楊蔚為

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200056）

1 概述

海塘又名海堤、防浪堤和海擋，是防御風(fēng)暴潮水和波浪對(duì)防護(hù)區(qū)的危害而修筑的堤防工程。上海市北枕長(zhǎng)江口，南瀕杭州灣，由長(zhǎng)江南岸、杭州灣北岸及崇明、長(zhǎng)興、橫沙三島組成的海塘擔(dān)負(fù)著保護(hù)上海市人民生命財(cái)產(chǎn)安全和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重任。截止2013年，全市主海塘總長(zhǎng)度約495.4 km，與主海塘非重合的一線(xiàn)海塘長(zhǎng)約523.0 km，主要備塘總長(zhǎng)約201.5 km，零星次要備塘總長(zhǎng)約305.9 km[1]。

上海地區(qū)某海塘位于長(zhǎng)興島南岸，下部有長(zhǎng)江隧道穿越，詳見(jiàn)圖1所示。該海塘堤身于2005年圈圍造地建成，2011年在堤身上新建防浪墻使之達(dá)到200a一遇高潮位加12級(jí)風(fēng)（允許越浪）的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。從海塘建成到2017年之間陸續(xù)發(fā)現(xiàn)坡面沉降、局部塌陷，柵欄板懸空、錯(cuò)斷等現(xiàn)象。

圖1 工程位置圖

2018年管理單位委托專(zhuān)業(yè)單位采用超聲波法對(duì)海塘坡面下部進(jìn)行物探，結(jié)果顯示坡面下方堤身土流失嚴(yán)重，存在較多疏松段。分析海塘損壞形式和物探結(jié)果后判斷堤身土流失主要有兩方面原因：一是因堤后圈圍區(qū)高程較高且排水系統(tǒng)建成較晚，圈圍區(qū)雨季長(zhǎng)時(shí)間處于積水狀態(tài)，增加了向外海的滲透壓力，加劇了堤身滲透破壞。二是由于坡面結(jié)構(gòu)層用于反濾的土工布因引橋樁基等施工而損壞，導(dǎo)致堤身土方從破損位置流失。上述兩方面原因造成堤身土流失，引起了坡面沉降、局部塌陷，進(jìn)而造成柵欄板懸空、錯(cuò)斷等現(xiàn)象，詳見(jiàn)圖2所示?；谏鲜龇治?，亟需對(duì)海塘坡面進(jìn)行拆除重建維修，在坡面大方腳內(nèi)側(cè)打設(shè)高壓旋噴樁（φ800@500）截?cái)酀B徑，對(duì)損壞的坡面進(jìn)行修復(fù)，加固維修典型斷面詳見(jiàn)圖3所示。

圖2 坡面塌陷，柵欄板錯(cuò)斷懸空等現(xiàn)象之實(shí)景

圖3 海塘加固修復(fù)典型斷面圖（單位：mm）

該工程部分大堤位于隧道正上方，堤腳高壓旋噴樁截滲處理本身具有一定擠土作用，分析研究高壓旋噴樁施工對(duì)隧道的影響是工程安全實(shí)施的重要前提[2]。

2 隧道情況介紹

隧道整體斷面設(shè)計(jì)為上、下兩層雙管雙向六車(chē)道隧道，上層隧道為排煙通道和高速公路車(chē)道層，下層隧道為原軌道交通預(yù)留通道和管線(xiàn)廊。隧道單管外徑為15 m，內(nèi)徑為13.7 m，采用通用環(huán)片錯(cuò)縫拼裝，管片厚度650 mm，管片環(huán)寬2 000 mm。越江隧道為雙管盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)隧道之間安全間距為1倍隧道直徑15 m，盾構(gòu)隧道管線(xiàn)區(qū)實(shí)際寬度為45 m。隧道盾構(gòu)段橫斷面圖詳見(jiàn)圖4所示。該工程高壓旋噴樁底高程為-3.50 m，下部隧道管片頂高程為-25.30 m，高壓旋噴樁與隧道頂高程之間的凈距約為21.80 m，詳見(jiàn)圖5所示。

圖4 隧道盾構(gòu)橫斷面示意圖

圖5 長(zhǎng)江隧道縱斷面圖

3 模擬計(jì)算

3.1 模型建立

計(jì)算分析軟件采用FLAC3D進(jìn)行。FLAC3D軟件自美國(guó)ITASCA咨詢(xún)集團(tuán)公司推出后，已成為目前巖土力學(xué)計(jì)算中的重要數(shù)值方法之一。

計(jì)算模型由土體模型和結(jié)構(gòu)單元模型2種組成，其中土體模型用于模擬隧道周邊土體，殼結(jié)構(gòu)單元模型用于模擬隧道外壁襯砌結(jié)構(gòu)。

土體模型采用圓柱形外環(huán)繞放射狀網(wǎng)格（radcylinder）模擬隧道周邊土體，采用矩形網(wǎng)格（brick）模擬剩余土體。X方向建模至隧道兩側(cè)邊線(xiàn)以外27.5 m，Y方向建模長(zhǎng)度25 m，Z方向上部建模至2.50 m高程，下部建模至隧道盾構(gòu)底面以下10 m，即-53.8 m高程。土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型（Mohr-Coulomb Model）。采用殼結(jié)構(gòu)單元（shell）模擬隧道外壁襯砌結(jié)構(gòu)。襯砌結(jié)構(gòu)厚0.65 m，為C60鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建成的計(jì)算模型詳見(jiàn)圖6所示。

圖6 計(jì)算模型圖（土體單元+殼結(jié)構(gòu)單元）

3.2 主要參數(shù)選取

摩爾庫(kù)倫模型典型材料參數(shù)包括彈性體積模量K（bulk）、彈性剪切模量G（shear）、內(nèi)聚力C（Cohesion）、內(nèi)摩擦角φ（friction）。其中彈性模量K和剪切模量G根據(jù)下式獲得[3]：

式中：E為彈性模量；υ為泊松比。

該工程土體泊松比根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)取0.3，其余參數(shù)根據(jù)該工程地勘報(bào)告計(jì)算獲得，各層土體參數(shù)取值見(jiàn)表1所列。模擬隧道殼結(jié)構(gòu)單元材料參數(shù)取值主要包括彈性模量、泊松比以及厚度，具體取值見(jiàn)表2所列。

表1 土體材料參數(shù)取值表

表2 殼結(jié)構(gòu)單元材料參數(shù)取值表

3.3 荷載選取

堤腳施工分為堤腳拋石及高壓旋噴樁防滲處理兩步，堤坡拆除重建后結(jié)構(gòu)型式和老結(jié)構(gòu)相同，因此不考慮額外荷載。相關(guān)荷載選取如下：

拋石重度：每延米岸線(xiàn)長(zhǎng)度拋石量約為7.8 m3，拋石寬度范圍為8 m，拋石容重按15.5 kN/m3；注漿壓力：高壓旋噴樁壓力取25 MPa，注漿壓力范圍1 m，影響深度范圍為-3.50 m~2.50 m；漿液重度：漿液重度注入土體后，將提高原土體的重度。重度增加量一般按照3 kN/m3考慮；施工期機(jī)械荷載：高壓旋噴樁時(shí)，堤腳考慮15 kN/m2的施工機(jī)械荷載，作用范圍為隧道正上方，寬度范圍4 m2。

4 主要計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

4.1 初始平衡

模型建立后，確定本構(gòu)模型，輸入模型材料參數(shù)，定義邊界條件和初始條件。使計(jì)算模型生成該工程實(shí)施前的初始應(yīng)力條件。模型在經(jīng)歷7579步迭代計(jì)算后，整個(gè)模型的最大不平衡力已經(jīng)趨向于0，模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，詳見(jiàn)圖7所示。

圖7 初始平衡狀態(tài)下模型豎向初始應(yīng)力分布圖

4.2 實(shí)施堤腳拋石

在模型初始平衡基礎(chǔ)上施加拋石荷載。計(jì)算模型監(jiān)測(cè)了隧道頂面的豎向及水平向位移。進(jìn)行迭代計(jì)算直至模型穩(wěn)定。計(jì)算得到的隧道頂面的豎向、水平向位移分別是0.46 mm及0.10 mm（見(jiàn)圖8）。

圖8 拋石實(shí)施完成后隧道頂面豎向位移云圖

4.3 實(shí)施高壓旋噴樁

拋石施工完成后，實(shí)施高壓旋噴樁。高壓噴射漿液應(yīng)采用普通硅酸鹽水泥拌制，水泥標(biāo)號(hào)不低于425＃。高壓旋噴樁鉆孔和噴射機(jī)組設(shè)備沿大放腳方向順大堤逐步推進(jìn)實(shí)施。高壓注漿自下而上進(jìn)行，注漿壓力按25 MPa控制。

高壓旋噴樁施工對(duì)于隧道變形影響包括三個(gè)方面：（1）旋噴樁施工機(jī)械荷載對(duì)于隧道的影響。（2）旋噴樁注漿壓力對(duì)于隧道的影響。（3）旋噴樁施工完成后土體重度提高對(duì)于隧道的影響。

4.3.1 旋噴樁施工機(jī)械荷載及注漿壓力對(duì)于隧道變形影響

施工機(jī)械荷載及注漿壓力作用范圍較小，隨著施工機(jī)械沿堤腳大放腳移動(dòng)作業(yè)，不同時(shí)間段位于隧道頂面以上的不同部位，理論上而言荷載作用點(diǎn)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。計(jì)算時(shí)，假定施工機(jī)械荷載作用范圍按照4 m2（2 m×2 m）考慮豎向作用。注漿壓力荷載按照1 m2（1 m×1 m）考慮，向土體四周水平作用。按照施工位于單向隧道一側(cè)（位置一）、位于單向隧道正上方（位置二）、位于雙向隧道正中央（位置三）三種不同施工位置分別試算，詳見(jiàn)圖9所示。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3所列，可以看出由于荷載作用范圍小，無(wú)論施工位置如何，施工機(jī)械荷載及注漿壓力均對(duì)隧道變形影響較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可將這部分動(dòng)態(tài)變化的荷載影響忽略不計(jì)。

圖9 三種施工位置示意圖

表3 不同位置時(shí)施工機(jī)械荷載和注漿壓力對(duì)于隧道位移影響計(jì)算結(jié)果一覽表

4.3.2 土體重度提高對(duì)于隧道變形影響

高壓旋噴樁施工完成后，旋噴樁作用范圍內(nèi)土體重度提高。經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算，隧道頂面的豎向位移由上一階段的0.46 mm逐漸變大至2.22 mm。水平向位移變化較小，由0.10 mm變大至0.13 mm。隧道頂面豎向位移和水平向位移全過(guò)程變化曲線(xiàn)詳見(jiàn)圖10、圖11所示。隧道變形預(yù)警值為5 mm，從計(jì)算結(jié)果可知工程實(shí)施對(duì)于隧道的位移影響在可控范圍內(nèi)。

圖10 高壓旋噴樁實(shí)施完成后隧道頂面豎向位移云圖

5 總 結(jié)

（1）利用FLAC3D有限差分軟件，計(jì)算和分析了海塘堤腳拋石和高壓旋噴樁施工對(duì)于下部隧道的位移影響。采用摩爾庫(kù)倫模型模擬土體單元，采用殼結(jié)構(gòu)單元模擬隧道管片單元。在模型初始平衡基礎(chǔ)上，模型成功模擬了拋石施工、高壓旋噴樁施工兩個(gè)階段隧道頂面的豎向和水平向位移變化情況。

圖11 隧道頂面豎向、水平位移變化曲線(xiàn)圖

（2）高壓旋噴樁施工機(jī)械荷載，以及注漿壓力作用范圍小，施工位置隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。對(duì)三個(gè)不同施工位置進(jìn)行試算，結(jié)果顯示上述荷載對(duì)于隧道位移影響較小，簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)可予以忽略。

（3）拋石施工后，隧道頂面豎向、水平向位移分別是0.46 mm及0.10 mm；高壓旋噴樁施工后，隧道頂面豎向、水平向位移增加至是2.22 mm及0.13 mm。工程實(shí)施對(duì)于隧道的位移影響在可控范圍內(nèi)。