水底隧道護岸工程遮簾樁和T 型地連墻復合結構方案探討————以廣州魚珠水底隧道護岸工程為例

艾治舉

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459）

為確保超大型水底隧道護岸工程安全性，須重新建設牢固的堤岸保護體系，并使其發揮防洪防汛擋墻功能。水底隧道護岸工程支護結構一般選取無支撐體系，但常規的以單一鋼管樁、灌注樁、攪拌樁作為基坑支護體系，不能滿足其安全性需求。在此背景下，格構式地連墻、遮簾樁復合結構等一系列新型支護體系應時而生[1]。

以廣州下穿珠江的魚珠水底隧道護岸工程為例，通過對比遮簾樁結合T 型地連墻與格構式地連墻，因地制宜采用遮簾樁和T 型地連墻復合支護結構。通過三維有限元對其水平位移、結構應力進行模擬仿真計算分析，探討其適用性和安全性，并進行優化設計。另外針對復雜地質條件下地連墻施工難點，采取應對舉措和工藝，順利突破施工壁壘。

1 項目概況

魚珠水底隧道主線敞開段采用U 型槽結構，暗埋段（含沉管段）采用箱型結構。隧道全長2 404 m，其中沉管段長935 m、岸上段長1 469 m（琶洲端主線敞開段146 m、暗埋段510 m，北帝沙島暗埋段278 m，魚珠端主線敞開段95 m、暗埋段478 m），詳見圖1。

圖1 魚珠水底隧道位置示意

2 堤防支護加強結構方案比選

魚珠水底隧道堤防結構實施加固施工前期，廣東珠榮工程設計公司對格構式地連墻支護結構、遮簾樁和T 型地連墻復合支護結構方案進行比選。兩種技術方案對比情況見表1。

表1 支護結構方案比選

2.1 格構型地連墻設計

格構型地連墻不僅能作為豎向承重結構，還能作為堤防圍護結構。它無需內部支撐體系，而且變形比較受控，具備整體性強、剛度大的特性，較適合超深、變形要求極高的基坑防護工程。但它的支擋結構為懸臂式，受力條件有局限，且需通過中隔墻進行連接，工藝復雜、施工難度大、造價高。

設計方案：臨水側、背水側共設2 道厚1 000 mm、最大長度30 m 的T 型地連墻，中隔地連墻位于梁肋處，厚1 000 mm ；地連墻上方設置寬9 000 mm 的卸荷承臺，承臺底部高程4 m，厚1 000 mm ；另外，臨水側胸墻厚5 000 mm。格構式地連墻結構見圖2～3。

圖2 格構式地連墻斷面

圖3 格構式地連墻平面

2.2 遮簾樁和T 型地連墻復合支護結構設計

遮簾樁和T 型地連墻復合支護結構即在T 型地連墻后增加2 排灌注樁作為遮簾樁，分擔部分土壓力，另外為增強其抗傾覆能力，在卸荷承臺增加錨索。與格構式地連墻相比，此組合結構無需在背水側設置T 型地連墻和中隔地連墻，施工工藝簡單，鋼筋混凝土消耗量少，綜合成本低。該項目采用全遮簾樁結構。

設計方案：臨水側設1 道厚1 000 mm、最大長度30 m 的T 型地連墻，地連墻墻肋長4 000 mm，平面尺寸2 800 mm×1 000 mm，與T 型地連墻間距5 250 mm、9 750 mm 位置分別設置兩排半徑750 mm 的灌注樁作為遮簾樁，遮簾樁排距和間距分別為4 500 mm 和4 000 mm ；卸荷承臺總寬度和厚度分別為13 400 mm 和1 000 mm，承臺底部高程為4 m ；臨水側胸墻厚500 mm ；錨索直徑150 mm，彈性模量206 000 MPa，長50 m ；遮簾樁和T 型地連墻復合支護結構見圖4～5。

圖4 遮簾樁和T 型地連墻復合支護結構斷面

圖5 遮簾樁和T 型地連墻復合支護結構平面

魚珠水底隧道堤防結構加固工程施工場地較寬闊，弱風化基巖深約20 m，符合設置錨索條件。由表1 對比分析可知，采用遮簾樁和T 型地連墻復合支護結構優勢明顯。為進一步驗證該結構的合理性，對其進行有限元計算模型構建并分析。

3 遮簾樁和T 型地連墻復合支護結構有限元計算模型構建

參考杜永江、羅志安[2-3]等人有限元計算模型，采用MIDASGTSNX 軟件對支護結構中的前后排遮簾樁、T 型地連墻等進行三維有限元計算。遮簾樁結構必須綜合考慮土體的彈塑性特性，讓遮簾樁、T 型地連墻樁、壓型錨索等支護結構相互作用。

模型坐標系：X 軸和Y 軸分別垂直及平行于地連墻軸線，Z 軸垂直于地面。開挖前后模型正視見圖6～7，遮簾樁和地連墻模型見圖8。

圖6 開挖前模型正視

圖7 開挖后模型正視

圖8 遮簾樁、T 型地連墻模型

3.1 計算參數

按照地質和工程情況，材料計算參數見表2。

表2 材料計算參數

3.2 施工過程模擬計算

①計算方法：將支護結構施工及基坑開挖過程影響列入考慮范圍，按流固-耦合算法計算前后排遮簾樁、T 型地連墻、卸荷承臺的水土壓力。②施工過程：開挖施工平臺→前后排遮簾樁、T 型地連墻、卸荷承臺施作→預應力錨索施作→回填卸荷承臺上部分土方→開挖沉管基槽。③計算內容：支護結構水平位移、豎向位移、最大剪力、最大軸力、最大拉應力等，模擬計算結果見表3。

表3 施工過程模擬計算結果

3.3 計算結果分析

3.3.1 支護結構水平位移分析

由圖9 可知，當地連墻開挖深度逐漸加大，其水平位移也隨之變大，地連墻變形呈上揚曲線，頂部位置的水平位移最為明顯。

按照《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-2012），30 mm 是其位移控制值。通過驗算，承臺頂部及地連墻水平位移最大值分別為27.9 mm 和22.3 mm。兩排遮簾樁水平位移最大值分別為22.5 mm 和22.4 mm，均未超30 mm，符合要求。支護結構水平位移見圖9～11。

圖9 地連墻開挖水平位移示意

圖10 承臺頂部X 方向水平位移示意

圖11 地連墻X 向和Z 向位移

3.3.2 支護結構應力分析

經計算，處在背水一側的T 型地連墻和強風化層接觸區域，T 型地連墻豎向拉應力和壓應力最大，峰值分別為8.768 MPa 和9.860 MPa。T 型地連墻肋墻主要承受拉力，前墻主要承受壓力。位于地連墻與基巖面交界處的彎矩最大，峰值是28 300 kN·m，通過合理配筋，能夠符合該彎矩強度要求。T 型地連墻豎向應力有限元分析見圖12。

圖12 T 型地連墻豎向應力

經計算，處在前排遮簾樁和承臺結合部位的豎向拉應力及壓應力最為突出，分別是2.12 MPa和6.41 MPa。而后排遮簾樁和承臺結合部位的豎向拉應力及豎向壓應力最為突出，分別是2.11 MPa和10.3 MPa，最大壓應力均未超C35 混凝土標準抗拉強度2.2 MPa（見圖13～14 ）。錨索最大軸力723 kN，選取750 kN 級錨索滿足設計（見圖15）。

圖13 后排遮簾樁Z 向應力云圖及彎矩

圖14 前排遮簾樁Z 向應力云圖及彎矩

圖15 錨索軸力

4 遮簾樁和T 型地連墻復合支護結構設計方案優化

4.1 肋墻長度優化

肋墻長度L 依次選擇3 m、2.8 m、2 m、1.5 m、1 m、0.5 m 和0 m，確保其他條件不變，肋墻長度對地連墻水平位移的影響見圖16。由圖16 可知，地連墻水平位移隨肋長遞增而遞減，其形變曲線彎曲度越來越小，最大水平位移從中上部逐漸轉移到頂部，這說明通過延長肋墻長度能夠提高T型地連墻剛度，并防止支護結構位移。珠江堤防支護結構安全等級為一級，按照規范，30 mm 是其位移控制值。將水平位移作為參照進行優化，由圖16 可知，肋墻長度為2 m 時即可滿足水平位移不超過30 mm 的規范要求，比原設計方案的2.8 m節省0.8 m，在確保防護要求的同時，節省了鋼筋混凝土等材料成本和人工成本。

圖16 肋墻長度對地連墻水平位移影響曲線

4.2 遮簾樁嵌固深度優化

選取遮簾樁的嵌固深度（即嵌入基巖深度）作為研究對象，在確保其他客觀條件不變的前提下，嵌固深度依次為16 m、14 m、12 m、10 m、8 m、6 m 和4 m（嵌固深度均未超-18 m），錨索因素忽略不計。由圖17可知，隨著遮簾樁嵌固深度的增加，對支護結構水平位移的影響越來越弱；當遮簾樁嵌固深度大于8 m 時，影響曲線趨向平緩。從施工成本考慮，該項目遮簾樁嵌固深度選8 m，此時遮簾樁底高程是-26 m。

圖17 嵌固深度對結構水平位移影響曲線

根據工程實際并綜合以上設計及模型計算，采用遮簾樁和T 型地連墻復合支護結構對堤防進行加強處理，護岸加強區地連墻共87 幅，遮簾樁109 根，讓壓型錨索109 根。

5 T 型連墻關鍵施工技術

T 型連墻在水底隧道護岸工程中非常重要，然而施工區域淺層土體存在強風化泥質粉砂、淤泥等不良地質情況，影響槽壁穩定性，容易導致坍塌。為提高工程質量，可合理采取一些施工工藝，如對槽段土體臨空面較大、穿過不良軟弱地質的情況，采取成槽上層軟土加固、提高泥漿品質、有效增加泥漿占比、通過限制單元槽段長度提升槽壁整體穩定性；此外借助十字鋼板接頭、大幅鋼筋籠有效加工、墻底注漿加固等[4]，破解技術難題。現對T 型連墻關鍵施工技術介紹如下。

5.1 地連墻成槽上層軟土加固

由于T 形地連墻成槽土體臨空面較大，施工周期較長，為規避地連墻拐角部位成槽時坍塌現象，在施工前對拐角部位三角區周圍土體進行水泥攪拌樁預加固，攪拌樁距離槽段邊線200 mm。攪拌樁半徑325 mm，樁間距450 mm，水泥摻量8%。如果受管線和建筑物干擾，對出現空洞或土體較松散區域，可在槽段兩端采用低強度雙液漿進行加固處理，從而有效加固地連墻上層松軟土體。

5.2 不良地質段成槽控制技術

當穿越強風化粉砂層等不良地質時，可能會有大量泥沙顆粒被帶進護壁泥漿中，影響泥漿黏度和比重，破壞護壁泥漿。可通過以下舉措穩定槽壁、提升泥漿品質：①控制單元槽段的長度。相對于長槽，短槽更能保證槽壁處于穩定狀態。為有效減少坍方概率，將地連墻開槽最佳長度設置為抓斗充分張開后2 倍的寬度，成槽比較迅速、快捷。②控制泥漿品質。挑選質量好的膨潤土作為循環泥漿原料；為提高較大泥沙顆粒的分離效率，可優化振動篩篩網結構；按需添加一定比例的CMC 增稠劑提高泥漿黏度；略微加大槽中泥漿占比，出現特殊情況時保證泥漿比重1.00～1.15。

5.3 鋼筋籠制作

設置測斜管與聲測管的槽段，應按要求將檢測管固定在鋼筋籠上，用鐵絲將其與鋼筋籠主筋綁扎牢固，一起下入槽段。鋼筋籠制作完成后，把錨入冠梁部分的鋼筋，根據其直徑用PVC 管進行包裹，頂部和底部用膠帶密封，減少鋼筋與混凝土的接觸，便于墻頂破除時的鋼筋保護。

5.4 增加地連墻整體性施工技術

①剛性接頭：為增加T 型地連墻整體性和剛度，設計單位在T 型地連墻之間引入由穿孔十字鋼板制作的剛性接頭。②整體澆筑：魚珠水底隧道地連墻澆筑時，由于剛性接頭尺寸問題及存在大量方形孔洞等原因，剛性接頭存在刷壁困難且極難清理干凈。為解決該難題并加快施工進度，現場采取多幅地連墻整體澆筑施工法。開槽、清槽完成后進行鋼筋籠吊裝；為保證混凝土灌注質量，現場布置多根導管同時澆筑；澆筑前，項目部對多家拌和站的混凝土質量、運送能力進行考察，結合現場實際合理規劃車輛行駛路線及履帶吊、泵車擺放位置；為保障泥漿的儲存及處理能力，現場布置了500 m3的泥漿箱并同時啟用兩臺泥漿壓濾機處理廢漿。實踐證明，多幅地連墻整體澆筑效果良好，不僅加快了施工進度，而且確保了質量。

5.5 地連墻底部加固技術

施工中可通過沉淀法和置換法進行清槽，但由于槽較深，各工序耗時較長，為規避槽底沉渣削弱地連墻承載力和抗滲能力，防止后期出現下沉，對連續墻墻底進行注漿加固。加固方法：提前將2 根半徑250 mm 的注漿鋼管布置在連續墻鋼筋籠內，注漿管插入地連墻下不少于0.5 m管底端，配置單向橡皮閥，等地連墻混凝土強度滿足設計強度70%以后，采取0.6～1.0 MPa 注漿壓力注入1∶1的水泥單液漿，確保每孔注漿量超過2 m3。

6 結語

以廣州魚珠水底隧道護岸工程為例，針對施工難點，通過方案比選采取遮簾樁和T 型地連墻復合結構方案，有效解決了施工難題，保護了珠江堤岸、防汛設施，確保了干塢安全。通過施工監測，各項數據符合規范要求，可得出如下結論：①遮簾樁和T 型地連墻復合支護結構在水底隧道護岸工程中，引入錨拉式結構能提高安全穩定性。②地連墻的剛度隨著肋墻長度的遞增而遞增，但當肋墻長2 m 時即可滿足水平位移不超過30 mm的規范要求。基于施工成本因素，該項目地連墻肋墻長度設置為2 m，比原設計方案節省0.8 m。③通過分析，遮簾樁嵌固深度大于8 m 時，對支護結構水平位移產生較小影響。綜合施工成本因素，該項目工程遮簾樁嵌固深度設定為8 m。④地連墻成槽上層軟土加固、不良地質段槽段的長度控制、泥漿品質控制、鋼筋籠制作、剛性接頭、整體澆筑、地連墻底部注漿加固等關鍵技術的應用，有效解決了復雜地質環境下連續墻的施工瓶頸。