盾构掘进穿越海堤稳定性分析与工程控制措施

徐学勇,樊延强,宋庆晓,杜文博,贾海波

(1.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,浙江杭州310014;2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉430071;3.青岛中德生态园联合发展有限公司,山东青岛266555)

近年来,在我国沿海软土地区,大量的地下穿越工程采用盾构法或定向钻等施工技术。与传统的地下工程施工技术相比,盾构法具备适应软弱地质条件、施工速度较快和对周围环境影响较小等优点而广泛地应用于地下工程中。在软土地区盾构施工会扰动地层,改变地层的原始应力,破坏土体的初始平衡状态,从而引起不同程度的地表沉降变形[1-2],对诸如土石坝、填土海堤等建(构)筑物内部土体密实度和防渗性能产生不利影响,降低其整体抗滑稳定安全系数,造成工程安全隐患[3-4]。如施工方法不当,会引起地表严重沉降变形,从而导致建(构)筑物倾斜、甚至开裂和倒塌[5-6]。

因此,研究盾构掘进对周围环境的影响,尤其对掘进穿越填土海堤等建(构)筑物的地表沉降变形和整体稳定性进行计算和分析,对保证盾构施工安全和工程顺利实施有着重要的意义。

1 计算理论与方法

1.1 地表沉降计算

国内外对非开挖管道施工引起的地表位移做了大量研究,对地层位移预测的主要方法有经验公式法、数值模拟、模型试验研究、灰色理论等。其中,比较典型的经验方法有Peck公式法[7-8]。Peck认为土体移动由土体损失引起,施工引起的地表沉降是在不排水条件下发生的,所以沉降槽体积应等于土体损失体积,地表沉降估算公式为(见图1):

图1 盾构施工引起地表沉降曲线

式中:S(x)为距离管道中心线处的地表沉降(m);Smax为管道中心线处最大地表沉降(m);x为距管道中心线的距离(m);i为沉降槽宽度系数(m);Vs为沉降槽的体积(m3);Vl为定向单位长度地层损失(m2);R为开挖隧道的半径(m);Z为地面到管道中心的深度(m);φ为土的内摩擦角(°)。

1.2 海堤抗滑稳定性计算

海堤整体抗滑稳定计算可采用瑞典圆弧滑动法,抗滑稳定安全系数K的计算公式如下:

式中:K为抗滑稳定安全系数;Li为第i土条的圆弧长(m);Wi为第i土条的单位重量,Wi=bihiγi(kN);bi为第i土条的宽度(m);hi为第i土条中点的高度(m);γi为第i土条的重度,水位线以下均用浮重度,水位线与浸润线之间,抗滑力矩采用浮重度,滑动力矩采用饱和重度,浸润线以上均用湿重度(kN/m3);αi为第i土条弧线中点切线与水平线的交角(°);Ci、φi为第i土条滑弧面上的抗剪强度指标(kPa、度)。

2 稳定性计算及分析

某管道工程需要穿越瓯江南岸的灵昆海塘,灵昆塘堤防等级为Ⅱ级,工程设计采用盾构掘进方式穿越(见图2)。

图2 工程典型剖面图

盾构直径3.0 m,中心高程为-30.06 m,设计从③4淤泥质土层中穿越,海塘堤顶高程为5.5 m,工程区土层参数见表1。

2.1 地表沉降计算

(1)Peck公式法

瓯江灵昆塘管顶高程-30.06 m,管顶覆土厚度35.86 m,按式(1)～式(4)进行计算,计算过程如1.1所述。其中,Vl取值与地址条件和施工条件密切相关,黏土一般为0.5%～2.5%,无粘性土还未有学者统计,其值应较黏土大,根据其他工程施工经验,本次盾构沉降计算时,考虑扩孔等施工影响,取15%。

由Peck公式推算沉降槽半宽约35 m,计算结果见表2。

(2)数值模拟

运用有限元分析软件ABAQUS构建数学模型,ABAQUS可以在计算中模拟复杂的材料本构关系,求解高度非线性问题,真实模拟土体的受力变形性状。土层采用MOHR-COULOMB模型,模型网格划分如图3所示,共有2 908个单元,3 017个节点。采用平面应变分析,将土层单元定义为四节点平面应变四边形单元(CPE4)。

表1 工程区土层参数特征

表2 沉降计算成果表

计算条件:①地基边界采用截断边界,计算域宽度定为70 m,高度定为50 m。底面土层与基岩存在着剪应力,水平向移动不自由,因此定义为双向约束,左右边界定义为横向约束。②只计结构自重、水土压力。③堤防在施工前先期沉降已完成,自重重力不会引起堤防的位移变形。

数值模拟结果表明:土层沉降对称分布,最大沉降出现在管道中心轴线处。计算得到的地表最大沉降为9.2 mm(表3),位于管道轴线正上方(图4)。

表3 数值模拟计算成果表

沉降计算结果表明,Peck公式法和有限元数值模拟结果基本吻合,两种方法得到最大沉降分别为8.8 mm和9.2 mm。

图3 有限元模型单元网络

图4 模型位移等值云图

2.2 抗滑稳定性计算

对海堤选取两种计算工况:工况一(临水侧),临水侧水位取实际滩地高程,背水侧采用护塘地内侧高水位,计算海塘临水侧稳定系数;工况二(背水侧),临水侧水位采用设计高水位,背水坡采用护塘地高程,计算海塘背水侧稳定系数。

采用理正软件进行抗滑稳定性计算,计算方法如2.2所述。图5给出了盾构穿越前后的计算结果和危险滑弧位置。

计算结果表明,受盾构管道穿越的影响,穿越位置海堤整体抗滑稳定系数略有降低,但满足规范要求的抗滑稳定安全系数,在正常施工条件下,不会造成海堤整体失稳。

图5 盾构穿越前后抗滑稳定计算(危险滑弧)

3 工程控制措施

通过对海堤沉降及抗滑稳定性计算分析可知,受到盾构施工对上覆土体结构性的影响,海堤在管道穿越时会发生不同程度的沉降,堤身整体抗滑稳定安全系数也会有所降低(见表4),盾构施工引起的堤防变形会对沉降影响范围内的堤身土体密实度和防渗性能产生影响,这种不利影响可能在施工完成后若干年内都会有所显现,考虑到这些不利影响,需采取必要的工程防治或加固措施。

表4 盾构穿越前后整体稳定计算成果

结合类似工程实例,考虑对受施工影响范围内的堤段进行化学灌浆、加压密实等加固措施,从而减小海堤沉降。加固后也可以补偿由于施工影响而降低的整体抗滑稳定系数,达到加强海堤的整体稳定性的目的。

图6 瓯江灵昆塘灌浆示意图

沉降计算结果表明,受沉降影响的堤段区域约为管道中心轴线两侧35 m范围。为消除沉降对堤身土体的密实度和防渗性能的不利影响,宜对受影响的区域土体进行灌浆加固。结合类似工程经验,初步设计灌浆孔行距和排距为2 m,灌浆孔底至管道上部(图6),暂定浆液为水泥浆,灌浆施工应根据实际灌浆效果确定是否需要复灌。

4 结 语

(1)盾构穿越海堤沉降计算结果表明,在相同的计算条件下,Peck公式法和有限元数值模拟结果基本吻合,两种方法得到最大沉降分别为8.8 mm和9.2 mm。有限元数值方法可以考虑地层结构,适应复杂边界条件,其计算成果较理论公式法更为全面合理。

(2)抗滑稳定性分析结果表明,受盾构管道穿越的影响,穿越位置海堤整体抗滑稳定系数略有降低,但满足规范要求的抗滑稳定安全系数,在正常施工条件下,不会造成海堤整体失稳。

(3)沉降计算结果表明,受沉降影响的堤段区域约为管道中心轴线两侧35 m范围。为消除沉降对堤身土体的密实度和防渗性能的不利影响,宜对受影响的区域土体进行灌浆加固。

(4)在盾构穿越施工期应对海堤进行安全监测,随时了解海堤在盾构穿越施工期的沉降变形变化和运行状况,以便及时采取应急和加固措施,确保海堤的安全运行。

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