面尺寸為800×900 mm，混凝土支撐間距為6m，冠梁1 400×1 200 mm；第2、3、4、6、8 道支撐采用φ800×20 mm 鋼斜撐，與支護結構成45°角布置，間距3 m；第7 道支撐（換撐）采用φ800×20 mm 對撐。鋼圍檁采用雙拼工63C；第5道支撐采用鋼筋混凝土支撐，截面尺寸為1 200×1 000 mm，間距為6 m，砼圍檁尺寸為1 200×1 200 mm。共設置6 根610×610 mm 格構柱。

圖1 鋼筋混凝土支撐平面布置

圖2 鋼支撐平面布置

圖3 換撐平面布置

圖4 對接端支撐斷面示意圖

2 計算參數及工況分析

2.1 計算參數

東津對接端基坑所在土層主要為④粉質黏土、④2 粉細砂、⑤圓礫，土層參數如下表所示。鋼支撐、地連墻、混凝土支撐材料參數如表1 所示。土層與地連墻的摩擦系數取為0.3。

表1 土層力學參數

鋼支撐及混凝土支撐力學參數如表2 所示。

表2 鋼及混凝土力學參數

2.2 計算工況

根據施工需要，支撐按照以下步驟拆除，計算工況見表3。

表3 計算工況

3 計算結果及分析

3.1 數值模型及邊界條件

通過有限元軟件Abaqus 進行模型搭建，基坑深度為26 m，為了消除邊界效應，模型大小設計為3 倍基坑以上，大小為108 m×90 m×80 m。靠江側平臺寬度為18 m，平臺外為1：1.5 的放坡。基坑長度方向選取40 m 進行計算，模型搭建見圖5。

圖5 有限元模型示意圖

土層四周為滾軸邊界，底部固定三個方向自由度。鎖口鋼管樁按照抗彎剛度等效為厚度1 m 的地連墻。地連墻與土體之間設置庫倫摩擦，切向摩擦系數為0.36，法向為硬接觸。格構柱與支撐連接處、鋼支撐與系梁連接處約束Z 方向的自由度。混凝土系梁和混凝土支撐之間固接[5]。

3.2 模型驗證

對接端鋼筋混凝土支撐（第1、5 層）內部布置鋼筋應力計，鋼支撐（第2、3、4、6、7、8 層）端部布置軸力計，沿鎖口鋼管樁深度方向布置測斜管。支撐軸力、鋼管樁深層水平位移數值模型值與監測數據對比見圖6、圖7[6]。

圖6 深層水平位移對比

圖7 各道支撐軸力對比

由圖6、圖7 可知，鎖口鋼管樁深層水平位移監測值和計算值變化趨勢基本一致，計算值比監測值略大，距離基坑頂部12 m 處（第五層鋼筋混凝土支撐附近），位移達到最大值10.2 mm，此時監測值和計算值誤差2.2 %；支撐軸力監測值和計算值擬合較好，誤差基本在20 %以內，支撐拆除前，八道支撐中第五道鋼筋混凝土支撐軸力最大約2 700 kN，此時監測值和計算值誤差3.3 %。由以上分析可見，深層水平位移及支撐軸力監測值與計算值變化趨勢較為一致，誤差較小，故文中的模型假定合理，計算結果可靠。

3.3 支撐軸力計算

以最后拆除的第2 層鋼支撐軸力為例，施工步驟1～7 時，第2 層鋼支撐軸力計算如圖8 所示。

圖8 順序拆除支撐第2 層鋼支撐軸力圖

根據施工步驟拆除支撐，各層支撐軸力極值（標準值）見表4。

表4 支撐軸力標準值

根據《建筑結構可靠性設計統一標準》（GB50068-2018）[7]，支撐軸力設計值：

式中：0γ為支護結構的重要性系數，取1.1；fγ為作用基本組合的綜合分項系數，取1.25；Nk為支撐軸力標準值。鋼支撐軸力最大值出現在拆除第五層鋼筋混凝土支撐后第4 道鋼支撐荷載，設計值N=3 310 kN；鋼筋混凝土支撐軸力最大值出現在拆除第6 層鋼支撐后第5 道鋼筋混凝土支撐荷載，設計值N=7 326 kN。

根據《水運工程鋼結構設計規范》（JTS152-2012）[8]，鋼支撐自重產生的最大彎矩設計值：

附加彎矩：

鋼支撐強度：

支撐豎向平面穩定性：

根據《水運工程混凝土結構設計規范》（JTS151-2011）[9]，第5 層鋼筋混凝土全部縱向鋼筋面積=16690mm2；鋼筋混凝土軸向受壓承載力設計值：

Nu=0.9φ(fcA+fy+As)=20852kN＞7326kN，滿足規范要求；

自重引起的彎矩設計值：

M=γ0γf γcbhl2/10=109 kNm，小于設計配筋，滿足規范要求。

3.4 深層水平位移計算

根據施工步驟拆除鋼支撐，鎖口鋼管樁處不同深度水平位移見圖9。

圖9 支撐拆除鋼管樁深層水平位移

由圖9 可知，鎖口鋼管樁處深層水平位移最大值出現在拆除第5 道鋼筋混凝土支撐時，深度約16 m（第5 層鋼筋混凝土支撐附近），最大水平位移15.5 mm。根據《建筑地基基礎工程施工質量驗收標準》（GB50202-2018）[10]，一級基坑圍護結構深層水平位移預警值為55 mm，滿足設計要求。

4 結語

基于有限元軟件Abaqus，對襄陽市東西軸線沉管隧道東津對接端深基坑支撐拆除方案進行分析，得到如下結論。

1）支撐拆除前，現場監測數據與深基坑數值模型數據深層水平位移及支撐軸力值變化趨勢較為一致，極值誤差較小，模型假定合理，計算結果可靠。

2）回水拆除鋼支撐，鋼支撐軸力最大值出現在拆除第五層鋼筋混凝土支撐后第四道鋼支撐荷載，為2 407 kN；鋼筋混凝土支撐軸力最大值出現在拆除第六層鋼支撐后第五道鋼筋混凝土支撐荷載，為5 328 kN；支撐結構計算均能滿足規范要求。

3）回水拆除鋼支撐，鎖口鋼管樁處深層水平位移最大值出現在拆除第五道鋼筋混凝土支撐時，深度約16 m，最大水平位移15.5 mm，滿足設計要求。

4）襄陽市東西軸線東津對接端深基坑可采取回水至支撐下部，通過浮箱平臺拆除支撐方案，計算方法及結果可對沉管對接端深基坑支撐拆除方案提供參考。