海中深厚軟土地基里隧道明挖法施工截流圍堰方案比選及穩(wěn)定性分析

彭長勝，黃 勝，閆鵬飛

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 水下隧道湖北省工程實驗室，湖北 武漢 430063; 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

海中深厚軟土地基里隧道明挖法施工截流圍堰方案比選及穩(wěn)定性分析

彭長勝1，黃 勝1，閆鵬飛2

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 水下隧道湖北省工程實驗室，湖北 武漢 430063; 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

依托澳門大學(xué)專用過海通道明挖法隧道工程，對海中深厚軟土地基里明挖法隧道采用截流圍堰法施工的適用性進(jìn)行了分析，并通過施工方案比選確定采用固化模袋土堤截流圍堰方案。建立三維彈塑性數(shù)值計算分析模型，對所選方案截流圍堰的穩(wěn)定性及其安全系數(shù)進(jìn)行了基于強(qiáng)度折減法、考慮流—固耦合的數(shù)值分析。分析結(jié)果和施工實踐均表明，設(shè)計及施工方案滿足規(guī)范要求，能夠保證施工安全。

圍堰 海中深厚軟土地基 適用性 方案比選 強(qiáng)度折減法 流—固耦合

圍堰是在河道中修建的臨時建筑物，用以維護(hù)永久性水工建筑物的施工，使之在不受河道水流影響的條件下進(jìn)行施工。圍堰為基坑內(nèi)的干作業(yè)施工提供保障，直接關(guān)系到主體建筑物的施工安全、工期及造價。因而其穩(wěn)定性對于整個工程極為重要［1］。

作為臨時性建筑，大多數(shù)圍堰都要在永久性建筑修建完成后拆除，具有施工難度大、工期緊、河床覆蓋層清挖工作量大、防滲要求高等特點。圍堰的穩(wěn)定性及其防滲能力是工程設(shè)計研究的重點和難點。

近年來，有限單元法、有限差分法等計算方法在巖土工程滲流與穩(wěn)定分析中得到了推廣和重視。文獻(xiàn)［2-8］利用FLAC3D，GeoStudio等數(shù)值分析軟件，對三峽二期工程圍堰滲流穩(wěn)定性、溪洛渡水電站上游圍堰等進(jìn)行了研究，得出了對圍堰設(shè)計和施工有指導(dǎo)性意義的重要結(jié)論。但是，目前對海中深厚軟土地基明挖法隧道采用截流圍堰法施工的研究還較少見。

本文依托橫琴島澳門大學(xué)新校區(qū)專用海底隧道工程，研究海中深厚軟土地基明挖法隧道采用截流圍堰法施工的適用性，并進(jìn)行了施工方案比選，結(jié)合優(yōu)選后的圍堰方案，建立彈塑性三維數(shù)值分析模型，對截流圍堰的穩(wěn)定性及其安全系數(shù)進(jìn)行了基于強(qiáng)度折減法、考慮流—固耦合的數(shù)值分析，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

橫琴島澳門大學(xué)新校區(qū)海底隧道工程西起于澳門大學(xué)橫琴校區(qū)規(guī)劃環(huán)島路，下穿十字門水道，東至澳門路環(huán)蓮花海濱大馬路，是為服務(wù)于澳門大學(xué)橫琴新校區(qū)而新建的專用過海通道，起到了連接橫琴島校區(qū)與澳門的作用，海峽淺平，寬約 500 m，水深約 0.7～3.8 m。

過海隧道全長1 528 m，為兩條分離式隧道。其中K0+000—K0+150為路基開挖段，長 150 m;K0+ 150—K0+370，K1+400—K1+528為隧道引道 U型槽段，長度分別為120，128 m;K0+370—K1+400為隧道工程段，長 1 030 m。隧道設(shè)計頂板高程約－16.26～5.57 m，底板高程約－26.36～2.01 m。

2 施工方案

2.1 截流圍堰適用性分析

盾構(gòu)法、沉管法是修建海底隧道的主流工法，適用于長距離水下隧道的建設(shè)。目前沉管隧道單個管節(jié)長度可達(dá)200 m以上。盾構(gòu)法修建的隧道如果長度不超過10 km則很難保證其經(jīng)濟(jì)效益。

擬建海底隧道長度較短，所處水域水深較淺，隧道埋深不大，盾構(gòu)法和沉管法均不適用此工程項目，因此采用截流圍堰結(jié)合明挖法進(jìn)行主體隧道結(jié)構(gòu)施工。

圍堰坐落在第四系全新世海陸交互相沉積層上，表層淤泥層厚3.90～17.30 m，平均厚度10.63 m，為高壓縮性土，其次為黏土、淤泥黏土。

2.2 截流圍堰方案比選

對固化模袋土堤圍堰及施工土堤圍堰兩種方案進(jìn)行比選，詳述如下。

1)固化模袋土堤方案。固化模袋土堤方案堤身典型斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。堤身采用固化模袋土。圍堰采用斜坡式結(jié)構(gòu)，堤頂寬度6 m，堤頂高程2.94 m，海堤內(nèi)外側(cè)坡比均為1∶2。根據(jù)不同區(qū)域的波浪情況，圍堰外側(cè)采用厚度300 mm漿砌塊石護(hù)面。

圖1 固化模袋土堤方案典型斷面(單位:mm;高程單位:m)

2)施工土堤方案。在隧道施工范圍內(nèi)做一條高出水面的施工輔助土堤，土堤頂寬約65 m，隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接在土堤頂上施工，然后再從土堤頂往下開挖到基坑底。該方案基坑深度比固化模袋土堤方案深約7 m，最深處達(dá)32 m。施工土堤方案堤身典型斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示，堤身采用固化模袋土。

圖2 施工土堤方案典型斷面(單位:mm;高程單位:m)

3)方案對比

兩種方案對比見表1。綜合考慮各種因素，采用固化模袋土堤方案。

2.3 截流圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

圍堰平行于海底隧道兩側(cè)布設(shè)。隧道北側(cè)擋水圍堰長494 m，隧道南側(cè)擋水圍堰長533 m。圍堰屬于臨時建筑物，建筑物等級為4級。堤頂高程4.33 m，堤頂寬度6 m，原泥面高程0～－4.90 m，圍堰高4.33～9.23 m。迎水坡和背水坡坡比均為1∶2，背水面、迎水面拋填袋裝砂。在0.94～1.94 m高程處設(shè)置平臺，平臺寬度背水面為10 m，迎水面為8 m。在圍堰底部設(shè)一層單向土工格柵。

表1 圍堰方案對比

圍堰防滲采用迎水面鋪設(shè)一層防滲復(fù)合土工膜和堤身設(shè)單排垂直鋪塑防滲帷幕墻的防滲結(jié)構(gòu)。圍堰彎折及與兩側(cè)堤岸連接處防滲帷幕采用高壓旋噴樁防滲帷幕，圍堰彎折處采用單排套接，兩側(cè)堤岸連接處采用雙排套接，樁徑為100 cm，樁間距為80 cm。高壓旋噴樁設(shè)計滲透系數(shù)為(1～9)×10－6cm/s;垂直鋪塑防滲帷幕設(shè)計滲透系數(shù)為(1～9)×10－12cm/s。

2.4 截流圍堰地基加固

在充填袋裝砂堤圍堰之前需對地基進(jìn)行處理。在原泥面鋪設(shè)土工格柵及土工布;吹填砂被2層(約1 m

厚);打設(shè)塑料排水板，穿過圍堰的淤泥層，排水板間距為1.0 m，按正方形布置;充灌充填袋裝砂形成堤身。加載210 d后淤泥層沉降固結(jié)度應(yīng)達(dá)到70%以上。施工中采用分級載入，結(jié)合檢測結(jié)果調(diào)整加載速率，確保圍堰穩(wěn)定。施工時應(yīng)保證塑料排水板不扭曲。

對堤高超過7.83 m的圍堰，在圍堰內(nèi)側(cè)采用水下深層水泥攪拌樁加固堤腳處淤泥。水泥攪拌樁樁徑為1 000 mm，按1.6 m×1.6 m間距布設(shè)。水泥攪拌樁采用水泥、外加劑和水的拌合體(水泥漿液)作為固化劑，水泥宜選用強(qiáng)度等級32.5以上。

3 截流圍堰穩(wěn)定性分析

圍堰穩(wěn)定性和滲流分析計算斷面選在具有代表性的水道中央段。由于結(jié)構(gòu)及邊界條件的對稱性，為減小計算規(guī)模，選取半結(jié)構(gòu)(一個圍堰截面)進(jìn)行計算。

計算時圍堰主體結(jié)構(gòu)按照彈性模型計算，地層按照彈塑性模型計算。參考基坑勘察報告，選取如表2所示的材料參數(shù)。

表2 模型材料力學(xué)參數(shù)

3.1 基于強(qiáng)度折減法的圍堰穩(wěn)定性分析

土坡的安全系數(shù)定義為把強(qiáng)度指標(biāo)減小到邊坡臨界破壞時的強(qiáng)度指標(biāo)折減的系數(shù)。黏聚力 c、內(nèi)摩擦角φ按下式進(jìn)行折減［9-12］。

式中:c'，φ'分別為折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角;Ftrial為試算的安全系數(shù)。

通過不斷地調(diào)整土體的c，φ值對土坡進(jìn)行分析，直至其達(dá)到臨界破壞，此時得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。通過FLAC3D的分析和后處理可很快找出滑裂面。此方法的優(yōu)點是安全系數(shù)可直接求出，不需要事先假設(shè)滑裂面的形式和位置。另外可以考慮土坡漸進(jìn)破壞過程和變形對穩(wěn)定的影響。

根據(jù)上述強(qiáng)度折減法基本思想，在FLAC3D中自行編制求解圍堰安全系數(shù)的程序，計算得到安全系數(shù)為1.107，該安全系數(shù)大于《水利水電圍堰設(shè)計導(dǎo)則》［13］中規(guī)定的安全系數(shù)(1.05)，說明該圍堰的整體穩(wěn)定性滿足要求。

計算結(jié)果顯示，在整體模型右側(cè)邊界的上部產(chǎn)生了方向向上的速度矢量，表明塑性流動沿著人工邊界發(fā)生。這是不真實的速度矢量，其原因是破壞機(jī)制受到了人工邊界的限制。

3.2 考慮流—固耦合的圍堰穩(wěn)定性分析

為了真實模擬水流對圍堰的實際作用，考慮流—固耦合作用，在FLAC3D中建立該圍堰的整體三維模型進(jìn)行計算。

按照流—固耦合的基本原理計算得到的圍堰整體塑性區(qū)分布如圖3所示，圍堰的滲流孔隙壓力分布如圖4所示。

圖3 考慮滲流作用時圍堰整體塑性區(qū)分布

圖4 圍堰的滲流孔隙壓力分布

由圖3可知，活性塑性區(qū)域只在模型左邊界上表面零星存在，并沒有形成連續(xù)的區(qū)域，說明此時圍堰沒有發(fā)生破壞，是穩(wěn)定的。由圖4可知，圍堰表面的漿砌石護(hù)面及中央底部的攪拌樁加固體起到了很好的防水和擋水的作用，迎水側(cè)的滲流力并未穿透圍堰加固體。

4 結(jié)論

1)對于長度較短，所處水域水深較淺的淺埋海底隧道，采用截流圍堰施工方法是合理的。

2)通過圍堰方案比選，擬建海底隧道采用了固化模袋土堤施工方案。所設(shè)計的固化模袋土堤截流圍堰，經(jīng)基于強(qiáng)度折減法、考慮流—固耦合的數(shù)值分析，滿足圍堰的整體穩(wěn)定性要求。

3)固化模袋土堤截流圍堰在澳門大學(xué)過海明挖法隧道的施工中保證了工程的安全，效果良好。

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(責(zé)任審編 李付軍)

TU447;U459.5;U455.49

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.16

2015-03-04;

:2015-04-26

彭長勝(1979— )，男，江西修水人，高級工程師。

1003-1995(2015)09-0053-04