人工岛内部基坑开挖过程围堰岛壁稳定性分析

吴达，卢金栋

（中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广州 511458）

1 引言

土石围堰由土石材料填筑形成，可有效防止水和土石颗粒进入场地干扰正常施工[1]。土石围堰既可作为临时性的围护结构，又能成为永久性构筑物，其具体布置和建造过程关系到整个工程的顺利推进[2]。对于以土石围堰作为永久性岛壁结构的人工岛，内部施工会影响围堰的稳定性[3]，可能迟滞工程进度并带来安全风险。因此，土石围堰内部开挖过程中的稳定性分析对人工岛工程意义重大。

本文依托深中通道东人工岛土石围堰工程项目，应用Midas GTS开展内部临近岛壁侧基坑放坡开挖施工数值模拟，分析基坑、堰体变形位移及应力场的变化规律，获取有限元强度折减条件下基坑开挖过程中的堰体安全系数，评估开挖施工对土石围堰稳定性的潜在风险。

2 工程概况

深中通道连接深圳市和中山市，路线起于广深沿江高速机场互通立交，与深圳侧连接线对接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新区马鞍岛上岸，终于横门互通。深中通道全长24 km，是继港珠澳大桥之后又一世界级超大“隧、岛、桥”集群工程。

深中通道东人工岛位于深圳宝安机场南侧，紧邻福永码头，与既有沿江高速和目前在建的广深沿江高速公路二期工程相连。东人工岛包含主线隧道及4条高速公路匝道。东西向施工起讫里程K5+630～K6+560，长930 m，南北向沿沿江高速轴向1 136 m，形成陆域面积3.438×105m2，海域使用面积4.763×105m2；岛上主线隧道施工起讫里程K5+695～K6+550，全长855 m；机场互通匝道隧道为实现深中通道与沿江高速互通、互联设置，匝道总长1 839 m。

3 工程设计方案

3.1 岛壁设计方案

东人工岛包含多种土石围堰岛壁形式。其中，东北侧DK2+350岛壁断面代表了DK2+250～DK2+450范围内的岛壁结构，即采用抛石斜坡式+浆砌块石的结构形式。基槽开挖结束后，通过船舶抛埋堤心石，再依次施工外侧护面、内侧倒滤层和挡浪墙。

3.2 基坑开挖方案

东人工岛隧道包括主线隧道、F匝道、G匝道、H匝道，均采用明挖顺筑法施工。主线隧道基坑宽41.20～59.14 m，基坑深0～18.7 m；匝道基坑宽度11.85～36.71 m，基坑深0～17.58 m。围护结构根据基坑开挖深度不同分为4种形式：钢板桩挡墙、钻孔灌注桩、锁口钢管桩、地下连续墙；支撑形式根据深度不同布置多道钢筋混凝土支撑、钢支撑及换撑，采用搅拌桩、旋喷桩进行基底加固。东人工岛内基坑开挖方案如图1所示。

图1 东人工岛内基坑开挖方案图

从图1看出，东人工岛内部主线DK2+350附近为放坡开挖段。受限于空间距离，需从围堰岛壁附近放坡开挖，由此易引发土石围堰岛壁结构的施工扰动，带来工程的潜在安全风险。因此，有必要对放坡开挖过程中土石围堰岛壁的稳定性开展计算分析与评价。

4 数值模型建立

本文采用Mohr-Coulomb本构模拟放坡开挖条件下基坑与堰体的力学行为及变形特征，对土石围堰边坡稳定性进行分析，根据现场地勘资料拟定数值模拟的材料参数。

选取东人工岛土石围堰DK2+350典型断面，利用Midas GTS开展计算分析。为消除边界效应，计算宽度取约2倍围堰底宽，高度取约2倍围堰埋深。模型底部及两侧施加垂直表面的法向约束。依据设计图和施工方案，按多种材料将断面划分成若干部分，再分别建立有限元网格。

土石围堰岛壁抛填完成后，人工岛内部回填中粗砂，并打设塑料排水板降低地下水位标高至-11 m，右侧保持设计水位标高1.89 m。拟定放坡开挖层数为3层，开挖深度分别为2 m、2 m、4 m。开挖过程不设支护或挡土墙。

5 模拟结果分析

5.1 渗流场结果分析

为分析基坑开挖前内部降水对堰体渗流场的影响，应用Midas GTS获取围堰及临近土层的渗流场分布（见图2）。

图2 开挖前基坑降水渗流速度分布

初始水头环境下，堰体内部待开挖区处于负孔隙水压力状态。由图2发现，左侧水位降到设计标高时，堰体内的渗流主要发生于堰体底部与最下层土层之间，堰体上部区域几乎不发生渗流。围堰内部基坑在未开挖的情况下处于稳态渗流状态，且渗流主要发生在堰体底部，表明未开挖状态下堰体内侧倒滤层和外侧护面可以有效减小堰体内部的渗流作用。

5.2 堰体变形分析

1）堰体水平位移变化分析。由图3可知，随着开挖深度与放坡级数的增加，堰体底部的水平位移峰值区由堰体内侧与原地层交界处不断向放坡开挖形成的坡脚靠拢。在基坑第3层开挖完成时，位移变形集中于左侧基坑边坡与堰体坡脚处，为位移峰值集中区。

图3 基坑第3层开挖后水平位移分布云图

此外，基坑开挖过程中堰体水平负向变形峰值不断增大，正向位移峰值较为稳定。

2）堰体竖向位移变化分析。基坑开挖过程土体处于卸荷状态，往往引起基坑底的土体隆起，这可利用竖向位移分布云图进行分析。

由图4可知，随基坑开挖深度增加，隆起位移分布由靠近坡脚处的变形量较小逐渐转变为大致水平分布，基坑底部隆起位移趋于均匀，但隆起量不断增大。1～3层放坡开挖时基坑隆起峰值分别为5.46 mm、10.8 mm、14.4 mm。不加支挡条件下，基坑开挖深度的增加会加大基坑表面的隆起量。左侧围堰坡脚处同时存在较大的水平位移和竖向隆起位移，故此处易因土体滑移变形产生失稳破坏，需要重点监测，必要时施作挡墙控制其位移的发展。

图4 基坑第3层开挖后竖向位移分布云图

5.3 堰体法向有效应力和稳定性分析

利用Midas GTS边坡SRM法计算堰体应力和安全系数，判断稳定性变化规律。可以发现，基坑开挖过程中内部土体所承受的法向有效应力呈水平层状分布，从上到下应力值逐渐增大；且随开挖深度的增加，其应力值逐渐减小。土体开挖过程中，堰体底部渗流区有效应力与总应力均在不断减小，且保持一恒定差值，对应于初始稳态孔隙水压力。这验证了堰体始终处于稳态渗流环境的结论。

开挖过程中堰体抗滑稳定性安全系数分别为1.80、1.84、1.83、1.65。结合位移分布可知，第1层放坡时，左侧堰坡位移有增加但较为分散，滑移趋势小。初期开挖土体卸荷减小了土压力使得堰体稳定性有少许增加。第2层、第3层开挖后，左侧堰坡坡角处存在较大水平和竖向变形，堰坡滑移趋势加强，稳定性随之变差。开挖结束后堰体安全系数有较大降低，但仍大于SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》规定的坝坡抗滑稳定最小安全系数1.5，表明放坡开挖过程中堰体稳定性满足要求。

6 结论

综上所述，本文得出以下几点结论：

1）随着人工岛内基坑放坡高度增加，土石围堰堰体底部土体水平变形区不断向左侧坡脚靠拢且变形量持续增大，基坑底的隆起量也随之增加；隆起位移分布由从左到右递减的模式逐渐转化为大致水平分布，右侧阶梯坡脚下方土体水平变形区促进了堰坡处土体的竖向隆起。

2）基坑底法向应力呈水平层状分布，基底应力值随基坑开挖深度的增加而增加，随开挖深度的增加的而减小。土体有效应力与总应力的绝对值在基坑开挖过程中均不断减小。

3）基坑开挖过程中的堰坡安全系数于开挖第3层时最小（为1.65），此时左侧堰体阶梯坡抗滑稳定性最差，放坡开挖高度达到最大且坡角处的水平和竖向位移变化显著，位移值同时达到最大。