彭長勝，黃 勝，閆鵬飛

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 水下隧道湖北省工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063; 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

海中深厚軟土地基里隧道明挖法施工截流圍堰方案比選及穩(wěn)定性分析

彭長勝1，黃 勝1，閆鵬飛2

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 水下隧道湖北省工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063; 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

依托澳門大學(xué)專用過海通道明挖法隧道工程，對(duì)海中深厚軟土地基里明挖法隧道采用截流圍堰法施工的適用性進(jìn)行了分析，并通過施工方案比選確定采用固化模袋土堤截流圍堰方案。建立三維彈塑性數(shù)值計(jì)算分析模型，對(duì)所選方案截流圍堰的穩(wěn)定性及其安全系數(shù)進(jìn)行了基于強(qiáng)度折減法、考慮流—固耦合的數(shù)值分析。分析結(jié)果和施工實(shí)踐均表明，設(shè)計(jì)及施工方案滿足規(guī)范要求，能夠保證施工安全。

圍堰 海中深厚軟土地基 適用性 方案比選 強(qiáng)度折減法 流—固耦合

圍堰是在河道中修建的臨時(shí)建筑物，用以維護(hù)永久性水工建筑物的施工，使之在不受河道水流影響的條件下進(jìn)行施工。圍堰為基坑內(nèi)的干作業(yè)施工提供保障，直接關(guān)系到主體建筑物的施工安全、工期及造價(jià)。因而其穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)工程極為重要［1］。

作為臨時(shí)性建筑，大多數(shù)圍堰都要在永久性建筑修建完成后拆除，具有施工難度大、工期緊、河床覆蓋層清挖工作量大、防滲要求高等特點(diǎn)。圍堰的穩(wěn)定性及其防滲能力是工程設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

近年來，有限單元法、有限差分法等計(jì)算方法在巖土工程滲流與穩(wěn)定分析中得到了推廣和重視。文獻(xiàn)［2-8］利用FLAC3D，GeoStudio等數(shù)值分析軟件，對(duì)三峽二期工程圍堰滲流穩(wěn)定性、溪洛渡水電站上游圍堰等進(jìn)行了研究，得出了對(duì)圍堰設(shè)計(jì)和施工有指導(dǎo)性意義的重要結(jié)論。但是，目前對(duì)海中深厚軟土地基明挖法隧道采用截流圍堰法施工的研究還較少見。

本文依托橫琴島澳門大學(xué)新校區(qū)專用海底隧道工程，研究海中深厚軟土地基明挖法隧道采用截流圍堰法施工的適用性，并進(jìn)行了施工方案比選，結(jié)合優(yōu)選后的圍堰方案，建立彈塑性三維數(shù)值分析模型，對(duì)截流圍堰的穩(wěn)定性及其安全系數(shù)進(jìn)行了基于強(qiáng)度折減法、考慮流—固耦合的數(shù)值分析，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

橫琴島澳門大學(xué)新校區(qū)海底隧道工程西起于澳門大學(xué)橫琴校區(qū)規(guī)劃環(huán)島路，下穿十字門水道，東至澳門路環(huán)蓮花海濱大馬路，是為服務(wù)于澳門大學(xué)橫琴新校區(qū)而新建的專用過海通道，起到了連接橫琴島校區(qū)與澳門的作用，海峽淺平，寬約 500 m，水深約 0.7～3.8 m。

過海隧道全長1 528 m，為兩條分離式隧道。其中K0+000—K0+150為路基開挖段，長 150 m;K0+ 150—K0+370，K1+400—K1+528為隧道引道 U型槽段，長度分別為120，128 m;K0+370—K1+400為隧道工程段，長 1 030 m。隧道設(shè)計(jì)頂板高程約－16.26～5.57 m，底板高程約－26.36～2.01 m。

2 施工方案

2.1 截流圍堰適用性分析

盾構(gòu)法、沉管法是修建海底隧道的主流工法，適用于長距離水下隧道的建設(shè)。目前沉管隧道單個(gè)管節(jié)長度可達(dá)200 m以上。盾構(gòu)法修建的隧道如果長度不超過10 km則很難保證其經(jīng)濟(jì)效益。

擬建海底隧道長度較短，所處水域水深較淺，隧道埋深不大，盾構(gòu)法和沉管法均不適用此工程項(xiàng)目，因此采用截流圍堰結(jié)合明挖法進(jìn)行主體隧道結(jié)構(gòu)施工。

圍堰坐落在第四系全新世海陸交互相沉積層上，表層淤泥層厚3.90～17.30 m，平均厚度10.63 m，為高壓縮性土，其次為黏土、淤泥黏土。

2.2 截流圍堰方案比選

對(duì)固化模袋土堤圍堰及施工土堤圍堰兩種方案進(jìn)行比選，詳述如下。

1)固化模袋土堤方案。固化模袋土堤方案堤身典型斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。堤身采用固化模袋土。圍堰采用斜坡式結(jié)構(gòu)，堤頂寬度6 m，堤頂高程2.94 m，海堤內(nèi)外側(cè)坡比均為1∶2。根據(jù)不同區(qū)域的波浪情況，圍堰外側(cè)采用厚度300 mm漿砌塊石護(hù)面。

圖1 固化模袋土堤方案典型斷面(單位:mm;高程單位:m)

2)施工土堤方案。在隧道施工范圍內(nèi)做一條高出水面的施工輔助土堤，土堤頂寬約65 m，隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接在土堤頂上施工，然后再從土堤頂往下開挖到基坑底。該方案基坑深度比固化模袋土堤方案深約7 m，最深處達(dá)32 m。施工土堤方案堤身典型斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示，堤身采用固化模袋土。

圖2 施工土堤方案典型斷面(單位:mm;高程單位:m)

3)方案對(duì)比

兩種方案對(duì)比見表1。綜合考慮各種因素，采用固化模袋土堤方案。

2.3 截流圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍堰平行于海底隧道兩側(cè)布設(shè)。隧道北側(cè)擋水圍堰長494 m，隧道南側(cè)擋水圍堰長533 m。圍堰屬于臨時(shí)建筑物，建筑物等級(jí)為4級(jí)。堤頂高程4.33 m，堤頂寬度6 m，原泥面高程0～－4.90 m，圍堰高4.33～9.23 m。迎水坡和背水坡坡比均為1∶2，背水面、迎水面拋填袋裝砂。在0.94～1.94 m高程處設(shè)置平臺(tái)，平臺(tái)寬度背水面為10 m，迎水面為8 m。在圍堰底部設(shè)一層單向土工格柵。

表1 圍堰方案對(duì)比

圍堰防滲采用迎水面鋪設(shè)一層防滲復(fù)合土工膜和堤身設(shè)單排垂直鋪塑防滲帷幕墻的防滲結(jié)構(gòu)。圍堰彎折及與兩側(cè)堤岸連接處防滲帷幕采用高壓旋噴樁防滲帷幕，圍堰彎折處采用單排套接，兩側(cè)堤岸連接處采用雙排套接，樁徑為100 cm，樁間距為80 cm。高壓旋噴樁設(shè)計(jì)滲透系數(shù)為(1～9)×10－6cm/s;垂直鋪塑防滲帷幕設(shè)計(jì)滲透系數(shù)為(1～9)×10－12cm/s。

2.4 截流圍堰地基加固

在充填袋裝砂堤圍堰之前需對(duì)地基進(jìn)行處理。在原泥面鋪設(shè)土工格柵及土工布;吹填砂被2層(約1 m

厚);打設(shè)塑料排水板，穿過圍堰的淤泥層，排水板間距為1.0 m，按正方形布置;充灌充填袋裝砂形成堤身。加載210 d后淤泥層沉降固結(jié)度應(yīng)達(dá)到70%以上。施工中采用分級(jí)載入，結(jié)合檢測結(jié)果調(diào)整加載速率，確保圍堰穩(wěn)定。施工時(shí)應(yīng)保證塑料排水板不扭曲。

對(duì)堤高超過7.83 m的圍堰，在圍堰內(nèi)側(cè)采用水下深層水泥攪拌樁加固堤腳處淤泥。水泥攪拌樁樁徑為1 000 mm，按1.6 m×1.6 m間距布設(shè)。水泥攪拌樁采用水泥、外加劑和水的拌合體(水泥漿液)作為固化劑，水泥宜選用強(qiáng)度等級(jí)32.5以上。

3 截流圍堰穩(wěn)定性分析

圍堰穩(wěn)定性和滲流分析計(jì)算斷面選在具有代表性的水道中央段。由于結(jié)構(gòu)及邊界條件的對(duì)稱性，為減小計(jì)算規(guī)模，選取半結(jié)構(gòu)(一個(gè)圍堰截面)進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算時(shí)圍堰主體結(jié)構(gòu)按照彈性模型計(jì)算，地層按照彈塑性模型計(jì)算。參考基坑勘察報(bào)告，選取如表2所示的材料參數(shù)。

表2 模型材料力學(xué)參數(shù)

3.1 基于強(qiáng)度折減法的圍堰穩(wěn)定性分析

土坡的安全系數(shù)定義為把強(qiáng)度指標(biāo)減小到邊坡臨界破壞時(shí)的強(qiáng)度指標(biāo)折減的系數(shù)。黏聚力 c、內(nèi)摩擦角φ按下式進(jìn)行折減［9-12］。

式中:c'，φ'分別為折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角;Ftrial為試算的安全系數(shù)。

通過不斷地調(diào)整土體的c，φ值對(duì)土坡進(jìn)行分析，直至其達(dá)到臨界破壞，此時(shí)得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。通過FLAC3D的分析和后處理可很快找出滑裂面。此方法的優(yōu)點(diǎn)是安全系數(shù)可直接求出，不需要事先假設(shè)滑裂面的形式和位置。另外可以考慮土坡漸進(jìn)破壞過程和變形對(duì)穩(wěn)定的影響。

根據(jù)上述強(qiáng)度折減法基本思想，在FLAC3D中自行編制求解圍堰安全系數(shù)的程序，計(jì)算得到安全系數(shù)為1.107，該安全系數(shù)大于《水利水電圍堰設(shè)計(jì)導(dǎo)則》［13］中規(guī)定的安全系數(shù)(1.05)，說明該圍堰的整體穩(wěn)定性滿足要求。

計(jì)算結(jié)果顯示，在整體模型右側(cè)邊界的上部產(chǎn)生了方向向上的速度矢量，表明塑性流動(dòng)沿著人工邊界發(fā)生。這是不真實(shí)的速度矢量，其原因是破壞機(jī)制受到了人工邊界的限制。

3.2 考慮流—固耦合的圍堰穩(wěn)定性分析

為了真實(shí)模擬水流對(duì)圍堰的實(shí)際作用，考慮流—固耦合作用，在FLAC3D中建立該圍堰的整體三維模型進(jìn)行計(jì)算。

按照流—固耦合的基本原理計(jì)算得到的圍堰整體塑性區(qū)分布如圖3所示，圍堰的滲流孔隙壓力分布如圖4所示。

圖3 考慮滲流作用時(shí)圍堰整體塑性區(qū)分布

圖4 圍堰的滲流孔隙壓力分布

由圖3可知，活性塑性區(qū)域只在模型左邊界上表面零星存在，并沒有形成連續(xù)的區(qū)域，說明此時(shí)圍堰沒有發(fā)生破壞，是穩(wěn)定的。由圖4可知，圍堰表面的漿砌石護(hù)面及中央底部的攪拌樁加固體起到了很好的防水和擋水的作用，迎水側(cè)的滲流力并未穿透圍堰加固體。

4 結(jié)論

1)對(duì)于長度較短，所處水域水深較淺的淺埋海底隧道，采用截流圍堰施工方法是合理的。

2)通過圍堰方案比選，擬建海底隧道采用了固化模袋土堤施工方案。所設(shè)計(jì)的固化模袋土堤截流圍堰，經(jīng)基于強(qiáng)度折減法、考慮流—固耦合的數(shù)值分析，滿足圍堰的整體穩(wěn)定性要求。

3)固化模袋土堤截流圍堰在澳門大學(xué)過海明挖法隧道的施工中保證了工程的安全，效果良好。

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(責(zé)任審編 李付軍)

TU447;U459.5;U455.49

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.16

2015-03-04;

:2015-04-26

彭長勝(1979— )，男，江西修水人，高級(jí)工程師。

1003-1995(2015)09-0053-04