沉管隧道水下基槽邊坡穩定性與合理坡率研究

張建新，徐 軍

(天津城建大學 a. 土木工程學院；b. 天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384)

沉管隧道水下基槽邊坡穩定性與合理坡率研究

張建新a,b，徐 軍a

(天津城建大學 a. 土木工程學院；b. 天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384)

以天津海河沉管隧道為背景，采用有限元模擬并結合現場監測資料，研究沉管隧道水下基槽邊坡的穩定性與合理坡率．結果表明：基于基槽邊坡的安全系數、開挖和回填土方量、基槽回淤量等因素，基槽邊坡坡率上部采用1∶8，下部采用1∶4，中間設置2,m寬坡間平臺；在河道上下游基槽浚挖附近設置兩條回淤槽，盡量縮短基槽開挖和管段沉放時間間隔，減少回淤對基槽穩定性的影響；開挖擾動不利于邊坡的穩定，在施工中應采用分區、分層的方式開挖．

沉管隧道；邊坡穩定；合理坡率

近年來，隨著修建水下隧道的一些關鍵技術不斷被突破，水下隧道已逐漸成為工程界普遍認同的跨越江河湖海的首選．而沉管隧道因具有斷面利用率高、工期短、防水性能優越、節約工程造價等優點逐漸被越來越多的工程所采用．沉管隧道基槽的開挖屬于水下施工，只有采用合理坡率和坡面形狀才能保證基槽開挖的穩定性．若采用較緩坡率，基槽開挖和回填的土方量大，工程造價高；若采用較陡坡率，可能造成基槽邊坡坍塌，如果發生在沉放過程中，會給整個工程造成巨大的經濟損失．因此，基槽邊坡穩定性和合理坡率的確定是基槽開挖中必須重視的問題之一[1-3]．

目前，有關邊坡穩定計算的文獻大多是針對水上邊坡，水下邊坡的研究相對較少，且沒有水下邊坡的設計規范．水下邊坡的穩定性既要考慮邊坡自身的穩定性，又要考慮水、回淤等對邊坡穩定性的影響．本文基于實際沉管前進行的基槽試開挖試驗，利用ABAQUS有限元軟件，研究了基槽多種坡率和考慮開挖擾動狀態下的邊坡穩定性問題，并提出了基槽邊坡的合理坡率．

1 工程概況

海河隧道工程是天津市濱海新區中央大道穿越海河的一個重要節點工程，是溝通濱海新區中心商業區和海河南北兩岸的重要通道．工程全長4.3,km，其中穿越海河段的255,m采用沉管法施工，沉管斷面為36.6,m×9.65,m．基槽開挖區土質有淤泥、黏土、粉質黏土等多種地層，淤泥層最厚處達12.9,m，地質條件復雜．考慮現場實際地質情況和對浚挖技術的研究，在隧道沉管前進行了試驗槽段浚挖，浚挖采用絞吸船，試驗槽深為8,m，截面尺寸為20,m×40,m，邊坡按1∶4設置，平臺寬2,m，同時進行回淤量監測．基槽開挖區各土層物理力學參數見表1．

表1 各土層物理力學指標

2 分析模型的建立

在沉管隧道施工時，海河為封閉水域，水流較?。鶕鴥韧鈱W者對水下邊坡穩定性的研究，在分析中，多簡化為在靜水場中水下邊坡的穩定性研究[4]．靜水場中水下基槽邊坡穩定性分析一般有兩種方法[5-6]：一種是采用土體有效重度和土體在水中的力學指標，按普通地面邊坡進行計算；另一種是將靜水壓力作為荷載作用于邊坡邊界上，然后采用水下土體物理力學指標，按普通地面邊坡進行計算．筆者采用第一種方法進行分析．

對國內已建的多座沉管隧道分析比較得知，沉管隧道基槽坡率因其所處土層的地質條件、水流流速等條件不同，坡率有較大差異[7]；對于土質為淤泥或淤泥質黏土的水下基槽，其基槽下部邊坡坡率一般為1∶1～1∶4，但上層基槽邊坡坡率多采用1∶5，甚至1∶7．表2為國內部分沉管隧道基槽邊坡坡率．

表2 部分國內沉管隧道基槽邊坡坡率

由沉管隧道基槽浚挖專項方案可知，最終沉管隧道實際開挖時基槽邊坡坡率調整為下部1∶4，上部1∶8，中間設置2,m寬坡間平臺，本文主要針對此種坡率的邊坡進行分析．

為進一步分析水下基槽邊坡穩定性及確定合理坡比，選擇1∶3、1∶4、1∶4.5、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8這7種坡率的試驗槽進行對比．根據開挖區土層性質、厚度等參數，試驗槽邊坡簡化模型見圖1．采用ABAQUS有限元軟件，利用強度折減法進行沉管隧道水下基槽邊坡穩定性與合理坡率研究[8-9]．

圖1 1∶4基槽邊坡模型

3 基槽開挖合理坡率分析

3.1 基于安全系數的合理坡率分析

圖2為開挖結束后，坡率為1∶4的基槽邊坡應力、滑動面和塑性區貫通情況的計算結果云圖．其它6種坡率的計算結果云圖限于篇幅并未列出．由圖2c塑性區的發展趨勢可以看出，邊坡發生破壞時，塑性區從坡腳向坡頂方向延伸，意味著邊坡的破壞從坡腳開始．因此在水下基槽開挖時要特別注意坡腳的穩定性．

圖2 坡率為1∶4基槽邊坡計算結果云圖

依據有限元法結果，參考已建工程實例，海河沉管隧道基槽邊坡坡率應根據地層類別設計不同的邊坡坡率．圖3為不同坡率下基槽邊坡的安全系數隨坡率的變化曲線．由圖3可以看出：隨著邊坡坡率的增大，其安全系數逐漸增大，說明邊坡的穩定性也隨之提高．海河沉管隧道基槽邊坡根據GB50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》[10]安全等級劃分為一級，且屬于臨時邊坡，其穩定安全系數≥1.25．根據天津港積累的經驗，目前天津港碼頭邊坡的坡率一般均取1∶3．跨海河隧道邊坡為水下邊坡，軟黏土厚度較小，考慮到河中某些不確定因素，并結合文獻[10]，下部邊坡采用1∶4的坡率．經計算分析此坡率的邊坡是穩定的．

圖3 安全系數隨坡率的變化曲線

3.2 基于基槽回淤的合理坡率分析

海河沉管隧道工程一標段起點位于天津京海儲運中心西貨場，修筑起點樁號為K28＋492；修筑終點為海河南津濱大道立交，工程樁號為K29＋798.512，主線全長1,306.512,m．為得到基槽開挖后的回淤情況，本工程選取5個斷面進行了水下檢測，表3為各斷面工程樁號．

表3 各斷面工程樁號

圖4為基槽浚挖過程回淤檢測報告得出的各斷面回淤情況．從圖4可以看出：基槽回淤量比較大，在1-1斷面回淤厚度甚至達到了2.01,m．海河沉管隧道基槽浚挖土方量約為49萬m3，開挖深度為現狀河床底以下約13,m．沉管前，試開挖發現海河河床多年未進行清淤工作，淤泥層厚，回淤量大，加上水下作業可視差，風險性高，施工難度大，考慮工程安全性、開挖和回填土方量，上部坡率采用1∶8，并在邊坡中部設置2,m寬平臺．

圖4 各斷面回淤曲線

在水下基槽施工過程中，考慮施工安全性及減少泥沙回淤對基槽底部的影響，應該適當放緩表層淤泥層范圍內基槽邊坡，在河道上下游基槽浚挖附近設置兩條回淤槽，同時還可在邊坡中部設置平臺；精心組織基槽開挖和管段沉放等工序的施工，基槽開挖和管段沉放間隔的時間越短越好，盡量減少臨近施工過程的影響，在基槽開挖至底部標高后，及時進行清淤驗收，并按時進行后續工序的施工，以防止時間過長造成淤泥的沉積．

綜合考慮基槽回淤量、邊坡安全系數、開挖和回填土方量等因素，并結合部分國內沉管隧道基槽邊坡坡率選取的經驗，基槽下部坡率選用1∶4，上部坡率選用1∶8是經濟、合理的．

4 基槽邊坡安全系數對內摩擦角的敏感性分析

針對下部坡率為1∶4、上部坡率為1∶8基槽邊坡進行相應分析．考慮在開挖擾動下土體強度會有一定的衰減，因此采用原始的土參數進行計算分析并不合理．為了施工安全，有必要考慮施工擾動的影響，現采用對土參數進行適當折減的方法模擬土體擾動．有學者研究認為，開挖擾動對土體的φ值有影響，而c值幾乎不變[11]．內摩擦角是土粒間相對運動時摩擦作用的綜合反映．開挖擾動使土體結構發生變化，導致土顆粒的位置發生變化及土顆粒之間的膠結物發生錯動，從而使內摩擦角降低．表4為前四層土的分析結果．

表4 安全系數對內摩擦角的敏感性分析

表5為考慮和不考慮開挖擾動工況下的基槽邊坡安全系數．從表4和表5可以看出：由于開挖擾動的影響，邊坡的安全系數由1.516降至1.341，降幅達到12%，所以開挖擾動對邊坡安全性的影響不可忽略；隨著擾動深度的加大，邊坡安全系數下降趨勢增大，對開挖邊坡的穩定不利．但在考慮開挖擾動對土體的影響后，邊坡穩定分析得到的結果仍能滿足穩定性要求．

表5 不同工況的邊坡安全系數

為保證基槽邊坡開挖能夠滿足邊坡設計需要，施工工藝采用分區、分層的方式．在基槽開挖前，應建立控制網，通過測量放線來確定基槽開挖范圍；基槽邊坡施工采用階梯開挖法，在第一區浚挖后及時測量，根據測量結果，調整工藝參數，優化施工方案；基槽開挖過程中，做好監控，定期測量基槽的深度、寬度和邊坡坡率；密切關注基槽內是否出現滑動、塌方或回淤等情況，如果出現應及時采取相應措施．

5 結 論

(1)在沉管隧道基槽浚挖中，邊坡的穩定性隨著坡率的增大而顯著提高．確定基槽坡率時，應結合邊坡的安全系數、工期和造價、以往工程經驗、地層條件、基槽回淤量等因素來綜合考慮．本工程在基槽邊坡中設置坡間平臺，對上下邊坡分別采用1∶8和1∶4的坡率是經濟、合理的．

(2)基槽回淤對邊坡的影響較大．在水下基槽施工中，通過采取適當放緩表層淤泥層范圍內的基槽邊坡、在河道上下游設置回淤槽、設置坡間平臺、盡量縮短基槽開挖和管段沉放的時間間隔等措施來減少回淤．

(3)開挖擾動不利于邊坡的穩定．在施工中應采取分區、分層的方式開挖，并嚴密監控，不斷優化施工方案．

［1］ 肖明清. 長江沉管隧道水下基槽邊坡的穩定性與合理坡率[J]. 現代隧道技術，2001，38(1)：42-46.

［2］ 王 勇，喬春生，孫彩紅. 外海深埋沉管隧道基槽水下邊坡設計與穩定性分析[J]. 北京交通大學學報，2013，37(1)：57-61.

［3］ 周順華，劉建國，王炳龍. 水下邊坡穩定性的離心模擬試驗研究[J]. 鐵道學報，2001，23(1)：76-79.

［4］ 周順華，劉建國，李堯臣. 水下邊坡穩定性分析[J]. 西南交通大學學報，2002，37(2)：180-185.

［5］ 林 楓，陶履彬，朱合華. 水下邊坡穩定性分析研究[J]. 巖石力學與工程學報，2003，22(增1)：2,149-2 153.

［6］ 沈明榮，鄧海榮. 水下巖質邊坡在波浪作用下的穩定性分析[J]. 工程地質學報，2006，14(5)：609-615.

［7］ 方 華. 沉管隧道基槽邊坡穩定性研究[D]. 北京：北京交通大學，2010.

［8］ 張曉詠，戴自航. 應用ABAQUS程序進行滲流作用下邊坡穩定分析[J]. 巖石力學與工程學報，2010，29 (增1)：2 928-2 934.

［9］ 李春忠，陳國興，樊有維. 基于ABAQUS 的強度折減有限元法邊坡穩定性分析[J]. 防災減災工程學報，2006，26(2)：207-212.

［10］ GB50330—2013，建筑邊坡工程技術規范[S].

［11］ 李兆平，張 彌，王連俊. 考慮開挖擾動和基質吸力影響的基坑邊坡安全性研究[J]. 中國安全科學學報，2000，20(15)：13-17.

Research on Stability and Suitable Slope Ratio of Sub-water Trench in Immersed Tunnel

ZHANG Jian-xina,b，XU Juna
(a. School of Civil Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

Based on Tianjin Haihe immersed tube tunnel project,this paper uses finite element simulation analysis and the site monitoring data to study the stability and suitable slope ratio of sub-water trench in immersed tunnel. The study result shows that the upper part of the slope foundation trench with 1∶8 slope rate,the lower 1∶4,a two meters wide slope platform is set up in the middle,based on safety factor of sub-water trench slope,excavation and backfilling earth volume,trench back-silting and other factors. It is necessary to set up two back silting tanks near the upstream and downstream of river channel dredging,shortening the foundation trench excavation and pipe sinking intervals,reducing the impact on the stability of foundation trench. Excavation disturbance is not conducive to the stability of slope; therefore,we should adopt the way of partitioning and stratified excavation in the construction.

immersed tunnel；slope stability；reasonable slope ratio

U455.46

A

2095-719X(2015)02-0089-04

2014-09-28；

2014-11-18

張建新（1965—），男，河北保定人，天津城建大學教授，博士.