艾治举

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459）

为确保超大型水底隧道护岸工程安全性，须重新建设牢固的堤岸保护体系，并使其发挥防洪防汛挡墙功能。水底隧道护岸工程支护结构一般选取无支撑体系，但常规的以单一钢管桩、灌注桩、搅拌桩作为基坑支护体系，不能满足其安全性需求。在此背景下，格构式地连墙、遮帘桩复合结构等一系列新型支护体系应时而生[1]。

以广州下穿珠江的鱼珠水底隧道护岸工程为例，通过对比遮帘桩结合T 型地连墙与格构式地连墙，因地制宜采用遮帘桩和T 型地连墙复合支护结构。通过三维有限元对其水平位移、结构应力进行模拟仿真计算分析，探讨其适用性和安全性，并进行优化设计。另外针对复杂地质条件下地连墙施工难点，采取应对举措和工艺，顺利突破施工壁垒。

1 项目概况

鱼珠水底隧道主线敞开段采用U 型槽结构，暗埋段（含沉管段）采用箱型结构。隧道全长2 404 m，其中沉管段长935 m、岸上段长1 469 m（琶洲端主线敞开段146 m、暗埋段510 m，北帝沙岛暗埋段278 m，鱼珠端主线敞开段95 m、暗埋段478 m），详见图1。

图1 鱼珠水底隧道位置示意

2 堤防支护加强结构方案比选

鱼珠水底隧道堤防结构实施加固施工前期，广东珠荣工程设计公司对格构式地连墙支护结构、遮帘桩和T 型地连墙复合支护结构方案进行比选。两种技术方案对比情况见表1。

表1 支护结构方案比选

2.1 格构型地连墙设计

格构型地连墙不仅能作为竖向承重结构，还能作为堤防围护结构。它无需内部支撑体系，而且变形比较受控，具备整体性强、刚度大的特性，较适合超深、变形要求极高的基坑防护工程。但它的支挡结构为悬臂式，受力条件有局限，且需通过中隔墙进行连接，工艺复杂、施工难度大、造价高。

设计方案：临水侧、背水侧共设2 道厚1 000 mm、最大长度30 m 的T 型地连墙，中隔地连墙位于梁肋处，厚1 000 mm ；地连墙上方设置宽9 000 mm 的卸荷承台，承台底部高程4 m，厚1 000 mm ；另外，临水侧胸墙厚5 000 mm。格构式地连墙结构见图2～3。

图2 格构式地连墙断面

图3 格构式地连墙平面

2.2 遮帘桩和T 型地连墙复合支护结构设计

遮帘桩和T 型地连墙复合支护结构即在T 型地连墙后增加2 排灌注桩作为遮帘桩，分担部分土压力，另外为增强其抗倾覆能力，在卸荷承台增加锚索。与格构式地连墙相比，此组合结构无需在背水侧设置T 型地连墙和中隔地连墙，施工工艺简单，钢筋混凝土消耗量少，综合成本低。该项目采用全遮帘桩结构。

设计方案：临水侧设1 道厚1 000 mm、最大长度30 m 的T 型地连墙，地连墙墙肋长4 000 mm，平面尺寸2 800 mm×1 000 mm，与T 型地连墙间距5 250 mm、9 750 mm 位置分别设置两排半径750 mm 的灌注桩作为遮帘桩，遮帘桩排距和间距分别为4 500 mm 和4 000 mm ；卸荷承台总宽度和厚度分别为13 400 mm 和1 000 mm，承台底部高程为4 m ；临水侧胸墙厚500 mm ；锚索直径150 mm，弹性模量206 000 MPa，长50 m ；遮帘桩和T 型地连墙复合支护结构见图4～5。

图4 遮帘桩和T 型地连墙复合支护结构断面

图5 遮帘桩和T 型地连墙复合支护结构平面

鱼珠水底隧道堤防结构加固工程施工场地较宽阔，弱风化基岩深约20 m，符合设置锚索条件。由表1 对比分析可知，采用遮帘桩和T 型地连墙复合支护结构优势明显。为进一步验证该结构的合理性，对其进行有限元计算模型构建并分析。

3 遮帘桩和T 型地连墙复合支护结构有限元计算模型构建

参考杜永江、罗志安[2-3]等人有限元计算模型，采用MIDASGTSNX 软件对支护结构中的前后排遮帘桩、T 型地连墙等进行三维有限元计算。遮帘桩结构必须综合考虑土体的弹塑性特性，让遮帘桩、T 型地连墙桩、压型锚索等支护结构相互作用。

模型坐标系：X 轴和Y 轴分别垂直及平行于地连墙轴线，Z 轴垂直于地面。开挖前后模型正视见图6～7，遮帘桩和地连墙模型见图8。

图6 开挖前模型正视

图7 开挖后模型正视

图8 遮帘桩、T 型地连墙模型

3.1 计算参数

按照地质和工程情况，材料计算参数见表2。

表2 材料计算参数

3.2 施工过程模拟计算

①计算方法：将支护结构施工及基坑开挖过程影响列入考虑范围，按流固-耦合算法计算前后排遮帘桩、T 型地连墙、卸荷承台的水土压力。②施工过程：开挖施工平台→前后排遮帘桩、T 型地连墙、卸荷承台施作→预应力锚索施作→回填卸荷承台上部分土方→开挖沉管基槽。③计算内容：支护结构水平位移、竖向位移、最大剪力、最大轴力、最大拉应力等，模拟计算结果见表3。

表3 施工过程模拟计算结果

3.3 计算结果分析

3.3.1 支护结构水平位移分析

由图9 可知，当地连墙开挖深度逐渐加大，其水平位移也随之变大，地连墙变形呈上扬曲线，顶部位置的水平位移最为明显。

按照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012），30 mm 是其位移控制值。通过验算，承台顶部及地连墙水平位移最大值分别为27.9 mm 和22.3 mm。两排遮帘桩水平位移最大值分别为22.5 mm 和22.4 mm，均未超30 mm，符合要求。支护结构水平位移见图9～11。

图9 地连墙开挖水平位移示意

图10 承台顶部X 方向水平位移示意

图11 地连墙X 向和Z 向位移

3.3.2 支护结构应力分析

经计算，处在背水一侧的T 型地连墙和强风化层接触区域，T 型地连墙竖向拉应力和压应力最大，峰值分别为8.768 MPa 和9.860 MPa。T 型地连墙肋墙主要承受拉力，前墙主要承受压力。位于地连墙与基岩面交界处的弯矩最大，峰值是28 300 kN·m，通过合理配筋，能够符合该弯矩强度要求。T 型地连墙竖向应力有限元分析见图12。

图12 T 型地连墙竖向应力

经计算，处在前排遮帘桩和承台结合部位的竖向拉应力及压应力最为突出，分别是2.12 MPa和6.41 MPa。而后排遮帘桩和承台结合部位的竖向拉应力及竖向压应力最为突出，分别是2.11 MPa和10.3 MPa，最大压应力均未超C35 混凝土标准抗拉强度2.2 MPa（见图13～14 ）。锚索最大轴力723 kN，选取750 kN 级锚索满足设计（见图15）。

图13 后排遮帘桩Z 向应力云图及弯矩

图14 前排遮帘桩Z 向应力云图及弯矩

图15 锚索轴力

4 遮帘桩和T 型地连墙复合支护结构设计方案优化

4.1 肋墙长度优化

肋墙长度L 依次选择3 m、2.8 m、2 m、1.5 m、1 m、0.5 m 和0 m，确保其他条件不变，肋墙长度对地连墙水平位移的影响见图16。由图16 可知，地连墙水平位移随肋长递增而递减，其形变曲线弯曲度越来越小，最大水平位移从中上部逐渐转移到顶部，这说明通过延长肋墙长度能够提高T型地连墙刚度，并防止支护结构位移。珠江堤防支护结构安全等级为一级，按照规范，30 mm 是其位移控制值。将水平位移作为参照进行优化，由图16 可知，肋墙长度为2 m 时即可满足水平位移不超过30 mm 的规范要求，比原设计方案的2.8 m节省0.8 m，在确保防护要求的同时，节省了钢筋混凝土等材料成本和人工成本。

图16 肋墙长度对地连墙水平位移影响曲线

4.2 遮帘桩嵌固深度优化

选取遮帘桩的嵌固深度（即嵌入基岩深度）作为研究对象，在确保其他客观条件不变的前提下，嵌固深度依次为16 m、14 m、12 m、10 m、8 m、6 m 和4 m（嵌固深度均未超-18 m），锚索因素忽略不计。由图17可知，随着遮帘桩嵌固深度的增加，对支护结构水平位移的影响越来越弱；当遮帘桩嵌固深度大于8 m 时，影响曲线趋向平缓。从施工成本考虑，该项目遮帘桩嵌固深度选8 m，此时遮帘桩底高程是-26 m。

图17 嵌固深度对结构水平位移影响曲线

根据工程实际并综合以上设计及模型计算，采用遮帘桩和T 型地连墙复合支护结构对堤防进行加强处理，护岸加强区地连墙共87 幅，遮帘桩109 根，让压型锚索109 根。

5 T 型连墙关键施工技术

T 型连墙在水底隧道护岸工程中非常重要，然而施工区域浅层土体存在强风化泥质粉砂、淤泥等不良地质情况，影响槽壁稳定性，容易导致坍塌。为提高工程质量，可合理采取一些施工工艺，如对槽段土体临空面较大、穿过不良软弱地质的情况，采取成槽上层软土加固、提高泥浆品质、有效增加泥浆占比、通过限制单元槽段长度提升槽壁整体稳定性；此外借助十字钢板接头、大幅钢筋笼有效加工、墙底注浆加固等[4]，破解技术难题。现对T 型连墙关键施工技术介绍如下。

5.1 地连墙成槽上层软土加固

由于T 形地连墙成槽土体临空面较大，施工周期较长，为规避地连墙拐角部位成槽时坍塌现象，在施工前对拐角部位三角区周围土体进行水泥搅拌桩预加固，搅拌桩距离槽段边线200 mm。搅拌桩半径325 mm，桩间距450 mm，水泥掺量8%。如果受管线和建筑物干扰，对出现空洞或土体较松散区域，可在槽段两端采用低强度双液浆进行加固处理，从而有效加固地连墙上层松软土体。

5.2 不良地质段成槽控制技术

当穿越强风化粉砂层等不良地质时，可能会有大量泥沙颗粒被带进护壁泥浆中，影响泥浆黏度和比重，破坏护壁泥浆。可通过以下举措稳定槽壁、提升泥浆品质：①控制单元槽段的长度。相对于长槽，短槽更能保证槽壁处于稳定状态。为有效减少坍方概率，将地连墙开槽最佳长度设置为抓斗充分张开后2 倍的宽度，成槽比较迅速、快捷。②控制泥浆品质。挑选质量好的膨润土作为循环泥浆原料；为提高较大泥沙颗粒的分离效率，可优化振动筛筛网结构；按需添加一定比例的CMC 增稠剂提高泥浆黏度；略微加大槽中泥浆占比，出现特殊情况时保证泥浆比重1.00～1.15。

5.3 钢筋笼制作

设置测斜管与声测管的槽段，应按要求将检测管固定在钢筋笼上，用铁丝将其与钢筋笼主筋绑扎牢固，一起下入槽段。钢筋笼制作完成后，把锚入冠梁部分的钢筋，根据其直径用PVC 管进行包裹，顶部和底部用胶带密封，减少钢筋与混凝土的接触，便于墙顶破除时的钢筋保护。

5.4 增加地连墙整体性施工技术

①刚性接头：为增加T 型地连墙整体性和刚度，设计单位在T 型地连墙之间引入由穿孔十字钢板制作的刚性接头。②整体浇筑：鱼珠水底隧道地连墙浇筑时，由于刚性接头尺寸问题及存在大量方形孔洞等原因，刚性接头存在刷壁困难且极难清理干净。为解决该难题并加快施工进度，现场采取多幅地连墙整体浇筑施工法。开槽、清槽完成后进行钢筋笼吊装；为保证混凝土灌注质量，现场布置多根导管同时浇筑；浇筑前，项目部对多家拌和站的混凝土质量、运送能力进行考察，结合现场实际合理规划车辆行驶路线及履带吊、泵车摆放位置；为保障泥浆的储存及处理能力，现场布置了500 m³的泥浆箱并同时启用两台泥浆压滤机处理废浆。实践证明，多幅地连墙整体浇筑效果良好，不仅加快了施工进度，而且确保了质量。

5.5 地连墙底部加固技术

施工中可通过沉淀法和置换法进行清槽，但由于槽较深，各工序耗时较长，为规避槽底沉渣削弱地连墙承载力和抗渗能力，防止后期出现下沉，对连续墙墙底进行注浆加固。加固方法：提前将2 根半径250 mm 的注浆钢管布置在连续墙钢筋笼内，注浆管插入地连墙下不少于0.5 m管底端，配置单向橡皮阀，等地连墙混凝土强度满足设计强度70%以后，采取0.6～1.0 MPa 注浆压力注入1∶1的水泥单液浆，确保每孔注浆量超过2 m³。

6 结语

以广州鱼珠水底隧道护岸工程为例，针对施工难点，通过方案比选采取遮帘桩和T 型地连墙复合结构方案，有效解决了施工难题，保护了珠江堤岸、防汛设施，确保了干坞安全。通过施工监测，各项数据符合规范要求，可得出如下结论：①遮帘桩和T 型地连墙复合支护结构在水底隧道护岸工程中，引入锚拉式结构能提高安全稳定性。②地连墙的刚度随着肋墙长度的递增而递增，但当肋墙长2 m 时即可满足水平位移不超过30 mm的规范要求。基于施工成本因素，该项目地连墙肋墙长度设置为2 m，比原设计方案节省0.8 m。③通过分析，遮帘桩嵌固深度大于8 m 时，对支护结构水平位移产生较小影响。综合施工成本因素，该项目工程遮帘桩嵌固深度设定为8 m。④地连墙成槽上层软土加固、不良地质段槽段的长度控制、泥浆品质控制、钢筋笼制作、刚性接头、整体浇筑、地连墙底部注浆加固等关键技术的应用，有效解决了复杂地质环境下连续墙的施工瓶颈。