管廊建设工程对于海堤结构的安全稳定影响分析

徐华林，刘星乐，江晨鑫

（台州市水利水电勘测设计院有限公司，浙江 台州 318000）

近年来，城市基础设施建设高速发展，在完善水资源配置体系、加大城市水管网建设过程中，出现了一系列输水管道与海堤相交的问题。管廊工程建设期间，桩基础的施工与荷载会造成海堤周围土体的应力和位移变化，这将会影响海堤的安全运行[1]。因此，研究管廊桩基施工对海堤的安全稳定影响是十分有必要的。

本文根据拟建涉堤管廊工程实例，基于Midas GTS NX 有限元软件构建三维数值模型，分析近距离摩擦桩施工对既有海堤结构的变形影响。同时基于Autobank软件探讨了施工荷载对于海堤的整体稳定影响。通过分析结果提出相应的施工控制措施，以期为今后涉堤管廊建设工程提供参考和积累经验。

1 工程概况

拟建管廊工程线路途经海堤内镇压层，共计长度约2.3km。该段海堤的工程等级为Ⅲ等，设计防潮标准为50 年一遇。堤身结构布置具体如下：堤顶宽度约2.6～3.4m，高程为5.33～6.10m，外海侧设置高50cm 的C25 砼防浪墙。沿海堤挡墙外侧设置镇压平台，陆域侧采用M10 浆砌块石护坡。

管廊工程采用架空形式布置，下部结构为钢筋混凝土基础，使用纯摩擦预制桩，上部结构采用纵梁式钢管架，工程与海堤结构位置的立面关系如图1 所示。桩基位于海堤内镇压层，施工阶段将会引起海堤中土体的受力和变形产生一定变化。为此，须计算分析管廊工程桩基础施工对海堤结构造成的不利影响。

图1 海堤与拟建管廊位置图

2 桩基础施工对海堤的变形影响分析

2.1 计算原理

对于管廊桩基础施工过程中的海堤变形分析，本文采用Midas GTS 软件计算。该软件主要运用领域是岩土隧道领域的结构分析，软件具备众多优点，可以快速直观地进行模型处理及三维建模、智能化生成自动网格、专业化的岩土分析功能，当前在岩土领域越来越多受到欢迎。

变形计算采用非线性弹性分析，即利用模型单元体构成的离散化结构替代海堤本身的连续体结构，以分析海堤整体的结构变形情况。同时进行施工阶段结果累加，施工阶段只输入结构或者荷载的变化，通过有限元软件单元的激活或钝化、荷载加载来模拟完整过程施工[2]。

2.2 计算模型及参数

为真实地模拟桩基础施工对于海堤结构的变形影响，根据实际地层结构与参数、桩基础位置及海堤各部分结构构建三维有限元数值模型，赋予合理的材料参数，划分合适数目的网格。按照实际施工过程，从地层土体自重固结、桩基础加载、到施加管廊荷载的整个过程，进行全过程模拟。本次变形计算中，混凝土及桩采用弹性本构，其他土体材料采用摩尔-库伦本构。模型计算范围为高50m，宽度为35m，垂直管道轴线方向的长度为200m。模型计算材料参数见表1。

表1 材料参数表

2.3 计算结果

桩基础施工造成施工区域土体发生扰动，造成水平侧向卸载和竖向卸载，进而导致海堤结构发生一定程度的水平侧向位移和竖向变形。图2 及图3 分别为海堤X向位移图和Z 向位移图，其中Z-X 平面为海堤的纵断面，X 轴方向为海堤横向断面，Y 轴的方向为管廊铺设方向。由图可知：桩基础施工导致海堤产生最大水平位移为3.1mm，竖直方向最大位移为 2.1 mm，最大总变形值为 5.0 mm，属于安全范围内。综上所述，可认为管廊工程施工会造成邻近海堤结构发生一定程度的水平侧向位移和竖向位移，但整体位移量较小，在正常施工条件下，该工程桩基础施工不会危及邻近海堤的安全运行。

图2 桩基础施工期间海堤X 向位移图

图3 桩基础施工期间Z 向位移图

3 桩基础施工对海堤的整体稳定分析

3.1 计算方法

本工程桩基础采用摩擦桩型式，施工期间会产生一定的挤土效应和振动，对海堤结构整体稳定产生不利影响。挤土效应会增大土中的水平应力，导致超空隙水压力发生急剧变化,破坏土体原有结构。施工振动会对土体造成一定扰动，导致土体抗剪强度降低，不利于结构整体抗滑稳定[3]。本次计算将动态施工过程中的施工荷载进行简化，用静力代替施工荷载，均匀地施加至各土层中，求得施工过程中海堤的整体抗滑稳定安全系数[4]。海堤稳定分析采用Autobank 软件中瑞典圆弧法进行计算。瑞典圆弧法的计算公式如下：

式中：K 为抗滑稳定安全系数；Ti指被滑弧所切割的土工织物的强度；ci、分别为土体的粘结力和摩擦角；bi为土条宽度；αi为土条滑动面中点的切线与水平线的夹角；R 为滑弧半径；Mi为水平向惯性力对圆心的力矩；Qi为作用于土条重心处的水平地震惯性力；Qi’为作用于土条重心处的竖向地震惯性力，在程序中通过试算确定。

3.2 计算工况

结合海堤的现状运行情况，综合考虑结构形式、地质条件、海堤走向等因素，选取三个典型断面进行安全稳定计算。本次计算分为以下三种工况：

现状运行期Ⅰ：外侧为设计高潮位5.31m，内侧护堤河常水位1.6m。

现状运行期Ⅱ：外侧采用地面高程，内侧为护堤河20 年一遇设计洪水位2.65m。

施工期Ⅲ：外侧设计高潮位5.31m，内侧为护堤河常水位1.6m。

3.3 计算成果

由Autobank 软件计算成果（详见表2）可知：现状运行期间，三个典型断面的最小滑动安全系数值为1.62，大于规范要求值1.20；管廊施工期间，三种典型断面的最小滑动安全系数值为1.56，大于规范要求值1.10。即海堤在三种工况下，整体稳定均满足规范要求。管廊施工期间，安全系数比现状运行工况有所降低，即施工期荷载对于海堤的整体稳定不利，造成安全系数值减少[5]。但整体安全系数降低幅度较小，且均满足稳定要求。

表2 典型断面在三种工况下抗滑稳定安全系数

4 结论及建议

结合数值模拟分析结果，管廊施工时，桩加载引起海堤结构的内力和位移变化均处于较低水平，变形影响较小。同时，施工期抗滑安全系数存在降低幅度，对海堤整体稳定存在一定影响，但是在规范要求范围内。为保障海堤结构的整体安全运行，主要建议如下:

（1）加强对施工区域的观测。施工阶段及运行阶段应加强对堤顶位移的监控量测，以及时了解海堤结构的安全状态。

（2）做好施工期间的安全管理。管廊工程施工过程中，应注意施工车辆尤其是重型机械的通行，实施相关处置措施。

（3）完善施工阶段管理。优化施工工期，控制压桩速率，有效释放施工区域内土层应力，减轻施工对于土体的扰动，以减少对海堤结构的不利影响。