摘要：由于具有工程性能好，施工简便，可重复利用，适用性强等特点，钢板桩围堰在越来越多的工程中得到应用。在龙湖地区隧道工程中，综合考虑结构稳定性、防渗性能、沉拔桩难易程度等因素，设计两种钢板桩围堰方案，分别采用plaxis和slide有限元分析软件对两种方案进行结构变形及渗流计算，综合考虑施工条件，分析两种方案的优缺点及适用条件。
关键词：钢板桩围堰；有限元；龙湖隧道
0引言
钢板桩围堰是桥梁、隧道、管线等穿河建筑物常用的围堰传统工艺之一，其具有灵活机动、适应性强、可重复利用、效率高、成本低、工艺成熟等优点[1]。双排钢板桩围堰在安全可靠性方面又更胜于单排钢板桩围堰。但是在密实砂性地质情况下，钢板桩的入土深度受到较大限制，而砂性土透水性强的特点又要求围堰具有较强的防渗功能。在龙湖地区隧道工程建设中，对双排钢板桩围堰的结构安全与防渗性进行综合分析[2]。其成果对今后类似工程的围堰设计将会具有借鉴与指导意义[1]。
1工程概况
龙湖地区规划定位为城市旅游休闲服务中心和以生态为特色的高档居住区。为将龙湖地区建设为国际金融商务核心区；改善龙湖金融岛区域的交通环境，分流北三环和九如路等干道交通压力；畅通对外交通、支撑龙湖地区发展的需要，急需在构建龙湖金融岛外环线的基础上建设龙源十街、龙翼二街等对外通道，分流、均衡金融岛到发交通，充分发挥通道对外功能。其中，龙湖隧道工程过湖段采用明挖法施工，需作临时围堰，创造干地施工条件。在工程基坑范围内，除地表层分布有厚度不均的杂填土外，勘探深度50.0m深度范围内地层约37m以上主要为第四系全新统（Q4）冲洪积形成的粉质黏土、粉土、粉砂、细砂等，约37.0m以下主要为第四系上更新统（Q3）冲洪积形成的粉质黏土、粉土、细砂等土层。龙湖是人工开挖蓄水形成的城市内湖，湖面面积约6km2，湖底标高为78.50m，正常蓄水位为85.50m，现状实测水位84.50～85.00m，龙湖没有行洪排涝作用，远期正常蓄水位为85.50m。由于围堰挡水高度较大（6～7m）、湖底土层以透水性强的砂性土为主，围堰结构存在结构变形、整体稳定、渗流稳定及施工对水质环境影响等安全隐患，因此需对围堰结构进行专项研究分析。
2钢板桩围堰方案
根据《水利水电工程围堰设计规范》（SL645—2013），《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303—2004），该工程临时围堰等级可定为4级，龙湖近期水位保持84.50～85.00m，因此钢板桩围堰顶标高为85.50m。双排钢板桩围堰考虑整体刚度，顶宽取6m，兼作施工便道。双排钢板桩中间回填砂性土，填土与钢板桩之间铺设一层土工布防止漏土，砂土顶部铺设一层厚袋装土，袋装土上铺设泥结碎石路面作为人行施工便道，厚200mm，路面上方迎水侧堆袋装砂袋，宽度为1～2m，两侧坡度1∶1，两排钢板桩用钢拉杆连接，规格为，上下各一根，背水侧钢板桩后设置袋装土，高度2m，宽度2～6m，坡度1∶2。袋装堆土后开槽排水沟，排水沟内分层铺填碎石、中粗砂、细砂，每层厚度为200mm，上粗下细。围堰出土高度7m，考虑自身稳定性和防渗要求，提出以下两种钢板桩围堰方案。
2.1方案一：双排钢板桩（自身止水）方案
双排钢板桩断面结构设计：U型钢板桩规格PU600×210×18000，钢板桩顶标高为85.00m，底标高为67.00m（见图1）。在方案一中，18m钢板桩既起挡土作用，兼具防渗帷幕作用。
2.2方案二：双排钢板桩+止水帷幕方案
双排钢板桩断面结构设计：U型钢板桩规格PU600×210×12000，钢板桩顶标高为85.00m，底标高为73.00m（见图2）。在两排钢板桩回填土底部打三轴搅拌桩止水帷幕至不透水层，规格为，L=22m，搅拌桩底标高为55.00m。在方案二中，钢板桩起结构稳定、挡土作用，防渗主要依靠搅拌桩止水帷幕。
3结构变形及渗流计算
3.1结构变形计算
为了分析施工期水头压力对临时围堰结构的变形影响，采用有限元分析软件PLAXIS，建立了水头压力作用下双排钢板桩围堰的二维有限元模型，进行了弹塑性有限元计算，预测施工期水压力作用引起临时围堰的变形。
3.2渗流计算
考虑湖底土层为砂性土，拉森钢板桩围堰施工需做好锁口止水措施，采用有限元分析软件Slide，建立了水头压力作用下双排钢板桩围堰的二维有限元模型，进行了渗流量计算。
3.3计算结果
两种钢板桩围堰方案结构变形及渗流稳定计算结果。方案一水平和垂直变形均明显小于方案二，最大变形部位均在钢板桩与基坑接触面。但是方案二的抗渗稳定性明显优于方案一，每100延米渗流量仅为方案一的约四分之一。两个方案各有优点，且不会发生渗透破坏。
4结论
根据以上计算结果，分析两种钢板桩方案的优缺点：（1）钢板桩自身止水方案由于入土深度较大，打拔桩成功率低于钢板桩+止水帷幕方案，且该工程地基土为密实度较高的砂性土，桩长较长的情况下需要采用水刀、螺旋钻等辅助沉桩措施，施工难度较大。（2）钢板桩+止水帷幕方案的搅拌桩止水帷幕打至不透水层，止水效果明显更好。如采用方案一，施工期抽降水措施费较高；如采用方案二，由于多一种施工工艺，需考虑机械进场费用及工序衔接等经济和时间成本的增加。（3）钢板桩自身止水方案施工工序少于钢板桩+止水帷幕方案，但由于打拔深度较深，增加了施工难度，从而增加了施工工期。（4）两种围堰方案的选择需结合主体工程施工、以及现场试桩结果综合考虑。若主体工程施工中需采用三轴搅拌桩工艺，则大大降低了方案二的经济成本；若试桩沉桩速度较快，则方案一能明显提高施工效率，降低施工难度；若试桩沉桩难度较大，则方案二的钢板桩与搅拌桩帷幕结合的型式能更好地解决稳定与防渗问题。
参考文献：
[1]邹志业.双排钢板桩围堰结构的计算分析与研究[D].南京:河海大学，2000.
[2]邓鲲鹏.基于有限元的钢板桩围堰设计方案分析[J].水利与建筑工程学报，2011，09（6）:112-115.
作者:余雯 单位:上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司
