土体扰动变形对河道护岸的影响研究

龚瑜

（上海市建工设计研究院有限公司，上海市 200235）

土体扰动变形对河道护岸的影响研究

龚瑜

（上海市建工设计研究院有限公司，上海市 200235）

据城市发展的需要，市政交通设施包括隧道或管道穿越及沿河的情况成为了河道护岸加固改造的一个重要因素。隧道及管道施工时将引起土体扰动变形，对周边河道护岸结构产生影响。在周边环境复杂的地区这种影响可以通过采取一定的土体加固措施后减少对护岸的影响。通过实例的数值模拟的方式预测了盾构施工期对河道护岸的影响，并分析土体加固后的效果，为今后类似的工程提供参考。

土体扰动变形；数值分析；影响；对策

0 引言

河道护岸在长期使用过程中受到损坏、对河道设计标准的提高及排水方式改变等因素会引起河道护岸不同程度的改造，以满足各种功能的需求。同时由于城市发展的需要，各种型式的市政交通设施不可避免的与河道发生关系，隧道或管道穿越及沿河管线敷设等情况也成为了河道护岸加固改造的另一个重要因素。

隧道及管道施工时会由于施工引起的地层损失、地层原始应力的变化、扰动土体的固结与土体的蠕变或自身工艺等原因引起土体扰动变形，对周边一定范围内的河道护岸结构产生不同程度的影响。土体扰动对河道护岸影响的程度以及采取加固措施后减少对护岸影响的效果的研究显得尤为重要。

城市中心城区水系发达，河道两侧往往存在大量的建构筑物、城市主、次干道、地下管线、市政设施等致使河道周边环境复杂，加固河道护岸方案应尽量选取对周边环境影响较小的方案实施。

1 护岸的类型

护岸工程按形式可分为坡式护岸、坝式护岸、墙式护岸、生态护岸以及其他形式护岸。

（1）坡式护岸将建筑材料或构件直接铺护在堤防或滩岸临水坡面，形成连续的覆盖层，防止水流、风浪的侵蚀、冲刷。这种防护形式顺水流方向布置，断面临水面坡度缓于1∶1.0，对水流的影响较小，也不影响航运。在河势比较稳定，在水深流急处、险要堤段、重要城市、港埠码头广泛采用坡式护岸。湖堤防护也常采用坡式护岸。

（2）坝式护岸依托堤防、滩岸修建丁坝、矶头、顺坝以及勾头T形坝、拐头形坝，起到导引水流离岸，防止水流、风浪直接侵蚀、冲刷堤岸。江面宽阔的河口段也常用丁坝、顺坝保滩促淤、保护堤防安全。

（3）墙式护岸靠自重稳定，要求地基满足一定的承载能力。可顺岸设置，具有断面小，占地少的优点，常用于河道断面窄，临河侧无滩、又受水流淘刷严重的堤段，海堤防护多采用坡式、墙式以及这两者复式组合形式。

（4）生态护岸，主要利用植物或者植物与土工织物相结合，对河道坡面进行防护。生态护岸集防洪效应、生态效应、景观效应和自净效应于一体，使河水与土壤相互渗透，系修复自然河道防护功能的有效对策。

（5）其他护岸形式如桩式护岸，通常采用木桩、钢桩、预制钢筋混凝上桩和以板桩为材料构成板桩式、桩基承台式以及桩石式护岸。常在软弱地基上修建防洪墙、港口、码头、重要护岸时采用[1]。

除了生态式的柔性护岸以外，其他具有结构的硬质护岸对结构位移均有一定的要求，由于外部边界条件的改变，硬质护岸结构的稳定性变化较为敏感。

2 土体扰动变形的原因

非开挖式隧道及管道的施工对河道护岸基础附近产生土体扰动，其施工工艺基本以盾构及顶管为主。

2.1 盾构施工

盾构掘进引起的土体变形主要成因为：掘进引起的地层损失、地层原始应力的变化、扰动土体的固结与土体的蠕变、衬砌结构的变化等。

（1）掘进引起的地层损失：开挖面土体移动、土体挤入盾尾空隙、改变推进方向、盾壳移动对地层的摩擦和剪切、隧道衬砌产生的变形及衬砌沉降等。

（2）地层原始应力的变化：盾构法施工引起原状土挤压、剪切、扭曲，导致土体初始应力的改变，产生应力重新分布。

（3）土体固结与蠕变：盾构掘进时形成的超空隙水压力区发生排水固结后引起地层位移以及土体蠕变过程中的次固结沉降。

（4）衬砌结构的变化：衬砌结构变形所引起的地层位移占地层总位移的比例较小[2]。

2.2 顶管施工

顶管施工过程中以下几个方面将引起土体扰动变形：

（1）掘进机和管道与周围土体摩擦带动土体移动；

（2）土体开挖卸载产生的塑性区，掘进机外径与管道外径的环形空隙，尽管采用了注浆填充措施，但仍不可避免会产生土体损失，引起地面沉降；

（3）钻进纠偏：纠偏引起土体损失，增加对周围土体的扰动；

（4）钻进速度：当管道钻进速度过快将会增大对土体的扰动；

（5）管道埋深：管道埋设越深对地表沉降的影响越小[3]。

3 土体加固方法

由于中心城区河道周边环境一般比较复杂，河道护岸加固应尽量选取对周边环境影响较小的方案实施，对于现状护岸满足规范要求，为了减少土体扰动对河道护岸的影响，可通过土体加固减少土体扰动对河道护岸的影响，增加护岸的稳定性，减少结构变形，同时护岸结构改造中作为辅助手段起到抗渗或增加桩基承载力的作用。结构土体加固具有施工时间短，不进行开挖施工对周边环境影响小等优点。适用于外部边界条件变化不大，周边环境复杂的情况。

不同的工程地质及环境条件下，在选择土体加固方法时要因地制宜，每种方法均有一定的适用范围。常用的有深层搅拌桩法、降水法、冻结法和注浆法等。

（1）搅拌桩法是软土地基加固和深基坑围护中的常用方法，是一种施工机具简单、操作方便、造价低的隧道洞口加固方法，尤其在施工场地较小的地方采用更为合适。

（2）注浆法是将水泥浆液或化学浆液注入地层进行加固的方法，对含水丰富的砂土层较为有效。

（3）降水法也是一种比较有效的、经常采用的加固方法，比较适用于含水丰富的流沙质土体。采用降水法一般为地面向下打井法，故其使用范围和地区受到一定限制，降水对地面沉降影响较大。故在地面路桥密集的地方不宜采用。

（4）冻结法是煤炭矿井通过第四纪松散表土地层时常用的一种特殊施工技术，近十几年来已逐步引进到城市地铁、路桥基坑等市政工程中。用冻结法加固盾构进出润洞口时，一般采用垂直冻结法。即在后构进出润口上部的土体内布置一定数量的冻结孔。经冻结后在洞门处形成板坡状冻土帷幕来抵御盾构进出洞破壁时的水土压力，防止土层塌落和泥水涌入工作井内。

对于河道土体加固一般考虑采用搅拌桩法及注浆法，机械设备较小、施工方便、对周边影响较小，更适用于对护岸基础周边的土体加固，可采用河道护岸墙前及墙后加固两种方式，但在区域周边环境复杂，护岸墙后建构筑物较多或者墙后为道路无法进行施工的区域，采用护岸墙前即河中土体加固是比较合理的选择。

4 数值模拟及结果分析

以盾构法在沿河施工对河道护岸的影响为例，土体加固方案采用高压旋喷桩的施工方案，预测盾构施工期对河道护岸的影响以及土体加固后的效果分析。

4.1 有限元分析模型

目前常用的分析方法是数值计算法，其中以有限元单元法为主。

建立二维有限元模型，进行弹塑性有限元计算，预测盾构施工引起护岸的变形并同时分析加固方案的效果。

有限元模型的建立如下：

（1）土体本构模型与参数

土体采用Hardening-soil模型，该模型在岩土工程中应用较多。计算中土层分布按照地质报告选取。

（2）荷载和地下水位

计算中考虑地面荷载为：取5 kN/m2；

地下水位取地面以下1.0 m。

（3）接触面单元

采用弹塑性无厚度Goodman接触面单元模拟地下结构与土体和加固体之间相互作用。

（4）网格剖分

计算区域为：深度取距离管道足够深度，为地面以下约80 m，模型宽度考虑管道穿越范围以外两侧各80 m。水平向为X向，竖直向为Y向，且对X边界施加X向位移约束，Y边界施加Y向约束。采用等三角形六节点平面单元模拟土体。

（5）模型影响因素

主要影响模拟结果的因素为盾构穿越的位置，包括盾构的直径、深度、与河道护岸的水平距离等，各影响因素综合影响模拟结果，但对于同一工程，盾构的直径为定值，根据以往经验与河道相互影响的区域内盾构深度变化也有限，因此本文主要以盾构与河道护岸的水平距离为主要影响因素进行分析。

4.2 数值模拟结果与分析

4.2.1 模拟设计工况

模拟设计工况见表1。

表1 数值模拟设计工况表

4.2.2 计算结果

图1、图2显示盾构穿越后防汛墙的变形趋势图，从图中可以看出，盾构正上方沉降最大，然后向两侧逐渐减小。同时根据图3、图4的计算结果表明，随着土体损失率增加，河道护岸的水平与垂直变形逐渐变大，基本上呈线性变化；盾构外边线与河道护岸的水平距离越近，河道护岸的变形越大，在一定距离范围内变化呈现陡增趋势。

图1 垂直位移（单位：mm）

图2 水平位移（单位：mm）

图3 不同土体损失率河道护岸水平变形图

图4 不同土体损失率河道护岸垂直变形图

4.3 土体加固方案及效果分析

根据第4.2节计算分析结论，距离盾构越近河道护岸变形越大，因此加固方案仅计算盾构外侧距河道护岸外边线最近处的工况即可，见图5、图6及表2。

图5 加固后护岸的水平位移（单位：mm）

表2 不同土体损失率对应防汛墙变形统计表

根据相关设计技术规定，河道护岸变形应控制在10 mm以内。根据计算结果可知在进行了土体加固后在土体损失率不大于0.30%时河道护岸位移满足了相关规范的要求。土体加固很好的减轻了盾构施工对河道护岸的影响。但同时应注意在盾构等工程施工的过程控制好土体损失率，才可以达到土体加固措施的预期效果。

5 结语

根据城市发展的需要，市政交通设施包括隧道或管道穿越及沿河的情况成为了河道护岸加固改造的一个重要因素。隧道及管道施工时会由于施工引起的土体扰动变形，对周边一定范围内的河道护岸结构产生不同程度的影响。在周边环境复杂的地区这种影响可以通过采取一定的土体加固措施后减少对护岸的影响。本文通过实例的数值模拟的方式预测了盾构施工期对河道护岸的影响，并分析土体加固后的效果，为类似的工程提供参考。

[1]中国水利百科全书编委会.中国水利百科全书[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[2]党世伟.盾构掘进地层变形原因分析与施工控制[J].建筑技术, 2007(7):549-550.

[3]魏纲,徐日庆,屠玮,等.顶管施工引起的土体扰动理论分析及试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004(3):476-482.

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2017-05-04

龚瑜（1971-），男，江苏张家港人，高级工程师，从事水工、结构设计咨询工作。