沉管隧道管段沉放后基槽應(yīng)力與變形分析

隋洪瑞 朱世柱

(天津海河下游開發(fā)有限公司，天津 300457)

沉管隧道管段沉放后基槽應(yīng)力與變形分析

隋洪瑞 朱世柱

(天津海河下游開發(fā)有限公司，天津 300457)

基于海河沉管隧道工程，建立了數(shù)值分析模型，對沉管法施工過程中基底回彈規(guī)律進(jìn)行了研究，通過總結(jié)管段荷載作用下基槽土體的受力變形情況，提出了控制基底回彈的措施。

沉管隧道，水下基槽，基底回彈，數(shù)值模擬

1 研究背景

水下基槽開挖完成后，需要在基底沉放預(yù)制管段，并覆蓋部分土石作為管段保護(hù)層。由于上部開挖淤泥和水底覆土的自重通常會大于管段和回填覆土的自重之和，因此在管段沉放、上部回填后，作用在溝槽底面的荷載不會因沉放管段而增加，反而有所減小。這有可能造成沉管段在放置后位置發(fā)生變化，導(dǎo)致各管段間出現(xiàn)不均勻變形，管段之間的連接段發(fā)生裂縫甚至破壞。目前，國內(nèi)外對地基土體在管段荷載作用下的變形問題研究并不多見，因此，對水下基槽開挖后基底的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，具有重要的工程意義。

中央大道海河隧道工程是天津市濱海區(qū)中央大道穿越海河的重要節(jié)點工程，位于天津市濱海新區(qū)于家堡中心商務(wù)區(qū)，是溝通濱海新區(qū)中心商務(wù)區(qū)海河南北兩岸的重要通道，其中穿越海河255 m采用沉管法施工工藝。穿越土層主要為淤泥質(zhì)土，局部為力學(xué)性質(zhì)較差的粉質(zhì)粘土、粘土夾層。沉管段長255 m(三節(jié))，采用軸線干塢、南案干接法施工，沉管段斷面為36.6 m×9.65 m，主體結(jié)構(gòu)分為單層及雙層框架形式。

針對海河隧道沉管管段沉放的實際工況，選擇了實際開挖的試驗段基槽，建立“基槽開挖完畢→管段沉放穩(wěn)定→覆土回填、溝槽底面處理完成”等三個施工階段的數(shù)值分析模型，比較分析沉管法施工全過程中基底承載力的變化趨勢，探求基槽各位置(重點是基槽底部管段沉放區(qū)域)的變形規(guī)律。在數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)基于管段荷載作用下基槽土體的受力變形情況，提出適合施工場地環(huán)境的基槽處理方法，為類似環(huán)境下的工程提供科學(xué)借鑒。

2 分析模型的建立

本文采用有限差分程序FLAC3D作為分析工具，計算中土體采用摩爾庫侖本構(gòu)模型。根據(jù)工程實際情況，選取了最不利的斷面，利用對稱原理，以基槽中心為邊界取一側(cè)邊坡進(jìn)行建模，尺寸為70 m×16 m。模型將土層化簡為四層，采用加權(quán)平均后的土參數(shù)進(jìn)行計算。分析充分考慮了施工過程對計算結(jié)果的影響，盡可能按照基槽的實際開挖步驟和各項工程處理措施進(jìn)行各階段的劃分，研究構(gòu)建了基于“基槽開挖→管段沉放→覆土回填”的開挖施工全過程，建立分析模型，分析具體步驟如下：

1)模擬開挖基槽區(qū)域原始地應(yīng)力場；

2)開挖基槽第一層土體(厚3 m)，邊坡第一層土體強(qiáng)度折減；

3)開挖基槽第二層土體(厚1 m)，邊坡第二層土體強(qiáng)度折減；

4)開挖基槽第三層土體(厚4 m)，邊坡第三層土體強(qiáng)度折減；

5)施加管段荷載和回填土荷載。

基槽開挖完畢，待基槽底部和邊坡位置土體穩(wěn)定后，在基槽底部沉放管段位置施加豎向管段荷載，再施加豎向回填土荷載。參考現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)和國內(nèi)外研究成果，分析中取管段結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施荷載共計39 kN/m3，回填土浮容重11 kN/m3，回淤土容重5.6 kN/m3。從偏安全考慮的原則出發(fā)，將回填土和回淤土荷載施加范圍設(shè)置為整個模型區(qū)域。在施工各階段的分析過程中，提取基槽底部管段沉放區(qū)域各個位置(管段邊緣、中部及邊坡坡角等位置共布置5個數(shù)據(jù)監(jiān)測點)的應(yīng)力、位移的變化數(shù)據(jù)，并與試驗槽現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，總結(jié)基于管段荷載作用下基槽土體的受力和變形情況。

3 計算結(jié)果與分析

各施工步驟的計算結(jié)果見圖1。

分析開挖全過程中應(yīng)力和變形的計算結(jié)果，邊坡豎向位移變化的規(guī)律性較明顯，各個位置土體隨開挖的豎向位移逐漸增大；在開挖面附近特別是坡角位置的土體，發(fā)生了比較明顯的水平位移，這很可能造成坡角滑移，導(dǎo)致整個邊坡失穩(wěn)。應(yīng)力分布隨開挖的進(jìn)行，基槽底部向上的豎向應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在中間平臺和第二層邊坡的交界位置，這說明在邊坡坡度變化位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

基槽內(nèi)部土體發(fā)生回彈的范圍逐漸擴(kuò)大，主要發(fā)生在基槽底部，另外在第二層邊坡平臺位置的土體也發(fā)生了回彈現(xiàn)象。而在管段沉放之后，管段和回填土體對基槽底部施加附加豎向荷載，此時回彈現(xiàn)象發(fā)生范圍并未明顯減小，回彈量變化亦不明顯。這說明管段自重和回彈土自重不足以平衡基槽底部土體豎直向上的回彈應(yīng)力。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，施工中可以在管段上方壓載混凝土，以加大豎向附加荷載的方式，減小基底回彈對沉管結(jié)構(gòu)的影響。

為了驗證采取措施的合理性，研究對采取措施后基底回彈情況進(jìn)行了進(jìn)一步的數(shù)值分析，在前述分析模型和分析步驟的基礎(chǔ)上，在施加管段自重和回填土豎向荷載后，繼續(xù)逐步增大在基槽沉管段施加豎直向下的荷載，以平衡土體回彈應(yīng)力。當(dāng)施加的荷載達(dá)到20 kPa時，回彈土體范圍明顯減小，見圖2。

鑒于現(xiàn)有測試技術(shù)很難精確測定水下基槽開挖后的回彈量，本研究選取了受到回淤影響較輕的試驗基槽某斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)，與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行了定性比較分析。試驗槽內(nèi)部04號斷面位于管段沉放區(qū)域中心線附近，走向呈東西方向。由于該斷面位置距離試驗槽兩側(cè)邊坡較遠(yuǎn)，均為15 m左右，故水下試驗槽開挖時該斷面受到回淤作用的影響相對較小。監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖3。

將試驗槽開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明：在回淤現(xiàn)象影響較小的區(qū)域，基槽變形規(guī)律與計算結(jié)果所得規(guī)律相似。隨著開挖過程的不斷進(jìn)行，基槽底部土體逐漸被清除，基槽底部各位置土體回彈量迅速增加。即使邊坡穩(wěn)定、管段回填和上部覆土回填后，基槽底部回彈量仍保持較快速增大趨勢，直到施加附加荷載達(dá)到20 kPa以上時，土體回彈量增加量才趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

1)考慮施工過程，按照試驗槽的實際開挖步驟和工程處理措施，構(gòu)建了基于“基槽開挖→管段沉放→覆土回填”的開挖施工全過程，進(jìn)行數(shù)值分析。分析結(jié)果表明：在坡角位置，土體發(fā)生水平滑移的可能性增大；基槽底部向上的豎向應(yīng)力逐漸增大，在邊坡坡度變化位置，土體容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2)基槽內(nèi)部位置土體發(fā)生回彈的范圍逐漸擴(kuò)大，主要發(fā)生在基槽底部。在管段沉放之后，管段和回填土體對基槽底部施加附加豎向荷載，此時回彈現(xiàn)象發(fā)生范圍并未明顯減小，回彈量變化亦不明顯。這說明管段的自重及回彈土的自重之和不足以平衡由于土體開挖所造成的基槽底部土體豎直向上的回彈應(yīng)力。

3)通過以上分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，本文提出兩點建議：a.實際開挖工程中，對開挖面和坡角位置的土體應(yīng)加強(qiáng)位移和應(yīng)力監(jiān)測，并采取有效加固措施預(yù)防邊坡坍塌；b.管段沉放和上部覆土回填后，為進(jìn)一步控制基槽底部土體回彈，施工中可以在管段上方壓載混凝土，以加大豎向附加荷載的方式，平衡土體回彈應(yīng)力，減小基底回彈對沉管結(jié)構(gòu)的影響，建議附加荷載值大于20 kPa。

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On analysis of foundation trench stress and deformation after tabulation sinking of tunnel with immersed tubes

SUI Hong-rui ZHU Shi-zhu

(Tianjin Haihe Downstream Development Co., Ltd, Tianjin 300457, China)

Based on the sunk pipe tunnel project along Haihe, the paper establishes the numeric analysis model, researches the base resilience law in the construction process of the sinking pipe method, and points out the measures for controlling the base resilience according to the summary of the stress deformation of the foundation trench soil body under the pipe section loading.

sinking pipe tunnel, underwater foundation trench, foundation trench, numeric simulation

1009-6825(2014)36-0153-02

2014-10-15

隋洪瑞(1973- )，男，高級工程師； 朱世柱(1981- )，男，工程師

U455.46

A