格型地連墻在超深船塢塢墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

宣廬峻，周杰鑫

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心，上海 200090)

船塢塢墻的結(jié)構(gòu)形式往往與船塢深度、巖土工程條件、建造方法等密切相關(guān)。隨著世界航運(yùn)業(yè)和造船工業(yè)的迅猛發(fā)展，常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式和建造方法已不能適應(yīng)船塢向更深、更大型的方向發(fā)展。因此，在超深型船塢工程中，對(duì)塢墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究是非常必要的，其對(duì)船塢工程的技術(shù)進(jìn)步意義深遠(yuǎn)。

格型地下連續(xù)墻(簡(jiǎn)稱格型地連墻)塢墻結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)思出自格型鋼板樁岸壁的概念，是一種半重力式擋土結(jié)構(gòu)。格型地下連續(xù)墻由前墻、后墻以及連接前、后墻的中間剪力隔墻組成[1]。格型地下連續(xù)墻前、后墻槽段間一般采用鎖口管等柔性接頭連接，中間剪力隔墻采用十字鋼板等剛性接頭連接。格型地下連續(xù)墻作為塢墻結(jié)構(gòu)，其前墻緊鄰船塢基坑開(kāi)挖面，是直接承受坑內(nèi)外水、土壓力的主要擋土構(gòu)件，它通過(guò)剪力墻與后墻連接，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體性。由于其特殊的空間結(jié)構(gòu)效應(yīng)，格型地下連續(xù)墻與其內(nèi)部土體共同組成的擋土結(jié)構(gòu)具有整體剛度大、開(kāi)挖深度較深、無(wú)需內(nèi)部支護(hù)的特性，非常適用于常規(guī)的擋土結(jié)構(gòu)在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上不能滿足要求或受周邊環(huán)境條件限制的船塢工程[2]。

本文結(jié)合上海長(zhǎng)江口某超深型船塢工程實(shí)例，對(duì)格型地連墻在超深船塢工程中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，通過(guò)建立簡(jiǎn)化模型對(duì)格型地連墻塢墻進(jìn)行內(nèi)力分析，提出格型地連墻塢墻的簡(jiǎn)化模型方式；對(duì)格型地連墻設(shè)計(jì)采用了各參數(shù)的敏感性分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；通過(guò)建立三維整體模型，進(jìn)行格型地連墻變形特征的有限元分析，進(jìn)一步指導(dǎo)施工。

1 工程概況

上海長(zhǎng)興島某超深船塢工程，船塢規(guī)模為240 m×40 m×17.7 m(長(zhǎng)×寬×深)，是目前國(guó)內(nèi)最深的船塢工程，使用期擋土高度達(dá)17.7 m，施工期基坑開(kāi)挖深度近20 m。

因船塢深度較深，常規(guī)的塢墻結(jié)構(gòu)形式難以滿足其受力及變形控制要求，在經(jīng)過(guò)多方案比選后，確定采用格型地連墻塢墻結(jié)構(gòu)方案，船塢塢墻平面布置如圖1 所示。

圖1 船塢塢墻平面布置

2 設(shè)計(jì)方案

東塢墻及北塢墻均采用格型地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，墻頂高程為4.8 m，塢底板面高程為-12.9 m，使用期擋土高度為17.7 m，塢墻上設(shè)公用廊道。東塢墻格型地連墻因?yàn)榭紤]吊車道樁基，采用寬度為16.0 m；北塢墻格型地墻寬14.8 m；東塢墻南段150 m 范圍格型地墻內(nèi)與舾裝碼頭結(jié)合在一起考慮，總寬19.2 m，碼頭前沿設(shè)計(jì)泥面高程-6.0 m。各塢墻的格型地連墻斷面見(jiàn)圖2。

圖2 格型地連墻斷面(高程:m；尺寸:mm)

3 格型地墻內(nèi)力計(jì)算方法

3.1 計(jì)算假定

選取北塢墻作為典型計(jì)算斷面進(jìn)行格型地連墻內(nèi)力計(jì)算。在槽段平面上，截取一個(gè)隔墻間距為計(jì)算單元長(zhǎng)度。其中前墻、后墻、隔墻模擬成板單元，頂圈梁模擬成梁?jiǎn)卧?。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，邊界設(shè)在兩個(gè)隔墻中間位置，并且限定邊界所有節(jié)點(diǎn)沿墻軸線方向的水平位移為零。其中前后墻鎖口管接頭模擬成鉸接，隔墻中間剛性接頭模擬成剛接[3]。前后墻底只有豎向彈簧。模型平面假定見(jiàn)圖3。

圖3 模型平面假定(單位:mm)

對(duì)于格型地連墻上的土壓力，前墻內(nèi)側(cè)采用谷倉(cāng)壓力，土壓力自開(kāi)挖面以下拉直；前墻外側(cè)采用水平基床系數(shù)模擬土抗力，基床系數(shù)開(kāi)挖面處為0，開(kāi)挖面以下一定深度內(nèi)三角形分布，其下按矩形分布。后墻內(nèi)側(cè)同樣采用水平基床系數(shù)模擬土抗力，土抗力彈簧從前墻坑底位置沿土的內(nèi)摩擦角與后墻相交之處開(kāi)始；后墻外側(cè)采用靜止土壓力。水土分開(kāi)計(jì)算，水壓力直接加在前墻，模型剖面假定見(jiàn)圖4。

圖4 模型剖面假定

3.2 計(jì)算工況及內(nèi)力結(jié)果

作為船塢塢墻的格型地連墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)力計(jì)算主要分施工期及使用期兩種工況。

施工期，卸土至高程0.0 m，挖土至-7.0 m開(kāi)始坑外降水，降水至-5.0 m。地連墻頂高程為0.0 m，塢底板面高程為-12.9 m，考慮底板厚度及減壓排水系統(tǒng)，超挖1.6 m，即施工期開(kāi)挖深度為14.5 m，且不考慮底板水平約束作用。

使用期，回填土至高程4.8 m，上部結(jié)構(gòu)完成。0.0～4.8 m 填土重力按超載考慮。填土及水荷載對(duì)擋墻或廊道的作用力，以集中力的形式作用在地連墻墻頂。模型中簡(jiǎn)化擋墻及廊道，在計(jì)算中不考慮其剛度。考慮底板水平約束作用。

計(jì)算采用Super-SAP5 軟件，按空間體系計(jì)算，內(nèi)力結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 施工期及使用期內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

與一般塢墻由施工期控制的情況不同，由于本工程施工期從4.8 m 卸土至0.0 m，且降水至-5.0 m，故由使用期工況控制。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算的敏感性分析

4.1 中間隔墻深度的敏感性分析

在格型地連墻計(jì)算過(guò)程中，中間隔墻的深度、前后墻的深度對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響。為了使工程的設(shè)計(jì)更為合理，采用FLAC3D 軟件對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行敏感性分析。

最初中隔墻設(shè)計(jì)底高程為-18.0 m，為減小前后墻的應(yīng)力集中現(xiàn)象，將其降低2 m 至-20.0 m，數(shù)值分析結(jié)果表明，此舉僅在數(shù)值上有略微減小，但尚未達(dá)到預(yù)期效果，為此有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。經(jīng)多次分析，通過(guò)把前后墻T 形段腹板部分加深，即T 形地連墻體整體底高程做成一致的構(gòu)造處理，對(duì)前后墻的墻體受力更為有利。前后墻體沒(méi)有沿高度方向上的剛度突變，因而沒(méi)有位移上的突變，使得前后墻體的應(yīng)力集中現(xiàn)象大幅緩和，墻體彎矩分布更為合理。

優(yōu)化前后格型地墻的應(yīng)力分布見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，在降低隔墻深度后，格型地墻的前墻內(nèi)力最大值減小約10%，且分布更為均勻，效果較為明顯。

圖5 中隔墻優(yōu)化前后格型地連墻前墻水平彎矩

4.2 前墻深度的敏感性分析

根據(jù)板樁理論，本工程位于砂性較重的土質(zhì)中，且前墻為剛度較大的地連墻，前墻若作為底端嵌固的工作狀態(tài)模擬恐怕無(wú)法完全真實(shí)體現(xiàn)前墻在實(shí)際受力中的情況，而采用豎向彈性地基梁的方法模擬介于底端嵌固和底端自由支承二者之間的工作狀態(tài)是較為可行的。在進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，在軟件中對(duì)前墻深度從28 m 減小至26 m，優(yōu)化前后格型地連墻前墻水平彎矩見(jiàn)圖6?？梢钥闯觯Y(jié)構(gòu)內(nèi)力略有減小。

圖6 前墻優(yōu)化前后格型地連墻前墻水平彎矩

一般的板樁開(kāi)挖工況，插入比越小，圍護(hù)的相對(duì)位移越大，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力因而越大。此次格構(gòu)地墻的施工工況中，前墻出現(xiàn)了與預(yù)期相反的情況，即插入比越小內(nèi)力越小。經(jīng)分析認(rèn)為，由于格型地連墻的中間隔墻對(duì)于前墻前位移的限制。由于中間隔墻的限制，插入比雖然減少，圍護(hù)的相對(duì)位移并不會(huì)因此而增大，增大的僅僅是絕對(duì)位移，而力平衡點(diǎn)又因?yàn)椴迦氡葴p少而位置向上移動(dòng)，所以最后出現(xiàn)了內(nèi)力反而減小的情況。故而在控制整體穩(wěn)定、同時(shí)監(jiān)控施工期工況內(nèi)力的基礎(chǔ)上，合理減少前墻插入深度，使設(shè)計(jì)做到更合理、更優(yōu)化。

5 格型地連墻變形特性三維整體模型分析

5.1 模型構(gòu)成

為了預(yù)測(cè)塢室開(kāi)挖過(guò)程中塢墻的變形特性，需要對(duì)塢室建立有限元整體模型進(jìn)行分析。由于塢室的塢墻與泵房、浮箱平臺(tái)結(jié)合在一起形成整體剛度，因此分析塢室整體開(kāi)挖時(shí)需要考慮泵房及西側(cè)浮箱平臺(tái)結(jié)構(gòu)。另一方面，由于想了解塢室開(kāi)挖過(guò)程中先期開(kāi)挖的泵房連續(xù)墻的變形特性，模型中需要考慮泵房的先期開(kāi)挖情況。因此，需要建立整體模型考慮塢室的開(kāi)挖狀況。

整體模型采用Abaqus 有限元分析軟件建立(包括東、北格型地墻以及西塢墻及浮箱平臺(tái))，考慮浮箱平臺(tái)及泵房基坑，整體模型尺寸為407 m×255 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高)，可以充分考慮基坑開(kāi)挖對(duì)周圍土體擾動(dòng)的影響。土體采用八節(jié)點(diǎn)等參單元；連續(xù)墻、地下室各層樓板采用空間板單元模擬；工程樁、格構(gòu)柱、連續(xù)墻圈梁、各道梁支撐及支撐圈梁采用空間梁?jiǎn)卧M。模型總單元數(shù)13.133 6 萬(wàn)個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)11.246 4 萬(wàn)個(gè)。分析過(guò)程中對(duì)周圍邊界約束水平向位移，底部邊界位移全約束。整體模型土體開(kāi)挖見(jiàn)圖7。

圖7 整體模型土體開(kāi)挖

5.2 計(jì)算參數(shù)

卸荷狀態(tài)下土的工程性質(zhì)與加荷狀態(tài)有很大差異?；娱_(kāi)挖過(guò)程中，土體主要是處于卸荷狀態(tài)，因此，土體的模量應(yīng)該取其回彈模量。土體豎向回彈模量取其壓縮模量的5 倍，水平向回彈模量為壓縮模量的3 倍。對(duì)于開(kāi)挖面以上的土體，考慮應(yīng)力誘發(fā)各向異性，通過(guò)試算，確定水平向回彈模量取壓縮模量的2 倍。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度相對(duì)土體較大，所以也相應(yīng)地假定為線彈性材料。土層計(jì)算取值見(jiàn)表2。

表2 各土層計(jì)算取值

5.3 施工期計(jì)算分析

5.3.1 土體及連續(xù)墻變形

由于塢室基坑開(kāi)挖過(guò)程中沒(méi)有任何內(nèi)部支撐，特別是西側(cè)的塢墻，僅依靠坑外卸土以及30m 寬浮箱平臺(tái)限制其自身變形，可能會(huì)發(fā)生較大變形，塢室1、2 區(qū)開(kāi)挖結(jié)束及全部開(kāi)挖結(jié)束塢墻變形見(jiàn)圖8?？梢钥闯觯瑝]室分區(qū)開(kāi)挖過(guò)程中，沿塢室長(zhǎng)度方向的塢墻側(cè)向變形也分區(qū)發(fā)展。其中西側(cè)的塢墻變形較大，且最大側(cè)向變形發(fā)生在基坑開(kāi)挖面附近；東側(cè)的格型地下連續(xù)墻整體剛度較大，因此其側(cè)向變形整體向坑內(nèi)移動(dòng)，沒(méi)有明顯的最大、最小變形。

圖8 塢室分區(qū)開(kāi)挖的塢墻變形

開(kāi)挖過(guò)程中土體的側(cè)向變形見(jiàn)圖9?？梢钥闯?，隨著塢室基坑的開(kāi)挖，塢墻周圍的土體側(cè)向變形開(kāi)始發(fā)展，由于塢室為分區(qū)開(kāi)挖，開(kāi)挖結(jié)束時(shí)土體側(cè)向變形也呈現(xiàn)區(qū)域性。

圖9 開(kāi)挖過(guò)程中土體的側(cè)向變形

5.3.2 位移實(shí)測(cè)驗(yàn)證分析

由施工工況可知，塢室開(kāi)挖過(guò)程中由于塢室內(nèi)部沒(méi)有任何支護(hù)，而且分區(qū)開(kāi)挖過(guò)程中直接挖至塢底后澆筑底板，勢(shì)必導(dǎo)致西塢墻產(chǎn)生指向坑內(nèi)的較大變形。而東塢墻由格型墻構(gòu)成，因此整體剛度很大，加之墻后有卸土，其指向坑內(nèi)的變形較小，比較安全。

為了能直觀地表示塢墻整體的變形情況，選取每個(gè)分區(qū)的中心位置作為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，各分區(qū)測(cè)點(diǎn)依次為測(cè)點(diǎn)1～7，測(cè)點(diǎn)平面布置見(jiàn)10。

圖10 觀測(cè)點(diǎn)布置

同時(shí)對(duì)于格型地下連續(xù)墻的側(cè)向變形也采用各分區(qū)中心位置，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)1～7。各分區(qū)測(cè)點(diǎn)的變形情況如圖11 所示。

圖11 塢室開(kāi)挖結(jié)束塢墻各測(cè)點(diǎn)位移

由圖11 可見(jiàn)，各分區(qū)開(kāi)挖后，其對(duì)應(yīng)的西塢墻達(dá)到一定變形，最大位移位于開(kāi)挖面附近。隨著塢室的繼續(xù)開(kāi)挖，已經(jīng)開(kāi)挖的分區(qū)對(duì)應(yīng)的塢墻變形繼續(xù)發(fā)展，其發(fā)展規(guī)律為:開(kāi)挖面以上部分變形繼續(xù)增大，而開(kāi)挖面以下部分基本保持不變。塢室開(kāi)挖結(jié)束后，由各測(cè)點(diǎn)變形對(duì)比可見(jiàn)，最靠近泵房的測(cè)點(diǎn)1 側(cè)移最小，塢墻中部的測(cè)點(diǎn)4、5側(cè)移最大。這主要是由于西塢墻兩端分別與泵房及格型墻相連，其變形受到約束，充分體現(xiàn)了基坑變形的空間效應(yīng)。

塢室開(kāi)挖結(jié)束格型地下連續(xù)墻前墻與后墻各測(cè)點(diǎn)的側(cè)向變形見(jiàn)圖12。可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果很好地驗(yàn)證了模型計(jì)算結(jié)果的變形趨勢(shì)。格型地連墻因幾何形狀特殊而具有很大的整體剛度，其前墻與后墻各測(cè)點(diǎn)沿連續(xù)墻深度方向變形基本一致，只有在地連墻底端沒(méi)有隔墻的作用，地連墻變形才與上部有一定差異。

圖12 塢室開(kāi)挖結(jié)束前墻及后墻側(cè)向變形

由于塢室基坑長(zhǎng)度很大，因此格型地下連續(xù)墻側(cè)向變形具有一定的空間效應(yīng)，位于基坑兩端的測(cè)點(diǎn)1 和7 的側(cè)向變形較其他測(cè)點(diǎn)小。格型地下連續(xù)墻沿長(zhǎng)度方向不等寬(5、6、7 區(qū)格型墻寬度較小)，其中5、6 區(qū)格型地下連續(xù)墻的側(cè)向變形最大，3、4 區(qū)其次，2 區(qū)較小，基本反映了格型地下連續(xù)墻的空間變形效應(yīng)。另外，格型地下連續(xù)墻本身剛度較大導(dǎo)致其最大側(cè)向變形僅為38.8 mm。

5.4 使用期計(jì)算分析

船塢塢室開(kāi)挖結(jié)束，格型墻后進(jìn)行土體回填的高度與格型墻墻頂高度一致。使用期間墻后土體回填以及使用荷載的作用，使得格型地連墻的變形較施工期進(jìn)一步發(fā)展，見(jiàn)圖13，格型地連墻在回填土及堆載的作用下，最大位移由塢室開(kāi)挖結(jié)束時(shí)的32.15 mm 發(fā)展為40.95 mm。

圖13 使用期地連墻側(cè)向變形

格型地連墻前墻與后墻在施工結(jié)束和使用期的側(cè)向變形見(jiàn)圖14?？梢钥闯?，墻后回填土以及使用荷載的施加使得地連墻的變形進(jìn)一步發(fā)展，但由于整體結(jié)構(gòu)剛度較大，且塢室底部大底板的存在限制了塢室底部地連墻的變形，使用期的變形與施工結(jié)束時(shí)相比沒(méi)有較大增加。塢室底板剛度較大限制了格型墻的側(cè)向變形，導(dǎo)致最大側(cè)向變形發(fā)生于底板以下。格型地下連續(xù)墻最大側(cè)向變形由27.1 mm 增大至35.5 mm，最大側(cè)向位移僅增加8.4 mm，而底板以下位移較墻頂位移增大得較多，墻頂位移較施工完成時(shí)增大了20.3%，墻底位移較施工完成時(shí)增大了53%。

圖14 施工期結(jié)束格型地連墻側(cè)向變形最大位置變形發(fā)展

5.5 綜合分析

1)塢室基坑?xùn)|塢墻采用了格型地連墻的形式，由前、后墻以及隔墻構(gòu)成很大的整體剛度；而且在塢室開(kāi)挖過(guò)程中坑外進(jìn)行了開(kāi)挖卸荷，因此塢室基坑開(kāi)挖過(guò)程中格型地連墻側(cè)向變形較小，最大側(cè)移僅為38.8 mm。另外，隔墻的存在使得格型地連墻豎向抗彎剛度大幅提高，隔墻范圍內(nèi)前、后墻沿深度的側(cè)向變形差異不大。

2)使用期格型地連墻受回填土及使用荷載的影響，其變形進(jìn)一步發(fā)展。使用期格型地連墻最大側(cè)向變形增大至41 mm，其最大側(cè)移發(fā)生位置由地連墻頂下移至塢室底板以下。

6 結(jié)語(yǔ)

1)本文探討研究格型地連墻在超深船塢塢墻結(jié)構(gòu)中的整體建模計(jì)算方法，為同類型項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了工作思路和方法，對(duì)采用格型地連墻擋土的永久結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)步起到了積極的推動(dòng)作用。

2)通過(guò)對(duì)格型地連墻中間隔墻、前墻深度等因素的敏感性分析，總結(jié)各個(gè)因素對(duì)格型地連墻結(jié)構(gòu)受力的影響，對(duì)同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸確定提供借鑒和參考。

3)通過(guò)建立整體三維模型，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比東西側(cè)塢墻在塢室開(kāi)挖過(guò)程中的變形特性，驗(yàn)證了格型地連墻相較于傳統(tǒng)擋土結(jié)構(gòu)具有剛度大、位移小的優(yōu)點(diǎn)，明確了其在超深船塢工程中的適用性。