劉振楠

（中鐵十八局集團(tuán)北方區(qū)域指揮部，北京 100048）

在內(nèi)河水域進(jìn)行水下基槽開挖時，必然涉及到水下邊坡的穩(wěn)定問題.水下基槽開挖擾動將使土體密實度變小、孔隙率增大、滲透性增強、土體抗剪強度參數(shù)普遍降低.當(dāng)基槽邊坡土體內(nèi)部下滑力超過抗剪強度時，坡體就會產(chǎn)生塑形變形，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn).此外，浚挖后基槽內(nèi)極可能發(fā)生泥沙回淤，增加邊坡荷載，且回淤土強度極低、土質(zhì)松散且穩(wěn)定性差，亦會對基槽穩(wěn)定造成不利影響.因此，在水下基槽開挖中，必須充分考慮開挖過程土體強度的衰減以及回淤土對邊坡的穩(wěn)定性影響，并采取針對性的加固措施，以保證基槽邊坡的安全[1].

近年來隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入加大，內(nèi)河隧道工程逐漸增多，研究人員對水下基槽開挖穩(wěn)定性也有了更多認(rèn)識.賀少輝等[2]對京滬高鐵南京長江沉管隧道水下砂質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，提出“水下邊坡的初始破壞發(fā)生在坡腳”的結(jié)論，這與“水上邊坡通常先由坡頂發(fā)生開裂，之后開始滑移”的通常認(rèn)識不同；王晨希等[3]考慮河道沖刷的影響，進(jìn)行了坡底高程和坡度對水下邊坡穩(wěn)定性影響的回歸分析；周順華等[4]、林楓等[1]分別研究了滲流情況下的水下邊坡穩(wěn)定性問題，認(rèn)為在內(nèi)河水流速度較小時，滲流會有利于水下邊坡的穩(wěn)定，而河流平均流速低于1 m/s 時，不需考慮水流在基槽中產(chǎn)生的低壓區(qū)和高壓區(qū)；潘家錚[5]提出當(dāng)邊坡完全淹沒水中，此時計算下滑力和抗滑力時土體的重度指標(biāo)都應(yīng)采用浮重度；詹信群[6]以廣州某沉管隧道工程為背景，基于有限元，建立了關(guān)鍵施工過程中沉管管段和基槽模型的空間力學(xué)分析模型，論證了有關(guān)施工的合理性和安全性；程棟棟等[7]對水下基槽邊坡土體在卸荷狀態(tài)下的承載與變形特性進(jìn)行了研究，并對基槽的穩(wěn)定性和安全系數(shù)進(jìn)行了分析；賴金星等[8]以福州市湖東東路水底明挖隧道基坑為工程依托，對水下基坑開挖過程中的周圍土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形規(guī)律進(jìn)行了分析；張建新等[9]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測資料，研究了回淤現(xiàn)象對沉管隧道水下基槽邊坡的穩(wěn)定性的影響，并提出了合理坡率. 國外方面，Kosyan 等[10]針對內(nèi)河河道水下天然邊坡進(jìn)行了長達(dá)7 a的連續(xù)觀測，得到了水下邊坡不同位置變形量和變形速率的相關(guān)規(guī)律.

目前對水下基槽邊坡研究主要基于邊坡穩(wěn)定性理論，以極限平衡原理為基礎(chǔ)進(jìn)行分析[11-13].針對水下邊坡穩(wěn)定的系統(tǒng)性研究成果極其不足[1]，同時，水下邊坡加固方面的文獻(xiàn)多限于施工，而加固機(jī)理、加固技術(shù)參數(shù)等理論方面的探討還不夠深入.

本文針對天津海河隧道水下基槽浚挖工程，采用有限差分法建立了水下邊坡鉆孔灌注樁加固三維分析模型，對非加固和不同加固參數(shù)等多種工況下的水下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，同時，對加固中主要施工參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性影響程度進(jìn)行討論和評估，研究成果對內(nèi)河水下基槽浚挖工程的安全施工具有重要的工程實踐意義.

1 工程概況

本文研究基于天津海河隧道水下基槽開挖工程.基槽所在河段河床地質(zhì)條件變化不大，均為淤泥質(zhì)軟土，呈灰色、飽和、軟塑，土質(zhì)均勻，自河床底部向下分布較厚的黏土和粉質(zhì)黏土.水文方面，該段河道呈長條形，流速不超過0.5 m/s，非汛期水位控制在0.89～0.78 m 左右.由于河床多年未進(jìn)行清淤工作，淤泥層厚，基槽邊坡穩(wěn)定性差，加之水下作業(yè)可視性低，故工程可能面臨較高風(fēng)險.

基槽開挖位置原水深約為6~8 m，基槽尺寸為56 m×72 m，位置如圖1 所示.基槽開挖土層深度8 m，依設(shè)計要求，采用分層開挖方式，分4 層進(jìn)行，每層土體開挖厚度約為2 m. 基槽浚挖面底標(biāo)高為-14.106～-17.087m，邊坡南北方向按1 ∶2 設(shè)置，東西方向按1 ∶3 設(shè)置，上下兩層邊坡高度均為4 m，中間設(shè)1 級平臺，平臺寬2 m，基槽開挖剖面如圖2 所示.

圖1 基槽位置示意

圖2 開挖剖面示意

2 水下邊坡穩(wěn)定性有限差分分析模型

結(jié)合實際工況，采用FLAC3D 分析軟件，建立三維數(shù)值分析模型，對分步開挖狀態(tài)下水下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究.通過計算不同工況下基槽邊坡各個位置的應(yīng)力、位移、變形速率等參數(shù)，綜合分析影響水下基槽邊坡穩(wěn)定性的各種因素，探求水下邊坡失穩(wěn)的主要影響因素及破壞發(fā)生的區(qū)域位置.

2.1 本構(gòu)模型和幾何尺寸的確定

參照國內(nèi)外研究經(jīng)驗[1，3]，當(dāng)水體流速較慢（流速小于1 m/s）時，土體滲流作用有利于水下邊坡穩(wěn)定，從工程安全和計算效率角度考慮，本工程數(shù)值分析時忽略水下邊坡土體的滲流問題.土體強度參數(shù)采用固結(jié)快剪指標(biāo)，本構(gòu)模型選用了Mohr-coulomb 彈塑性模型，不排水材料類型，網(wǎng)格單元選用8 節(jié)點六面體單元.鉆孔灌注樁樁體選用線彈性樁體模型Pile 單元.根據(jù)工程實際情況，選取了最不利的斷面位置進(jìn)行建模.

結(jié)合實際開挖情況，基槽頂部位于水面以下6 m，開挖深度約為水下14 m.根據(jù)對稱原則，選取1/4 基坑進(jìn)行建模，同時考慮邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，將模型尺寸設(shè)定為48 m×66 m×38 m（長×寬×深），網(wǎng)格數(shù)為131 040 個.邊坡分兩階斜坡，中間設(shè)2 m 的平臺，X 方向坡度 1 ∶2，Y 方向坡度 1 ∶3.

2.2 初始邊界條件和計算參數(shù)

現(xiàn)場開挖深度為6 m，上表面作用靜水荷載為60 kPa.水平方向邊界施加位移約束，豎向模型底面邊界施加位移約束，上表面為自由面.

計算時，水下邊坡土層按4 層進(jìn)行簡化，第一層厚度3.5 m；第二層厚度5.5 m；第三層厚度10 m；第四層為基槽底部土層，厚度19 m.土層及樁體參數(shù)如表1 所列.

表1 土體及樁體參數(shù)

3 水下邊坡穩(wěn)定性分析

計算時假設(shè)[13-14]：①忽略邊坡土體內(nèi)部的應(yīng)力集中對計算結(jié)果的影響；②達(dá)到極限平衡狀態(tài)的土體僅在邊坡滑動面上；③邊坡土體與樁之間無相對滑動.

3.1 無支護(hù)條件開挖過程邊坡穩(wěn)定性

現(xiàn)場試開挖監(jiān)測資料顯示，開挖后基槽表層土體強度遭受明顯破壞，各項強度指標(biāo)下降幅度高達(dá)20%，同時邊坡表層各位置均產(chǎn)生回淤，邊坡外形變化處回淤量最大.基于此，本文在開挖完成后，對表層土體強度參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)折減，同時施加回淤荷載，結(jié)合現(xiàn)場開挖試驗槽的回淤量監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文將回淤土對水下邊坡的影響簡化為施加于邊坡表層位置的附加豎向荷載（通過試驗槽監(jiān)測值估算，取最大回淤位置的豎向荷載值，約為11.2 kPa），之后對開挖全過程中邊坡土體的應(yīng)力、位移、加速度等參量進(jìn)行計算分析.開挖分析模型如圖3 所示.

圖3 開挖區(qū)域示意

計算分析結(jié)果見圖4 和圖5.可見，未支護(hù)加固時，邊坡會產(chǎn)生較大變形.坡度對邊坡的穩(wěn)定性存在一定影響，但坡度差別不大時，影響程度有限（1 ∶2 坡率邊坡最大位移75 mm，安全系數(shù)FS=1.206 6；1 ∶3坡率邊坡最大位移71 mm，安全系數(shù)FS=1.253 9）.

圖4 上層開挖后位移云圖

圖5 下層開挖后位移云圖

在未支護(hù)條件下，水下邊坡開挖過程中上層坡腳位置和中央平臺邊緣的土體變形值較大，這與開挖試驗中對基槽底部土體的水下地形測量結(jié)果一致.分析認(rèn)為：該位置接近河床，土體為低強度的淤泥質(zhì)土，轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中現(xiàn)象也使這些位置位移增大. 同時，分析還表明，開挖擾動對水下邊坡的穩(wěn)定性影響明顯，一方面，開挖造成的土體強度損失會增加基槽的豎向和水平位移；另一方面，開挖后河床回淤會使邊坡上豎向荷載有所增加，在兩者的共同影響下，邊坡的穩(wěn)定性顯著降低.

3.2 水下邊坡經(jīng)典算法比較

在前述數(shù)值分析基礎(chǔ)上，本文借鑒文獻(xiàn)[1]中基于經(jīng)典條分原理的積分算法對水下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析.

在水下邊坡取一單元土條，根據(jù)其自重W、滑動土體滲透壓力Fd和滑動面上的抗滑力T 之間的受力平衡，列出平衡方程式

式中：N 為潛在滑動面上的法向壓力；c 為土體黏聚力；φ 為土體內(nèi)摩擦角；β 為滑動圓弧切線方向與水平面的夾角；L 為潛在滑動弧長.

安全系數(shù)K 為抗滑力矩與下滑力矩的比值，計算公式如下

式中：R 為潛在滑動圓弧半徑；M 為滲透力力矩；G 為條形土體單元總下滑力.

本文按 1 ∶2 和 1 ∶3 兩種坡率分別進(jìn)行計算，計算結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果對比見表2.

表2 經(jīng)典計算法與數(shù)值分析法安全系數(shù)比較

對于出現(xiàn)計算差異的原因，本文認(rèn)為：經(jīng)典計算方法基于土體的極限平衡條件，以受力平衡作為是否破壞的評判標(biāo)準(zhǔn)；而數(shù)值分析的計算原理是強度折減法，破壞判斷依據(jù)是邊坡內(nèi)達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)的塑性區(qū)范圍.對于水下邊坡的穩(wěn)定性問題，后者對土體參數(shù)變化更加敏感，故本問題中數(shù)值分析得到的安全系數(shù)偏小.但是由表2 可知，采用兩種方法計算得出的安全系數(shù)相差不到10%，且計算結(jié)果均表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài).因此，本文對水下邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析結(jié)論是合理的，工程上具有可行性.

4 灌注樁加固水下邊坡穩(wěn)定性分析

參考國內(nèi)外工程[15-17]，采用鉆孔灌注樁作為抗滑樁對邊坡加固經(jīng)驗豐富，效果良好.本工程采用鉆孔灌注樁對水下邊坡進(jìn)行加固.基于上節(jié)研究結(jié)果，理論上加固位置宜選擇變形最大區(qū)域，即上層邊坡坡腳位置和中間平臺邊緣，但從鉆孔灌注樁施工場地要求考慮，最終選擇在下層邊坡坡腳處設(shè)置樁體進(jìn)行加固.樁體設(shè)置見圖6 所示.

圖6 加固樁設(shè)置示意（工況一）

對采用灌注樁護(hù)坡加固前后其邊坡變形情況進(jìn)行分析，加固樁直徑1 m，嵌固深度10 m，樁距1.5 m，計算結(jié)果見圖7.可見，經(jīng)灌注樁加固后水下邊坡位移顯著減小，東西向邊坡未加固時最大位移7.12 cm，加固后最大位移4.65 cm；南北向邊坡未加固時最大位移7.45 cm，加固后最大位移5.47 cm.坡體各位置位移平均減少近30%.這說明坡腳位置采用灌注樁護(hù)坡可明顯減小坡體變形，提高水下邊坡的穩(wěn)定性.

圖7 樁加固后邊坡開挖后位移云圖

基于灌注樁良好的加固效果，進(jìn)一步對灌注樁樁距、樁徑和樁埋深等參數(shù)對水下邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析.為比較各施工參數(shù)的加固效果，設(shè)定了多種工況模式，具體工況和計算分析結(jié)果列于表3.

表3 不同工況下水下邊坡的位移值和安全系數(shù)

工況一、二、三對比分析. 計算結(jié)果表明，邊坡安全系數(shù)隨灌注樁樁徑增大而增加，由樁直徑1 000 mm時的1.533 增加到直徑1 500 mm 時的2.052，增加了約33.9%，而邊坡最大水平位移由54.7 mm 減小至41.7 mm，減小了23.8%，邊坡穩(wěn)定性明顯提高.由于樁徑增大，使得樁體受力面積增大，樁身所承擔(dān)的外荷載得以分擔(dān)，而周邊土體的應(yīng)力影響較小，使得樁身變形減小，增加了對周邊土體的約束，從而使安全系數(shù)提高.通常情況下，樁徑越大，安全系數(shù)越高，兩者的增長趨勢比較一致.

工況二、四、五對比分析. 計算結(jié)果表明，邊坡安全系數(shù)隨樁間距增大而降低，由樁距1.5 m 時的1.987下降到間距2.4 m 時的1.449，下降約27.1%.這是由于隨著樁間距的增加，坡腳位置處樁土間作用力將重新分配，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，而樁體對土的約束作用隨之減小，邊坡土體變形增大，穩(wěn)定性降低，反之亦然.但是，隨樁距持續(xù)減小，邊坡穩(wěn)定性增加幅度會降低直至停止，此時樁體對土的約束作用已接近極限.工程實踐中，樁間距過小，施工中相鄰樁體之間會產(chǎn)生相互擾動，且樁數(shù)量會明顯增加，施工成本隨之增加.

工況四、六、七對比分析. 計算結(jié)果表明，邊坡安全系數(shù)隨樁長增大而增加，由樁長10 m 時的1.639 增加到樁長18 m 時的2.419，增加了約47.6%，邊坡最大位移由49.8 mm 減少至37.5 mm，減少幅度24.7%，可見邊坡穩(wěn)定性增長趨勢明顯.分析認(rèn)為，由于樁長增加，樁側(cè)摩阻力隨著樁長增加而增大，樁對土的約束作用不斷增強，起到了加固土體的作用.但相關(guān)研究表明，護(hù)坡樁的長度達(dá)到某限值時，樁對土的約束作用不再明顯，之后長度增加并不會使邊坡穩(wěn)定性持續(xù)增強，樁長限值與邊坡潛在滑動面的深度密切相關(guān).

5 結(jié) 論

基于天津海河隧道水下基槽工程，對開挖過程中水下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）水下開挖引起的土體擾動及泥沙回淤將明顯降低邊坡穩(wěn)定性，特別在河床表層及應(yīng)力集中區(qū)域，邊坡極易出現(xiàn)較大變形.建議在水下開挖施工前建立測量控制網(wǎng)，確定基槽開挖范圍，浚挖后及時根據(jù)測量結(jié)果，調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化施工方案，尤其是對坡腳和中間平臺位置的土體應(yīng)加強監(jiān)測，并采取有效加固措施防止邊坡坍塌.

（2）采用鉆孔灌注樁加固邊坡，可有效限制水下邊坡的側(cè)向變形.加固樁樁長對邊坡穩(wěn)定性的影響明顯，樁長越長，安全系數(shù)越高，但存在一定界限長度，同時，樁徑、樁距對邊坡穩(wěn)定性也有一定影響，樁徑越大，樁距越小，邊坡穩(wěn)定性越高.

（3）結(jié)合本文工程，建議水下加固邊坡時應(yīng)首先考慮樁長對邊坡穩(wěn)定性的影響，將樁長盡量插入邊坡潛在滑動面以下一定深度（宜大于10 m），同時要考慮水下開挖擾動和回淤的不利因素，保證足夠安全余量.基于施工便利性和經(jīng)濟(jì)性，本文建議海河水下邊坡加固可采用14 m 樁長、1 200 mm 樁徑和2 m 樁距的灌注樁加固，計算邊坡安全系數(shù)宜達(dá)到2.2 以上.