陳向紅， 陶連金， 劉春曉， 安林軒， 安軍海

(北京工業(yè)大學建筑工程學院， 北京 100124)

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放坡疏浚對海陸交接段隧道穩(wěn)定性的影響研究

陳向紅， 陶連金， 劉春曉， 安林軒， 安軍海

(北京工業(yè)大學建筑工程學院， 北京 100124)

為了研究航道疏浚對水下隧道結構的影響，選取海陸交接處的隧道段作為分析對象，考慮隧道圍巖為基于Drucker-Prager屈服準則的連續(xù)介質，利用ANSYS有限元軟件分析了航道疏浚對結構變形、受力的影響，重點對航道放坡疏浚條件下放坡坡度、回淤厚度及疏浚工序等因素的影響程度進行了研究。數(shù)值計算結果表明：航道疏浚清淤增加了沿隧道縱向的差異變形，且影響較大的水域段最大豎向位移發(fā)生在隧道頂部，而最大等效應力則出現(xiàn)在隧道兩側；航道疏浚放坡坡度大小除了與坡體本身的穩(wěn)定性相關外，在水深一定條件下，坡度的改變對結構水域段和陸域段的影響甚微，主要影響到放坡段的結構變形和內力變化速率，實際工程中應綜合經(jīng)濟性評價與效果分析確定疏浚坡度的取值；此外，回淤、再清淤厚度對結構變形和內力的影響也是航道規(guī)劃、設計中需要考慮的主要問題。

水下隧道； 航道放坡疏浚； 坡度系數(shù)； 回淤厚度； 數(shù)值模擬

0 引言

近年來，作為一種新型環(huán)保的跨水域交通手段，水下隧道在國內外不斷得到開發(fā)，并持續(xù)向著長大化深度發(fā)展[1]。然而，由陸地水系攜帶的泥沙等沖填物常在水底形成深厚淤積層，從而堵塞航道、污染水質，需要定期清淤以滿足正常通航，維護河流生態(tài)環(huán)境[2-3]，同時考慮航道開挖可能引起的隧道過大上浮等風險[4-5]，合理規(guī)劃航道，調查航道施工對水下隧道穩(wěn)定性的影響，是目前亟待解決的研究課題。

近幾年來，國內外有關航道開挖對水下隧道的影響研究常見于沉管隧道[6-9]，而對于深埋盾構隧道的影響研究較少。其中，黃俊等[10]采用數(shù)值模擬方法分別研究了航道疏浚深度、疏浚工序及回淤厚度對海底盾構隧道結構縱向變形和受力的影響；王道遠等[11]則基于彈性地基梁彎曲模型，對運河開挖卸荷下的隧道縱向上浮量進行了預測研究。上述學者盡管對水下盾構隧道的航道施工工況進行了一定研究，但未考慮航道疏浚放坡坡度的影響問題。當前，隨著國內各港口(長江口和珠江口等)、瓊州海峽、臺灣海峽通道的前期規(guī)劃、研究和設計工作的相繼開展，海底隧道工程的結構穩(wěn)定性問題日益凸顯。鑒于此，本文針對媽灣盾構隧道海陸交接段的結構穩(wěn)定問題，通過數(shù)值模擬方法，開展了疏浚放坡坡度、回淤厚度和施工步序等因素對隧道結構變形和內力的影響分析研究。

1 工程概況

擬建媽灣隧道為深埋式盾構公路隧道，主要承擔南山港區(qū)的疏港貨運交通。航道測試水深約5.0 m；遠期航道底高程-19.3 m(黃海高程系)；盾構隧道埋深為規(guī)劃航道下方10 m，設計外徑為φ15 m，壁厚0.65 m，環(huán)寬2 m，左、右線凈間距為15 m；陸地高出自由水面約5 m，為確保岸邊結構的穩(wěn)定，航道采用放坡疏浚方案，航道疏浚斷面見圖1。

圖1 航道疏浚斷面示意圖

Fig. 1 Cross-section showing channel dredging

由地質勘查報告，該段土層從上至下依次為人工填石(素填土)、淤泥、中粗砂、全-強風化花崗巖、中-微風化花崗巖。

2 模型與結果分析

2.1 模型尺寸、參數(shù)及假定

本文針對媽灣隧道海陸交接段結構，采用ANSYS軟件進行模擬，計算模型如圖2所示，模型尺寸沿隧道縱向水域段與陸域段各取值100 m，寬度方向取半結構(邊界距離隧道近端一側為5D，D為隧道直徑)，坡段寬度根據(jù)放坡坡度確定。模型上方取至地層自由面，下至隧道底以下80 m(約5D)；隧道和圍巖均采用六面體實體單元，底邊界限制豎向位移，左邊界與前后邊界限制水平位移，右邊界為對稱邊界。擬建隧道深埋在具有一定結構性的花崗巖地層，參照志波由紀夫的等效連續(xù)模型，將隧道簡化為具有等效剛度的均勻線彈性體[12]；淤泥介質則按非牛頓流體以靜壓力作用在規(guī)劃航道底面[13-14]。計算時通過對淤泥壓力和靜水壓力相互轉化，以實現(xiàn)清淤和回淤的過程模擬。假設在海陸交接位置的地層近似呈水平分布，不計巖層中水的滲流和浮力影響，選用符合Drucker - Prager準則的彈塑性本構模型。由地質勘查報告和隧道方案資料，圍巖與結構參數(shù)見表1和表2。

圖2 海陸交接段三維計算模型(單位：m)

Fig. 2 3D calculation model of land-sea connecting area(m)

表1 地層計算參數(shù)

Table 1 Calculation parameters of strata

地層名稱h/mE/MPaμγ/(kN/m3)c/kPaφ/(°)人工填土(石)15100.319220淤泥1016.4中粗砂6180.3520030全-強風化巖121000.32223225中-微風化巖4725400.22560040

表2 支護結構計算參數(shù)

Table 2 Calculation parameters of supporting structures

材料類型 t/mE/MPaμγ/(kN/m3)隧道管片0.65345000.225漿液結石體2.52000.2523

考慮到結構分析斷面應具有代表性，用于隧道結構變形與內力分析的觀測點布置如圖3所示，觀測點分別選擇在距離模型前后邊界40 m、航道疏浚前水底、航道坡頂及坡腳位置處。

圖3 隧道分析截面位置示意圖(單位：m)

Fig. 3 Location of analytical sections of tunnel(m)

2.2 模型比較

為驗證有限元模型計算結果的可靠性，首先與Winkler彈性地基梁模型作對比，梁計算長度包括水面以下坡段和水域段部分。根據(jù)表1和表2所列參數(shù)，依據(jù)Vlazov理論[13]定義隧道計算段基床系數(shù)均取10 000 kN/m3，隧道縱向等效抗彎剛度EI= 1.668 × 1010kN·m2，隧道單位長度受到的靜態(tài)上浮力按清淤引起的卸載大小考慮，當清淤厚度為10 m、邊坡坡度系數(shù)為1∶2時，水域段上浮力為64 kN，坡段按三角形荷載由水底位置向坡腳逐漸遞增，采用與文獻[11]相同的邊界條件設置。由此求得Winkler理論解與數(shù)值解的比較結果如圖4所示。

圖4 隧道縱向上浮曲線

Fig. 4 Curve of longitudinal uplifts of shield tunnel

由圖4分析可知，由于簡化處理時坡段地基反力系數(shù)取值與水域段相同，以及未考慮地層間的水平剪力傳遞效應，理論解明顯偏高。但在遠離坡段位置，最大上浮量誤差為2.98%，理論解和有限元數(shù)值解所繪制的曲線幾乎重合，且沿隧道結構縱向上浮量變化規(guī)律與文獻[10]和文獻[11]中隧道兩頭的分析結論一致。

2.3 隧道結構受力分析

航道疏浚前后隧道截面最大豎向位移與等效應力沿隧道縱向的分布規(guī)律如圖5和圖6所示。

分析圖5和圖6中曲線可知：

1) 航道疏浚前后，由于航道的開挖卸荷作用，水域段隧道出現(xiàn)較明顯的抬升，沿隧道縱向最大上浮量為3.12 mm，沿隧道坡段周壁任意點的位移梯度為0.02%，滿足變形限值要求[15-16]。

2) 沿隧道縱向最大等效應力為14.5 MPa，最大等效應力差則由4.25 MPa增至5.87 MPa。結構最大等效應力變化值為1.62 MPa，滿足隧道管片材料強度要求。

3) 由于航道開挖邊坡的影響，海陸交接段的連接長度增加，隧道位移和等效應力由陸域向水域呈近似拋物線式平緩發(fā)展；由于清淤引起的結構受力變化，隧道響應曲線由近陸域部分的凸曲線逐漸過渡為近水域部分的凹曲線。

4) 當疏浚放坡坡度系數(shù)較大，坡道較陡時，水-土、水-氣之間材料屬性差異對隧道結構變形和應力發(fā)展的影響不顯著。

圖5 航道疏浚前后隧道縱向最大豎向位移分布

Fig. 5 Distribution of maximum vertical displacements of tunnel before and after channel dredging

圖6 航道疏浚前后隧道縱向最大等效應力分布

Fig. 6 Distribution of maximum equivalent stresses of tunnel before and after channel dredging

1#和5#觀測點沿隧道截面環(huán)向各點相對起拱線豎向位移與等效應力分布規(guī)律如圖7和圖8所示。

(a) 1#觀測點

(b) 5#觀測點

Fig. 7 Relative displacement distribution of spring line on tunnel cross-section

(a) 1#觀測點

(b) 5#觀測點

Fig. 8 Equivalent stress distribution on tunnel cross-section

從圖7和圖8可以看出，航道疏浚前后，沿隧道截面環(huán)向各點豎向位移和等效應力受影響較大位置均出現(xiàn)在水域段。其中，位移最大位置發(fā)生在隧道拱頂，拱底則產(chǎn)生與拱頂反向的變形；受三向應力狀態(tài)影響，結構最大等效應力出現(xiàn)在隧道兩側。

3 航道放坡疏浚方案的參數(shù)影響分析

3.1 放坡坡度的影響關系

其他條件不變，不同疏浚坡度下隧道截面最大豎向位移和等效應力的分布規(guī)律如圖9和圖10所示。

由圖9和圖10計算結果可知：

1) 當坡度系數(shù)由1∶2減小至1∶10時，隧道截面沿縱向最大豎向位移和等效應力變化趨于平緩，由陸域向水域發(fā)展的過渡效應逐漸減弱。由此可見，減緩航道疏浚放坡坡度在一定程度上減弱了直立邊坡或大坡度陡坡引起的應力集中現(xiàn)象，縮減結構節(jié)點處理開支。但從另一角度看，邊坡的無限放緩也限制了航道的開發(fā)和岸邊的充分利用。因此，需要合理的規(guī)劃航道坡度以滿足結構穩(wěn)定性和空間使用效率的雙重要求。

2) 隨著坡度放緩，航道放坡段結構縱向最大豎向位移和等效應力分布曲線受上覆水和淤泥等介質材料的屬性影響越顯著。隧道反應曲線由較明顯的“凸-凹”單拐點曲線逐漸向著多拐點、多段線的連接方式轉換，曲線曲率亦隨之減小。

3) 在航道邊坡坡頂和坡底位置，結構反應變化速率較大，需要對坡段兩端位置處地層與結構的加固方式及效果做進一步研究。

圖9 不同坡度下隧道縱向最大豎向位移分布

Fig. 9 Distribution of longitudinal maximum vertical displacements of tunnel under different dredging gradients

圖10 不同坡度下隧道縱向最大等效應力分布

Fig. 10 Distribution of longitudinal maximum equivalent stresses of tunnel under different dredging gradients

3.2 回淤厚度的影響關系

航道疏浚后一段時間內均有回淤，分別對2～9 m的回淤厚度進行分析，不同回淤厚度下各測點最大豎向位移、等效應力變化趨勢如圖11和圖12所示。

由圖11和圖12分析可知：

1) 當回淤厚度由2 m增至9 m時，結構最大豎向位移和等效應力與之基本呈線性增長關系，且受回淤厚度影響較大位置均發(fā)生在水域段(4#、5#)。

2) 航道回淤、清淤屬于“加載—卸載—再加載再卸荷”的循環(huán)過程，需要通過優(yōu)化結構和地層參數(shù)來降低由于荷載變化對隧道穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。

圖11 不同回淤厚度下各測點最大豎向位移變化規(guī)律

Fig. 11 Maximum vertical deformation of tunnel measured at different monitoring points under different back-silting depths

圖12 不同回淤厚度下各測點最大等效應力變化規(guī)律

Fig. 12 Maximum equivalent stresses of tunnel measured at different monitoring points under different back-silting depths

3.3 施工步序的影響關系

航道清淤、回淤2 m及二次清淤施工步序下各測點最大豎向位移與等效應力相對疏浚前的增幅變化規(guī)律如圖13和圖14所示。

圖13 各測點最大豎向位移增幅

Fig. 13 Amplification of maximum vertical deformations of tunnel measured at different monitoring points

圖14 各測點最大等效應力增幅

Fig. 14 Amplification of maximum equivalent stresses of tunnel measured at different monitoring points

由圖13和圖14可知，位于水域段的5#測點和坡腳4#測點受航道疏浚的影響最大，其中，由清淤引起的最大豎向位移和應力增幅：5#測點為-11%和-15%，4#測點為-7%和-10%；回淤2 m后位移和應力有所回彈，二次清淤又再次使位移和應力接近航道清淤時水平。由此可見，控制回淤厚度不變，航道清淤后的結構變形和應力水平呈振蕩變化。

4 盾構隧道加固方案

在水下隧道上方施工須滿足國家及地方相關法律、法規(guī)的要求[17-18]。航道設計時應考慮在水下隧道防護地段設置禁止拋錨或疏浚等航行及施工警示裝置，或考慮安全和經(jīng)濟性優(yōu)化覆蓋層厚度，以及對隧道進行防護加固等保護處理措施，以保障隧道施工與運營安全。

4.1 隧道結構加固方案

優(yōu)化隧道襯砌幾何和材料參數(shù)，以實現(xiàn)控制結構變形，達到減小沉降或防止過大上浮的目的。其中，使用高強度、高延展性新型材料和增加襯砌厚度，是提高結構抗彎剛度的有利舉措； 但同時限制了隧道空間開發(fā)，增加振動荷載作用下的吸收能，對結構穩(wěn)定和受力均不利。

海陸交接段的邊坡坡角位置為應力集中區(qū)，最大相對位移亦出現(xiàn)在該區(qū)域，因此，可考慮設置大變形環(huán)，以緩沖差異沉降。

4.2 地層加固方案

由理論分析可知，在相同荷載作用下，地基反力系數(shù)越高，則支撐在地基上的結構變形量越小，尤其當原有地層反力系數(shù)小于10 000 kN/m3，地層加固后的影響效果越顯著[11]。

對于本文中深埋于地基反力系數(shù)較高巖層中的隧道結構，為控制航道施工引起的過大上浮位移，除了必要的隧道襯砌壁后注漿外，一方面，從隧道內沿隧道徑向打深孔錨桿樁，其中錨桿長度需大于巖層厚度，其目的是為了建立不同地層間的協(xié)同工作能力，提高地層整體抗彎剛度； 另一方面，從水底鉆孔注漿加固地層，其目的同前者一致，鉆孔深度以達到巖層并具有一定錨入深度為基準，注漿段厚度可通過參數(shù)分析和經(jīng)濟性評估確定； 但考慮水下施工難度較大，加固效果難以控制，同時對航道運營亦存在一定影響。

5 結論與討論

本文針對航道放坡疏浚對水下隧道的影響開展了研究，通過與簡化模型及文獻計算隧道縱向位移分布規(guī)律的比較證明了本文方法的可靠性。所得結論如下。

1) 航道施工在隧道海陸交接處產(chǎn)生位移和應力差，在疏浚放坡段位移速率較大，朝著水域或陸域方向逐漸下降，因此，可通過在差異變形較大位置設置大變形環(huán)或優(yōu)化地層注漿參數(shù)，以緩沖差異變形的不利影響。

2) 航道疏浚主要對水域隧道段產(chǎn)生較大影響，且受影響程度較大位置中最大位移發(fā)生在拱頂，而最大等效應力則出現(xiàn)在隧道兩側。

3) 航道疏浚坡度主要影響到放坡段的結構變形和內力變化速率，隨坡度減小結構反應曲線趨于平緩，位移變化速率降低。但考慮到放坡坡度不能無限小，坡段位置仍然是今后水下隧道加固處理的重要環(huán)節(jié)。

4) 隧道結構變形和應力與回淤厚度呈近似線性關系，并隨著回淤、再清淤的施工進展，其結構變形和應力水平呈振蕩變化。

本文對航道放坡疏浚下隧道海陸交接段的穩(wěn)定性問題進行了初步研究，相關的研究工作仍需結合更詳細的地質水文勘察、安全評估報告和健康監(jiān)測資料進行定量的分析和反饋，并根據(jù)結構變形控制指標指導施工，對可能存在的風險提出及時可行的加強處理措施和補救方案。

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Study of Influence of Grading and Channel Dredging on Stability of Subsea Tunnel in Land-sea Connecting Area

CHEN Xianghong, TAO Lianjin, LIU Chunxiao, AN Linxuan, AN Junhai

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

For studying the influence of channel dredging on underwater tunnel structure, taking subsea tunnel in the land-sea connecting area for example, the surrounding rock is modeled as continuous media based on Drucker-Prager yield criterion. The influencing degrees of the channel dredging, including the channel dredging gradient, the alluvium thickness and the dredging working procedure, etc, on tunnel structure deformation and stress are studied by means of finite element software ANSYS. The numerical calculation results show that: 1) The differential deformations along the longitudinal direction of tunnel is increased by channel dredging; the vertical displacement of tunnel roof at underwater section is the largest; and the equivalent stresses of the both sides of tunnel are the largest. 2) The grading gradient is related to slope; the change of gradient affects structure in land and water a little, and mainly affects the deformation and stress of structure in grading section. 3) The influence of back-silting and desilting thickness on structural deformation and internal force should also be considered in the channel planning and design phases.

underwater tunnel; grading and channel dredging; gradient coefficient; alluvium thickness; numerical simulation

2016-02-01；

2016-04-01

北京市市政工程設計研究總院有限公司委托橫向課題(2014W063)

陳向紅(1978—)，男，河北保定人，2013年畢業(yè)于北京交通大學，巖土工程專業(yè)，博士，講師，主要從事地下工程領域的教學與科研工作。E-mail：07872@bjut.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.006

U 459.5

A

1672-741X(2016)07-0806-06