隧道與海堤交叉建設(shè)安全影響分析

薛招錢

（溫州甌江口產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)開發(fā)建設(shè)促進(jìn)中心，浙江 溫州 325000）

1 工程概況

靈昆北堤四期工程標(biāo)準(zhǔn)堤位于甌江河口南岸的靈昆島北段，全長(zhǎng)約772 m，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)50 a一遇，設(shè)計(jì)潮位h2%= 5.22 m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同），建筑物級(jí)別為2級(jí)，工程西接靈昆北段標(biāo)準(zhǔn)堤二期工程，東終于靈昆老堤。其中樁號(hào)0 + 138 ～ 0 + 172 m段為與S2隧道銜接段。S2線過江隧道[1]位于甌江北口大橋主橋下游150 ～ 200 m，北接樂清黃華，南抵溫州靈昆島。隧道全長(zhǎng)2 706 m，斷面結(jié)構(gòu)形式為圓形隧道，隧洞外徑14.50 m，壁厚60 cm，隧道穿越標(biāo)準(zhǔn)堤段頂高程為- 20.80 m。項(xiàng)目區(qū)位見圖1。

圖1 項(xiàng)目區(qū)位圖

擬建場(chǎng)地?zé)o活動(dòng)斷裂通過，地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，總體穩(wěn)定性較好。根據(jù)鉆孔揭露，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試與室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，項(xiàng)目所在場(chǎng)地在勘探深度范圍自上而下劃分有4個(gè)工程地質(zhì)組成主層，9個(gè)工程地質(zhì)亞層。分別是：①0雜填土、①黏土（al - lQ3 4）、②1含砂淤泥（al - mQ42）、②2淤泥（mQ42）、③1含砂淤泥質(zhì)黏土（mQ41）、③2粉細(xì)砂（alQ32）、④2黏土（al - lQ32）、④3粉砂（alQ32）、④4卵石（alQ32）。

2 S2隧道銜接設(shè)計(jì)情況

2.1 S2隧道處設(shè)計(jì)斷面

S2過江隧道與標(biāo)準(zhǔn)堤堤軸線相交，交角為87.79°，隧道采用圓形隧道的結(jié)構(gòu)形式，隧洞外徑14.50 m，壁厚60 cm，采用盾構(gòu)法施工。穿堤段隧道頂高程約- 20.80 m。

2.2 S2隧道處海堤斷面設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)堤樁號(hào)0 + 138 ～ 0 + 172 m段設(shè)計(jì)長(zhǎng)34 m的灌注樁基礎(chǔ)空箱整體跨越S2隧道?？障涞膬啥嗽谄叫兴淼婪较蚋髟O(shè)置2排密排C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁承受空箱堤身荷載，每排鉆孔灌注樁共有9根，樁長(zhǎng)60 m，樁間距1 m，直徑80 cm。

堤身范圍內(nèi)布置水泥攪拌樁加固地基并隔離隧道施工期，為減小運(yùn)行期對(duì)堤防的不利影響，空箱外側(cè)設(shè)2.50 m寬大塊石護(hù)腳。為滿足堤身整體穩(wěn)定要求，在空箱中間沿堤軸線方向設(shè)1排密排抗滑樁，樁長(zhǎng)15 m，樁間距1 m，樁徑80 cm。具體斷面見圖2。

3 盾構(gòu)施工對(duì)S2隧道穿堤防的影響分析

S2線隧道盾構(gòu)施工，允許地面沉降值為+10 ～ - 30 mm，故應(yīng)充分考慮隧道穿越海堤處相關(guān)地基處理措施，盡量避免隧道施工對(duì)海堤工程的不利影響。

3.1 S2隧道掘進(jìn)對(duì)堤防整體穩(wěn)定安全分析

隧道工程穿越堤防時(shí)，隧道的外頂標(biāo)高為- 17.13 m，中心標(biāo)高為 - 28.05 m。盾構(gòu)施工對(duì)大堤可能會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此，選取隧道堤段作為典型分析對(duì)象開展分析。

圖2 空箱結(jié)構(gòu)縱斷面圖 單位：cm

根據(jù)鄭鈞[2]等人對(duì)上海已建軌道交通盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)土體影響的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究表明，隧道盾構(gòu)施工對(duì)周邊土體產(chǎn)生擾動(dòng)，影響最為嚴(yán)重的是隧道所處的第②2層淤泥和第③1層含細(xì)砂黏土，其次則為隧道上方的第②1層含砂淤泥。在盾構(gòu)盾尾脫離管片時(shí)，上述土層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)將明顯下降，下降幅度在15% ～ 50%。在此，將第②2層和第③1層土的c、φ值折減20%，第②1層土的c、φ值折減15%，其余層土的c、φ值折減10%來考慮盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)大堤整體穩(wěn)定的影響[3]。各土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值見表1，穩(wěn)定計(jì)算水位組合及安全系數(shù)要求見表2。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

表2 穩(wěn)定計(jì)算水位組合及安全系數(shù)要求表

表3 盾構(gòu)掘進(jìn)前后大堤整體滑移穩(wěn)定安全系數(shù)表

在考慮土體擾動(dòng)引起土體物理力學(xué)性質(zhì)下降的影響后，復(fù)核盾構(gòu)施工后的大堤邊坡整體抗滑穩(wěn)定，施工前后大堤整體穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。

由表3可知，盾構(gòu)施工前，大堤滑移穩(wěn)定安全系數(shù)滿足GB/T 51015 — 2014《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，考慮隧道穿越對(duì)周邊土體擾動(dòng)影響后，大堤的整體滑移安全系數(shù)有所下降，但在規(guī)范容許最小安全系數(shù)內(nèi)。

3.2 堤身滲透穩(wěn)定計(jì)算

堤壩的滲流問題通常用平面問題模型[4]來處理，穩(wěn)定滲流有限元法計(jì)算公式：

式中：{h}為滲總水頭向量；[K]為向透水系數(shù)矩陣；{Q}為數(shù)流量向量。

滲透破壞類型，主要依靠土體材料和允許的滲透坡降進(jìn)行判別。對(duì)于允許滲透坡降的確定，按照GB 50487 —2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》流土型采用公式：

式中：Jcr為土的臨界坡降；GS為土的顆粒密度與水的密度之比；n為土的孔隙率（%）。

滲透破壞一般發(fā)生在滲流的逸出處，因此一般情況下只需驗(yàn)算出逸點(diǎn)的滲透坡降即可。經(jīng)初步估計(jì)，出逸點(diǎn)應(yīng)在②1層淤泥加砂，可能發(fā)生滲透破壞的類型為流土型，根據(jù)本工程地勘察成果和公式（1）計(jì)算得，臨界滲透坡降為Jcr= (GS-1)(1-n) = 0.68。安全系數(shù)取2.0的情況下，其允許坡降為0.34。

由于本工程圍堤內(nèi)陸側(cè)無水系，地下水位與外海低潮位差值較小，而外海高潮位工況下的順堤滲流為最不利工可，因此，本次計(jì)算堤防外側(cè)水位取50 a一遇潮位5.22 m，內(nèi)側(cè)取地下0.50 m，計(jì)算堤身防滲穩(wěn)定。順堤滲流穩(wěn)定計(jì)算流網(wǎng)見圖3，滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，堤身滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

圖3 順堤滲流穩(wěn)定計(jì)算流網(wǎng)圖

表4 各斷面滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.3 隧道掘進(jìn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)堤沉降影響分析

本次分析采用plaxis2D有限元軟件[5]進(jìn)行模擬計(jì)算，分析隧道施工對(duì)隧道穿越堤防段的影響。

3.3.1 模型分析

有限元數(shù)值計(jì)算中土體采用基于Mohr - Coulomb的HSS高級(jí)土體行為模型。盾構(gòu)管襯砌采用線彈性材料模擬，盾構(gòu)TBA管采用板材料模擬。隧道建造全過程模擬：通過有限元軟件的“單元生死”模擬隧道建設(shè)的施工過程，根據(jù)地鐵隧道工程施工順序模擬隧道建造全過程。

3.3.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算采用等三角形十五節(jié)點(diǎn)平面單元模擬土體與墻體，該單元提供4階位移差值，數(shù)值積分采用12高斯應(yīng)力點(diǎn)，對(duì)工程問題能得出精度較高的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

模型邊界條件是位移邊界，兩側(cè)水平約束；底部固定約束。

3.3.3 計(jì)算結(jié)果分析

隧道建造過程后對(duì)大堤空箱及地表土體位移的影響結(jié)果分析。

通過模型計(jì)算，當(dāng)土體損失率[6]為0.4%時(shí)，得到盾構(gòu)掘進(jìn)后空箱及土層位移變形圖（見圖4）、空箱底板的位移變形圖（見圖5）、盾構(gòu)掘進(jìn)后鉆孔灌注樁軸力圖（見圖6）以及隧道正上方堤頂沉降曲線圖（見圖7）。

圖4 盾構(gòu)掘進(jìn)后空箱及土層位移變形圖（0.4%土層損失）

圖5 空箱底板的位移變形圖（0.4%土層損失）

圖6 盾構(gòu)掘進(jìn)后鉆孔灌注樁軸力圖（0.4%土層損失）

圖7 隧道正上方堤頂沉降曲線圖（0.4%土層損失）

根據(jù)上述分析，當(dāng)土層損失控制在0.4%時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)后引起空箱底出現(xiàn)最大沉降量為22.2 mm，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)大堤的影響比較小。

4 結(jié)論及建議

從計(jì)算結(jié)果得出，施工單位需合理組織施工，嚴(yán)格將土層損失控制在0.4%以內(nèi)。建議加強(qiáng)施工期間原位觀測(cè)[7]，包括地表沉降、地基分層沉降、水平位移、水位等方面，保證工程安全，控制施工質(zhì)量；做好結(jié)構(gòu)差異沉降的處理措施，特別是堤后閉氣土方區(qū)域與樁基筏板框架結(jié)構(gòu)之間的差異沉降。