盾構(gòu)掘進(jìn)穿越海堤穩(wěn)定性分析與工程控制措施

徐學(xué)勇,樊延強(qiáng),宋慶曉,杜文博,賈海波

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,浙江杭州310014;2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430071;3.青島中德生態(tài)園聯(lián)合發(fā)展有限公司,山東青島266555)

近年來(lái),在我國(guó)沿海軟土地區(qū),大量的地下穿越工程采用盾構(gòu)法或定向鉆等施工技術(shù)。與傳統(tǒng)的地下工程施工技術(shù)相比,盾構(gòu)法具備適應(yīng)軟弱地質(zhì)條件、施工速度較快和對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)而廣泛地應(yīng)用于地下工程中。在軟土地區(qū)盾構(gòu)施工會(huì)擾動(dòng)地層,改變地層的原始應(yīng)力,破壞土體的初始平衡狀態(tài),從而引起不同程度的地表沉降變形[1-2],對(duì)諸如土石壩、填土海堤等建(構(gòu))筑物內(nèi)部土體密實(shí)度和防滲性能產(chǎn)生不利影響,降低其整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),造成工程安全隱患[3-4]。如施工方法不當(dāng),會(huì)引起地表嚴(yán)重沉降變形,從而導(dǎo)致建(構(gòu))筑物傾斜、甚至開(kāi)裂和倒塌[5-6]。

因此,研究盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響,尤其對(duì)掘進(jìn)穿越填土海堤等建(構(gòu))筑物的地表沉降變形和整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和分析,對(duì)保證盾構(gòu)施工安全和工程順利實(shí)施有著重要的意義。

1 計(jì)算理論與方法

1.1 地表沉降計(jì)算

國(guó)內(nèi)外對(duì)非開(kāi)挖管道施工引起的地表位移做了大量研究,對(duì)地層位移預(yù)測(cè)的主要方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)研究、灰色理論等。其中,比較典型的經(jīng)驗(yàn)方法有Peck公式法[7-8]。Peck認(rèn)為土體移動(dòng)由土體損失引起,施工引起的地表沉降是在不排水條件下發(fā)生的,所以沉降槽體積應(yīng)等于土體損失體積,地表沉降估算公式為(見(jiàn)圖1):

圖1 盾構(gòu)施工引起地表沉降曲線

式中:S(x)為距離管道中心線處的地表沉降(m);Smax為管道中心線處最大地表沉降(m);x為距管道中心線的距離(m);i為沉降槽寬度系數(shù)(m);Vs為沉降槽的體積(m3);Vl為定向單位長(zhǎng)度地層損失(m2);R為開(kāi)挖隧道的半徑(m);Z為地面到管道中心的深度(m);φ為土的內(nèi)摩擦角(°)。

1.2 海堤抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

海堤整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算可采用瑞典圓弧滑動(dòng)法,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K的計(jì)算公式如下:

式中:K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);Li為第i土條的圓弧長(zhǎng)(m);Wi為第i土條的單位重量,Wi=bihiγi(kN);bi為第i土條的寬度(m);hi為第i土條中點(diǎn)的高度(m);γi為第i土條的重度,水位線以下均用浮重度,水位線與浸潤(rùn)線之間,抗滑力矩采用浮重度,滑動(dòng)力矩采用飽和重度,浸潤(rùn)線以上均用濕重度(kN/m3);αi為第i土條弧線中點(diǎn)切線與水平線的交角(°);Ci、φi為第i土條滑弧面上的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(kPa、度)。

2 穩(wěn)定性計(jì)算及分析

某管道工程需要穿越甌江南岸的靈昆海塘,靈昆塘堤防等級(jí)為Ⅱ級(jí),工程設(shè)計(jì)采用盾構(gòu)掘進(jìn)方式穿越(見(jiàn)圖2)。

圖2 工程典型剖面圖

盾構(gòu)直徑3.0 m,中心高程為-30.06 m,設(shè)計(jì)從③4淤泥質(zhì)土層中穿越,海塘堤頂高程為5.5 m,工程區(qū)土層參數(shù)見(jiàn)表1。

2.1 地表沉降計(jì)算

(1)Peck公式法

甌江靈昆塘管頂高程-30.06 m,管頂覆土厚度35.86 m,按式(1)～式(4)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算過(guò)程如1.1所述。其中,Vl取值與地址條件和施工條件密切相關(guān),黏土一般為0.5%～2.5%,無(wú)粘性土還未有學(xué)者統(tǒng)計(jì),其值應(yīng)較黏土大,根據(jù)其他工程施工經(jīng)驗(yàn),本次盾構(gòu)沉降計(jì)算時(shí),考慮擴(kuò)孔等施工影響,取15%。

由Peck公式推算沉降槽半寬約35 m,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

(2)數(shù)值模擬

運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,ABAQUS可以在計(jì)算中模擬復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系,求解高度非線性問(wèn)題,真實(shí)模擬土體的受力變形性狀。土層采用MOHR-COULOMB模型,模型網(wǎng)格劃分如圖3所示,共有2 908個(gè)單元,3 017個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用平面應(yīng)變分析,將土層單元定義為四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變四邊形單元(CPE4)。

表1 工程區(qū)土層參數(shù)特征

表2 沉降計(jì)算成果表

計(jì)算條件:①地基邊界采用截?cái)噙吔?計(jì)算域?qū)挾榷?0 m,高度定為50 m。底面土層與基巖存在著剪應(yīng)力,水平向移動(dòng)不自由,因此定義為雙向約束,左右邊界定義為橫向約束。②只計(jì)結(jié)構(gòu)自重、水土壓力。③堤防在施工前先期沉降已完成,自重重力不會(huì)引起堤防的位移變形。

數(shù)值模擬結(jié)果表明:土層沉降對(duì)稱分布,最大沉降出現(xiàn)在管道中心軸線處。計(jì)算得到的地表最大沉降為9.2 mm(表3),位于管道軸線正上方(圖4)。

表3 數(shù)值模擬計(jì)算成果表

沉降計(jì)算結(jié)果表明,Peck公式法和有限元數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,兩種方法得到最大沉降分別為8.8 mm和9.2 mm。

圖3 有限元模型單元網(wǎng)絡(luò)

圖4 模型位移等值云圖

2.2 抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)海堤選取兩種計(jì)算工況:工況一(臨水側(cè)),臨水側(cè)水位取實(shí)際灘地高程,背水側(cè)采用護(hù)塘地內(nèi)側(cè)高水位,計(jì)算海塘臨水側(cè)穩(wěn)定系數(shù);工況二(背水側(cè)),臨水側(cè)水位采用設(shè)計(jì)高水位,背水坡采用護(hù)塘地高程,計(jì)算海塘背水側(cè)穩(wěn)定系數(shù)。

采用理正軟件進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性計(jì)算,計(jì)算方法如2.2所述。圖5給出了盾構(gòu)穿越前后的計(jì)算結(jié)果和危險(xiǎn)滑弧位置。

計(jì)算結(jié)果表明,受盾構(gòu)管道穿越的影響,穿越位置海堤整體抗滑穩(wěn)定系數(shù)略有降低,但滿足規(guī)范要求的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),在正常施工條件下,不會(huì)造成海堤整體失穩(wěn)。

圖5 盾構(gòu)穿越前后抗滑穩(wěn)定計(jì)算(危險(xiǎn)滑弧)

3 工程控制措施

通過(guò)對(duì)海堤沉降及抗滑穩(wěn)定性計(jì)算分析可知,受到盾構(gòu)施工對(duì)上覆土體結(jié)構(gòu)性的影響,海堤在管道穿越時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的沉降,堤身整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也會(huì)有所降低(見(jiàn)表4),盾構(gòu)施工引起的堤防變形會(huì)對(duì)沉降影響范圍內(nèi)的堤身土體密實(shí)度和防滲性能產(chǎn)生影響,這種不利影響可能在施工完成后若干年內(nèi)都會(huì)有所顯現(xiàn),考慮到這些不利影響,需采取必要的工程防治或加固措施。

表4 盾構(gòu)穿越前后整體穩(wěn)定計(jì)算成果

結(jié)合類(lèi)似工程實(shí)例,考慮對(duì)受施工影響范圍內(nèi)的堤段進(jìn)行化學(xué)灌漿、加壓密實(shí)等加固措施,從而減小海堤沉降。加固后也可以補(bǔ)償由于施工影響而降低的整體抗滑穩(wěn)定系數(shù),達(dá)到加強(qiáng)海堤的整體穩(wěn)定性的目的。

圖6 甌江靈昆塘灌漿示意圖

沉降計(jì)算結(jié)果表明,受沉降影響的堤段區(qū)域約為管道中心軸線兩側(cè)35 m范圍。為消除沉降對(duì)堤身土體的密實(shí)度和防滲性能的不利影響,宜對(duì)受影響的區(qū)域土體進(jìn)行灌漿加固。結(jié)合類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn),初步設(shè)計(jì)灌漿孔行距和排距為2 m,灌漿孔底至管道上部(圖6),暫定漿液為水泥漿,灌漿施工應(yīng)根據(jù)實(shí)際灌漿效果確定是否需要復(fù)灌。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)盾構(gòu)穿越海堤沉降計(jì)算結(jié)果表明,在相同的計(jì)算條件下,Peck公式法和有限元數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,兩種方法得到最大沉降分別為8.8 mm和9.2 mm。有限元數(shù)值方法可以考慮地層結(jié)構(gòu),適應(yīng)復(fù)雜邊界條件,其計(jì)算成果較理論公式法更為全面合理。

(2)抗滑穩(wěn)定性分析結(jié)果表明,受盾構(gòu)管道穿越的影響,穿越位置海堤整體抗滑穩(wěn)定系數(shù)略有降低,但滿足規(guī)范要求的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),在正常施工條件下,不會(huì)造成海堤整體失穩(wěn)。

(3)沉降計(jì)算結(jié)果表明,受沉降影響的堤段區(qū)域約為管道中心軸線兩側(cè)35 m范圍。為消除沉降對(duì)堤身土體的密實(shí)度和防滲性能的不利影響,宜對(duì)受影響的區(qū)域土體進(jìn)行灌漿加固。

(4)在盾構(gòu)穿越施工期應(yīng)對(duì)海堤進(jìn)行安全監(jiān)測(cè),隨時(shí)了解海堤在盾構(gòu)穿越施工期的沉降變形變化和運(yùn)行狀況,以便及時(shí)采取應(yīng)急和加固措施,確保海堤的安全運(yùn)行。

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