顧曉彬，龔濟(jì)平，胡小波，孟開醒

（1.中交第三航務(wù)工程局 南京分公司，江蘇 南京 210011；2.中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032）

引 言

明挖法水上公路隧道施工項(xiàng)目，太湖隧道由陸域進(jìn)入水域后，需將原有十里明珠堤拆除。為了滿足施工期內(nèi)的防汛要求，需要在原大堤外側(cè)，順接破堤口修筑一道臨時(shí)大堤，作為陸上與水上施工的交接部位，兼具防洪擋水擋土要求。運(yùn)用信息化和數(shù)值分析的手段，對(duì)臨時(shí)大堤各個(gè)關(guān)鍵工況進(jìn)行模擬與安全評(píng)估，對(duì)工程質(zhì)量控制、實(shí)現(xiàn)科技信息集成，提升項(xiàng)目整體技術(shù)安全儲(chǔ)備，強(qiáng)化質(zhì)量安全意義重大。

1 工程概況

蘇錫常南部高速公路常州至無錫段工程路線全長(zhǎng)43.90 km，采用隧道方式越過太湖梅梁湖，隧道全長(zhǎng)10.79 km。太湖隧道隧址區(qū)大部分位于太湖湖蕩平原區(qū)，地勢(shì)低洼，水網(wǎng)稠密，由西南向東北微傾，陸域段地面高程為0～3.50 m，湖域段湖底高程在-0.85 m左右。

其中示例工程段長(zhǎng)5.6 km，路線自西向東依次跨越六里河、下穿陸馬公路、東環(huán)堤河和太湖大堤。施工內(nèi)容包括：路基工程、隧道工程、橋梁工程和房建工程，其中隧道全長(zhǎng) 5.4 km，包括太湖隧道敞口段290 m，暗埋段5 120 m。

1.1 工程地質(zhì)

本標(biāo)段屬太湖湖蕩平原區(qū)及山間平原亞區(qū)，表層局部段落分布1-2層淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，上部為2-1層硬可塑粉質(zhì)粘土和2-2層可塑的粘性土層，其下連續(xù)分布2-3層粉土，中上部個(gè)別段落揭示2-4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，往下依次為3-1層硬可塑狀、3-2層軟塑狀、4-1層硬塑狀粘性土層，主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)自西向東逐漸變好。其中對(duì)工程影響較大的為1-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和2-4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)揭露情況，其原狀土具有一定的直立性，擾動(dòng)后呈現(xiàn)明顯的流塑狀態(tài)，土質(zhì)均勻，有機(jī)質(zhì)含量較低，干燥后較堅(jiān)硬。

表1 各地層滲透系數(shù)

1.2 水文地質(zhì)

太湖隧道線路經(jīng)過的主要河流為太湖，屬太湖水網(wǎng)系，地表水系發(fā)育，隧道經(jīng)過太湖梅梁湖段長(zhǎng)約10.8 km，太湖梅梁湖區(qū)域生態(tài)環(huán)境敏感，直接影響項(xiàng)目的可實(shí)施性。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水，主要由第四系全新統(tǒng)沖積～洪積層和湖沼沉積層含水層組?？辈炱陂g陸域鉆孔揭示地下水穩(wěn)定水位埋深0.90～2.30 m，穩(wěn)定水位高程為1.95～2.80 m。湖區(qū)段地表水勘察期間高程為1.65～3.45 m，地下水位與地表水基本一致。據(jù)太湖局水文資料顯示，太湖防汛水位為3.50 m，多年平均水位在3.05 m。

2 臨時(shí)大堤設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵工況模擬

太湖隧道穿過十里明珠大堤后進(jìn)入太湖，需要對(duì)原有的大堤進(jìn)行拆除，為了滿足3年施工期內(nèi)的防汛要求，特在原大堤外側(cè)，順接破堤口使用鋼板樁修筑了一矩形臨時(shí)大堤，作為陸上與水上施工的交接部位，兼具防洪要求、擋水要求、擋土要求，具有非常重要的功能，是工程的首要安全控制點(diǎn)。平面及縱剖面布置如圖1、圖2。

圖1 臨時(shí)大堤段平面

圖2 臨時(shí)大堤段斷面示意

針對(duì)臨時(shí)大堤段，我部首先深入分析設(shè)計(jì)施工方案，使用C3D等信息化軟件建立主要結(jié)構(gòu)的模型，而后對(duì)臨時(shí)大堤段的主要設(shè)計(jì)施工方案進(jìn)行模擬，圖 3為根據(jù)設(shè)計(jì)施工方案建立的臨時(shí)大堤段三維模型。

圖3 三維設(shè)計(jì)施工模型示意

通過對(duì)模型的反復(fù)推演和分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)開始施工的部分工序情況，得到臨時(shí)大堤段內(nèi)部影響施工安全的幾個(gè)關(guān)鍵部位為：

1）臨時(shí)大堤段橫向基坑開挖：臨時(shí)大堤段為了形成由水上到路上的施工便道，橫向設(shè)置了雙圍堰，內(nèi)側(cè)圍堰距離基坑開挖外邊線較近，基坑一旦開挖勢(shì)必對(duì)內(nèi)側(cè)的圍堰產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)傾斜的影響。

2）臨時(shí)大堤段角點(diǎn)：臨時(shí)大堤角點(diǎn)受多向應(yīng)力集中交匯的影響，主要受內(nèi)外壓差作用，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，對(duì)局部的鋼板樁、拉桿和圍檁等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。

3）十里明珠大堤破堤：十里明珠大堤破堤后，臨時(shí)大堤和原大堤存在交口，主要由半圓形的裹頭圍堰進(jìn)行連接和圍護(hù)，該部分受力復(fù)雜。

圖4 關(guān)鍵點(diǎn)三維示意

3 關(guān)鍵工況的安全評(píng)估

通過建立三維模型對(duì)設(shè)計(jì)施工方案的分析研究，對(duì)臨時(shí)大堤有了較為全面的認(rèn)識(shí)，在對(duì)各個(gè)安全點(diǎn)逐一推演分析的過程中發(fā)現(xiàn)，臨時(shí)大堤側(cè)向基坑開挖可能存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，因此針對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的理論和有限元模擬分析，力求從計(jì)算的角度對(duì)該工況進(jìn)行施工安全穩(wěn)定性評(píng)估。

建立臨時(shí)大堤側(cè)向基坑開挖有限元模型（圖5）。通過有限元模型的變形趨勢(shì)和強(qiáng)度折減法對(duì)最危險(xiǎn)工況的整體穩(wěn)定性分析可看出，臨時(shí)大堤段二級(jí)坡與三級(jí)坡之間存在潛在的滑動(dòng)面且整體穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備不足，故而需要對(duì)該處設(shè)計(jì)施工方案進(jìn)行復(fù)核。

圖5 臨時(shí)大堤初步設(shè)計(jì)方案有限元模型

圖6 基坑開挖工況變形趨勢(shì)

在有限元分析的基礎(chǔ)上，使用工程軟件建立二維模型，對(duì)臨時(shí)大堤側(cè)向基坑開挖斷面進(jìn)行復(fù)核。計(jì)算中對(duì)圍堰-基坑圍護(hù)體系進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，建立的計(jì)算模型及整體穩(wěn)定性滑弧如圖7所示。二維滑動(dòng)計(jì)算結(jié)果顯示臨時(shí)圍堰側(cè)有向基坑內(nèi)整體滑動(dòng)的趨勢(shì)，且整體穩(wěn)定安全系數(shù)較低。

圖7 理論計(jì)算開挖至-21.50 m工況

經(jīng)過有限元強(qiáng)度折減法和工程軟件的理論建模，對(duì)基坑邊坡及基坑整體進(jìn)行了計(jì)算分析，得到基坑上部放坡處的安全穩(wěn)定性系數(shù)偏低的結(jié)論，且內(nèi)側(cè)圍堰滑動(dòng)面穿過基坑邊坡，圍堰-基坑存在連鎖破壞的可能性，違背了圍堰-基坑設(shè)計(jì)中要求二者之間無大的穩(wěn)定性滑動(dòng)聯(lián)系的原則，給施工帶來了較大的隱患。

4 設(shè)計(jì)施工方案的優(yōu)化

根據(jù)安全評(píng)估的結(jié)果，對(duì)臨時(shí)大堤側(cè)向基坑開挖的方案重新進(jìn)行了計(jì)算與設(shè)計(jì)?；又ёo(hù)方案斷面如圖 8：支護(hù)由兩道改為了三道，放坡由兩級(jí)改為了一級(jí)。并且對(duì)內(nèi)外側(cè)圍堰之間的填土進(jìn)行了削坡處理，以求減小圍堰內(nèi)填土對(duì)圍堰產(chǎn)生的側(cè)壓力影響。

對(duì)修改后的臨時(shí)大堤基坑開挖工況進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)，減少一級(jí)放坡增加一道支撐以后，整體滑動(dòng)趨勢(shì)線由基坑邊坡上穿出的概率大大減小，主要滑出部位位于基坑邊便道，由于便道硬化和施工荷載作用，對(duì)滑動(dòng)土體起到反壓作用。

圖8 修改后的臨時(shí)大堤有限元計(jì)算斷面

圖9 整體變形趨勢(shì)

同時(shí)使用工程軟件，對(duì)圍護(hù)體系的整體穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核，分析時(shí)對(duì)臨時(shí)圍堰-基坑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立計(jì)算模型如圖10所示。

圖10 修改后的臨時(shí)大堤理論計(jì)算斷面

通過理論計(jì)算結(jié)合有限元整體分析，設(shè)計(jì)方案修改后的臨時(shí)大堤方案整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)均反映良好，圍堰-基坑施工關(guān)鍵工況處于安全可控狀態(tài)。

5 結(jié) 語

緊跟信息化施工的大潮，我部在太湖隧道率先開展了針對(duì)水上圍堰基坑施工關(guān)鍵工況的信息化模擬及安全評(píng)估，應(yīng)用三維信息化建模軟件對(duì)太湖隧道水上深基坑施工的各個(gè)關(guān)鍵工況進(jìn)行模擬，根據(jù)安全評(píng)估成果對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)的修改，臨時(shí)大堤方案調(diào)整后整體穩(wěn)定性系數(shù)大幅提升，最新的施工監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)狀況表明臨時(shí)大堤段圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠，研究得到結(jié)論如下：

1）通過對(duì)水上深基坑關(guān)鍵工況進(jìn)行詳細(xì)的模擬和推演，可初步分析出工程中的各個(gè)主要危險(xiǎn)部位為：臨時(shí)大堤橫向深基坑開挖、雙排鋼圍堰角點(diǎn)和原大堤的破除與圍護(hù)；

2）根據(jù)三維模型的推演結(jié)果，通過數(shù)值和理論計(jì)算分析，可評(píng)估出各關(guān)鍵施工工況中最為危險(xiǎn)的工況為臨時(shí)大堤橫向深基坑的開挖；

3）通過對(duì)最危險(xiǎn)工況潛在安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的深入研究，修改得到滿足設(shè)計(jì)施工安全要求的方案；

4）施工中結(jié)合實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)修改后的設(shè)計(jì)施工方案進(jìn)行實(shí)施，可有效避免事故的發(fā)生，提升項(xiàng)目整體的施工安全等級(jí)。

立足標(biāo)準(zhǔn)化、綠色化、信息化、精細(xì)化的管理理念，以信息化技術(shù)為主要的安全評(píng)估手段，在太湖隧道水上深基坑施工關(guān)鍵工況模擬與安全評(píng)估研究中，發(fā)揮中交三航局等單位的水上施工優(yōu)勢(shì)，定能打造新時(shí)代我國(guó)領(lǐng)先水平的品質(zhì)、綠色、安全、舒適工程。