沉管隧道水下基槽邊坡穩(wěn)定性與合理坡率研究

張建新，徐 軍

(天津城建大學(xué) a. 土木工程學(xué)院；b. 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300384)

沉管隧道水下基槽邊坡穩(wěn)定性與合理坡率研究

張建新a,b，徐 軍a

(天津城建大學(xué) a. 土木工程學(xué)院；b. 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300384)

以天津海河沉管隧道為背景，采用有限元模擬并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測資料，研究沉管隧道水下基槽邊坡的穩(wěn)定性與合理坡率．結(jié)果表明：基于基槽邊坡的安全系數(shù)、開挖和回填土方量、基槽回淤量等因素，基槽邊坡坡率上部采用1∶8，下部采用1∶4，中間設(shè)置2,m寬坡間平臺；在河道上下游基槽浚挖附近設(shè)置兩條回淤槽，盡量縮短基槽開挖和管段沉放時間間隔，減少回淤對基槽穩(wěn)定性的影響；開挖擾動不利于邊坡的穩(wěn)定，在施工中應(yīng)采用分區(qū)、分層的方式開挖．

沉管隧道；邊坡穩(wěn)定；合理坡率

近年來，隨著修建水下隧道的一些關(guān)鍵技術(shù)不斷被突破，水下隧道已逐漸成為工程界普遍認(rèn)同的跨越江河湖海的首選．而沉管隧道因具有斷面利用率高、工期短、防水性能優(yōu)越、節(jié)約工程造價等優(yōu)點(diǎn)逐漸被越來越多的工程所采用．沉管隧道基槽的開挖屬于水下施工，只有采用合理坡率和坡面形狀才能保證基槽開挖的穩(wěn)定性．若采用較緩坡率，基槽開挖和回填的土方量大，工程造價高；若采用較陡坡率，可能造成基槽邊坡坍塌，如果發(fā)生在沉放過程中，會給整個工程造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失．因此，基槽邊坡穩(wěn)定性和合理坡率的確定是基槽開挖中必須重視的問題之一[1-3]．

目前，有關(guān)邊坡穩(wěn)定計算的文獻(xiàn)大多是針對水上邊坡，水下邊坡的研究相對較少，且沒有水下邊坡的設(shè)計規(guī)范．水下邊坡的穩(wěn)定性既要考慮邊坡自身的穩(wěn)定性，又要考慮水、回淤等對邊坡穩(wěn)定性的影響．本文基于實(shí)際沉管前進(jìn)行的基槽試開挖試驗，利用ABAQUS有限元軟件，研究了基槽多種坡率和考慮開挖擾動狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性問題，并提出了基槽邊坡的合理坡率．

1 工程概況

海河隧道工程是天津市濱海新區(qū)中央大道穿越海河的一個重要節(jié)點(diǎn)工程，是溝通濱海新區(qū)中心商業(yè)區(qū)和海河南北兩岸的重要通道．工程全長4.3,km，其中穿越海河段的255,m采用沉管法施工，沉管斷面為36.6,m×9.65,m．基槽開挖區(qū)土質(zhì)有淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土等多種地層，淤泥層最厚處達(dá)12.9,m，地質(zhì)條件復(fù)雜．考慮現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)情況和對浚挖技術(shù)的研究，在隧道沉管前進(jìn)行了試驗槽段浚挖，浚挖采用絞吸船，試驗槽深為8,m，截面尺寸為20,m×40,m，邊坡按1∶4設(shè)置，平臺寬2,m，同時進(jìn)行回淤量監(jiān)測．基槽開挖區(qū)各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1．

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

2 分析模型的建立

在沉管隧道施工時，海河為封閉水域，水流較?。鶕?jù)國內(nèi)外學(xué)者對水下邊坡穩(wěn)定性的研究，在分析中，多簡化為在靜水場中水下邊坡的穩(wěn)定性研究[4]．靜水場中水下基槽邊坡穩(wěn)定性分析一般有兩種方法[5-6]：一種是采用土體有效重度和土體在水中的力學(xué)指標(biāo)，按普通地面邊坡進(jìn)行計算；另一種是將靜水壓力作為荷載作用于邊坡邊界上，然后采用水下土體物理力學(xué)指標(biāo)，按普通地面邊坡進(jìn)行計算．筆者采用第一種方法進(jìn)行分析．

對國內(nèi)已建的多座沉管隧道分析比較得知，沉管隧道基槽坡率因其所處土層的地質(zhì)條件、水流流速等條件不同，坡率有較大差異[7]；對于土質(zhì)為淤泥或淤泥質(zhì)黏土的水下基槽，其基槽下部邊坡坡率一般為1∶1～1∶4，但上層基槽邊坡坡率多采用1∶5，甚至1∶7．表2為國內(nèi)部分沉管隧道基槽邊坡坡率．

表2 部分國內(nèi)沉管隧道基槽邊坡坡率

由沉管隧道基槽浚挖專項方案可知，最終沉管隧道實(shí)際開挖時基槽邊坡坡率調(diào)整為下部1∶4，上部1∶8，中間設(shè)置2,m寬坡間平臺，本文主要針對此種坡率的邊坡進(jìn)行分析．

為進(jìn)一步分析水下基槽邊坡穩(wěn)定性及確定合理坡比，選擇1∶3、1∶4、1∶4.5、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8這7種坡率的試驗槽進(jìn)行對比．根據(jù)開挖區(qū)土層性質(zhì)、厚度等參數(shù)，試驗槽邊坡簡化模型見圖1．采用ABAQUS有限元軟件，利用強(qiáng)度折減法進(jìn)行沉管隧道水下基槽邊坡穩(wěn)定性與合理坡率研究[8-9]．

圖1 1∶4基槽邊坡模型

3 基槽開挖合理坡率分析

3.1 基于安全系數(shù)的合理坡率分析

圖2為開挖結(jié)束后，坡率為1∶4的基槽邊坡應(yīng)力、滑動面和塑性區(qū)貫通情況的計算結(jié)果云圖．其它6種坡率的計算結(jié)果云圖限于篇幅并未列出．由圖2c塑性區(qū)的發(fā)展趨勢可以看出，邊坡發(fā)生破壞時，塑性區(qū)從坡腳向坡頂方向延伸，意味著邊坡的破壞從坡腳開始．因此在水下基槽開挖時要特別注意坡腳的穩(wěn)定性．

圖2 坡率為1∶4基槽邊坡計算結(jié)果云圖

依據(jù)有限元法結(jié)果，參考已建工程實(shí)例，海河沉管隧道基槽邊坡坡率應(yīng)根據(jù)地層類別設(shè)計不同的邊坡坡率．圖3為不同坡率下基槽邊坡的安全系數(shù)隨坡率的變化曲線．由圖3可以看出：隨著邊坡坡率的增大，其安全系數(shù)逐漸增大，說明邊坡的穩(wěn)定性也隨之提高．海河沉管隧道基槽邊坡根據(jù)GB50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[10]安全等級劃分為一級，且屬于臨時邊坡，其穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.25．根據(jù)天津港積累的經(jīng)驗，目前天津港碼頭邊坡的坡率一般均取1∶3．跨海河隧道邊坡為水下邊坡，軟黏土厚度較小，考慮到河中某些不確定因素，并結(jié)合文獻(xiàn)[10]，下部邊坡采用1∶4的坡率．經(jīng)計算分析此坡率的邊坡是穩(wěn)定的．

圖3 安全系數(shù)隨坡率的變化曲線

3.2 基于基槽回淤的合理坡率分析

海河沉管隧道工程一標(biāo)段起點(diǎn)位于天津京海儲運(yùn)中心西貨場，修筑起點(diǎn)樁號為K28＋492；修筑終點(diǎn)為海河南津濱大道立交，工程樁號為K29＋798.512，主線全長1,306.512,m．為得到基槽開挖后的回淤情況，本工程選取5個斷面進(jìn)行了水下檢測，表3為各斷面工程樁號．

表3 各斷面工程樁號

圖4為基槽浚挖過程回淤檢測報告得出的各斷面回淤情況．從圖4可以看出：基槽回淤量比較大，在1-1斷面回淤厚度甚至達(dá)到了2.01,m．海河沉管隧道基槽浚挖土方量約為49萬m3，開挖深度為現(xiàn)狀河床底以下約13,m．沉管前，試開挖發(fā)現(xiàn)海河河床多年未進(jìn)行清淤工作，淤泥層厚，回淤量大，加上水下作業(yè)可視差，風(fēng)險性高，施工難度大，考慮工程安全性、開挖和回填土方量，上部坡率采用1∶8，并在邊坡中部設(shè)置2,m寬平臺．

圖4 各斷面回淤曲線

在水下基槽施工過程中，考慮施工安全性及減少泥沙回淤對基槽底部的影響，應(yīng)該適當(dāng)放緩表層淤泥層范圍內(nèi)基槽邊坡，在河道上下游基槽浚挖附近設(shè)置兩條回淤槽，同時還可在邊坡中部設(shè)置平臺；精心組織基槽開挖和管段沉放等工序的施工，基槽開挖和管段沉放間隔的時間越短越好，盡量減少臨近施工過程的影響，在基槽開挖至底部標(biāo)高后，及時進(jìn)行清淤驗收，并按時進(jìn)行后續(xù)工序的施工，以防止時間過長造成淤泥的沉積．

綜合考慮基槽回淤量、邊坡安全系數(shù)、開挖和回填土方量等因素，并結(jié)合部分國內(nèi)沉管隧道基槽邊坡坡率選取的經(jīng)驗，基槽下部坡率選用1∶4，上部坡率選用1∶8是經(jīng)濟(jì)、合理的．

4 基槽邊坡安全系數(shù)對內(nèi)摩擦角的敏感性分析

針對下部坡率為1∶4、上部坡率為1∶8基槽邊坡進(jìn)行相應(yīng)分析．考慮在開挖擾動下土體強(qiáng)度會有一定的衰減，因此采用原始的土參數(shù)進(jìn)行計算分析并不合理．為了施工安全，有必要考慮施工擾動的影響，現(xiàn)采用對土參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)折減的方法模擬土體擾動．有學(xué)者研究認(rèn)為，開挖擾動對土體的φ值有影響，而c值幾乎不變[11]．內(nèi)摩擦角是土粒間相對運(yùn)動時摩擦作用的綜合反映．開挖擾動使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致土顆粒的位置發(fā)生變化及土顆粒之間的膠結(jié)物發(fā)生錯動，從而使內(nèi)摩擦角降低．表4為前四層土的分析結(jié)果．

表4 安全系數(shù)對內(nèi)摩擦角的敏感性分析

表5為考慮和不考慮開挖擾動工況下的基槽邊坡安全系數(shù)．從表4和表5可以看出：由于開挖擾動的影響，邊坡的安全系數(shù)由1.516降至1.341，降幅達(dá)到12%，所以開挖擾動對邊坡安全性的影響不可忽略；隨著擾動深度的加大，邊坡安全系數(shù)下降趨勢增大，對開挖邊坡的穩(wěn)定不利．但在考慮開挖擾動對土體的影響后，邊坡穩(wěn)定分析得到的結(jié)果仍能滿足穩(wěn)定性要求．

表5 不同工況的邊坡安全系數(shù)

為保證基槽邊坡開挖能夠滿足邊坡設(shè)計需要，施工工藝采用分區(qū)、分層的方式．在基槽開挖前，應(yīng)建立控制網(wǎng)，通過測量放線來確定基槽開挖范圍；基槽邊坡施工采用階梯開挖法，在第一區(qū)浚挖后及時測量，根據(jù)測量結(jié)果，調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化施工方案；基槽開挖過程中，做好監(jiān)控，定期測量基槽的深度、寬度和邊坡坡率；密切關(guān)注基槽內(nèi)是否出現(xiàn)滑動、塌方或回淤等情況，如果出現(xiàn)應(yīng)及時采取相應(yīng)措施．

5 結(jié) 論

(1)在沉管隧道基槽浚挖中，邊坡的穩(wěn)定性隨著坡率的增大而顯著提高．確定基槽坡率時，應(yīng)結(jié)合邊坡的安全系數(shù)、工期和造價、以往工程經(jīng)驗、地層條件、基槽回淤量等因素來綜合考慮．本工程在基槽邊坡中設(shè)置坡間平臺，對上下邊坡分別采用1∶8和1∶4的坡率是經(jīng)濟(jì)、合理的．

(2)基槽回淤對邊坡的影響較大．在水下基槽施工中，通過采取適當(dāng)放緩表層淤泥層范圍內(nèi)的基槽邊坡、在河道上下游設(shè)置回淤槽、設(shè)置坡間平臺、盡量縮短基槽開挖和管段沉放的時間間隔等措施來減少回淤．

(3)開挖擾動不利于邊坡的穩(wěn)定．在施工中應(yīng)采取分區(qū)、分層的方式開挖，并嚴(yán)密監(jiān)控，不斷優(yōu)化施工方案．

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Research on Stability and Suitable Slope Ratio of Sub-water Trench in Immersed Tunnel

ZHANG Jian-xina,b，XU Juna
(a. School of Civil Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

Based on Tianjin Haihe immersed tube tunnel project,this paper uses finite element simulation analysis and the site monitoring data to study the stability and suitable slope ratio of sub-water trench in immersed tunnel. The study result shows that the upper part of the slope foundation trench with 1∶8 slope rate,the lower 1∶4,a two meters wide slope platform is set up in the middle,based on safety factor of sub-water trench slope,excavation and backfilling earth volume,trench back-silting and other factors. It is necessary to set up two back silting tanks near the upstream and downstream of river channel dredging,shortening the foundation trench excavation and pipe sinking intervals,reducing the impact on the stability of foundation trench. Excavation disturbance is not conducive to the stability of slope; therefore,we should adopt the way of partitioning and stratified excavation in the construction.

immersed tunnel；slope stability；reasonable slope ratio

U455.46

A

2095-719X(2015)02-0089-04

2014-09-28；

2014-11-18

張建新（1965—），男，河北保定人，天津城建大學(xué)教授，博士.