沉管隧道水下基槽边坡稳定性与合理坡率研究

张建新，徐 军

(天津城建大学 a. 土木工程学院；b. 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

沉管隧道水下基槽边坡稳定性与合理坡率研究

张建新a,b，徐 军a

(天津城建大学 a. 土木工程学院；b. 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

以天津海河沉管隧道为背景，采用有限元模拟并结合现场监测资料，研究沉管隧道水下基槽边坡的稳定性与合理坡率．结果表明：基于基槽边坡的安全系数、开挖和回填土方量、基槽回淤量等因素，基槽边坡坡率上部采用1∶8，下部采用1∶4，中间设置2,m宽坡间平台；在河道上下游基槽浚挖附近设置两条回淤槽，尽量缩短基槽开挖和管段沉放时间间隔，减少回淤对基槽稳定性的影响；开挖扰动不利于边坡的稳定，在施工中应采用分区、分层的方式开挖．

沉管隧道；边坡稳定；合理坡率

近年来，随着修建水下隧道的一些关键技术不断被突破，水下隧道已逐渐成为工程界普遍认同的跨越江河湖海的首选．而沉管隧道因具有断面利用率高、工期短、防水性能优越、节约工程造价等优点逐渐被越来越多的工程所采用．沉管隧道基槽的开挖属于水下施工，只有采用合理坡率和坡面形状才能保证基槽开挖的稳定性．若采用较缓坡率，基槽开挖和回填的土方量大，工程造价高；若采用较陡坡率，可能造成基槽边坡坍塌，如果发生在沉放过程中，会给整个工程造成巨大的经济损失．因此，基槽边坡稳定性和合理坡率的确定是基槽开挖中必须重视的问题之一[1-3]．

目前，有关边坡稳定计算的文献大多是针对水上边坡，水下边坡的研究相对较少，且没有水下边坡的设计规范．水下边坡的稳定性既要考虑边坡自身的稳定性，又要考虑水、回淤等对边坡稳定性的影响．本文基于实际沉管前进行的基槽试开挖试验，利用ABAQUS有限元软件，研究了基槽多种坡率和考虑开挖扰动状态下的边坡稳定性问题，并提出了基槽边坡的合理坡率．

1 工程概况

海河隧道工程是天津市滨海新区中央大道穿越海河的一个重要节点工程，是沟通滨海新区中心商业区和海河南北两岸的重要通道．工程全长4.3,km，其中穿越海河段的255,m采用沉管法施工，沉管断面为36.6,m×9.65,m．基槽开挖区土质有淤泥、黏土、粉质黏土等多种地层，淤泥层最厚处达12.9,m，地质条件复杂．考虑现场实际地质情况和对浚挖技术的研究，在隧道沉管前进行了试验槽段浚挖，浚挖采用绞吸船，试验槽深为8,m，截面尺寸为20,m×40,m，边坡按1∶4设置，平台宽2,m，同时进行回淤量监测．基槽开挖区各土层物理力学参数见表1．

表1 各土层物理力学指标

2 分析模型的建立

在沉管隧道施工时，海河为封闭水域，水流较小．根据国内外学者对水下边坡稳定性的研究，在分析中，多简化为在静水场中水下边坡的稳定性研究[4]．静水场中水下基槽边坡稳定性分析一般有两种方法[5-6]：一种是采用土体有效重度和土体在水中的力学指标，按普通地面边坡进行计算；另一种是将静水压力作为荷载作用于边坡边界上，然后采用水下土体物理力学指标，按普通地面边坡进行计算．笔者采用第一种方法进行分析．

对国内已建的多座沉管隧道分析比较得知，沉管隧道基槽坡率因其所处土层的地质条件、水流流速等条件不同，坡率有较大差异[7]；对于土质为淤泥或淤泥质黏土的水下基槽，其基槽下部边坡坡率一般为1∶1～1∶4，但上层基槽边坡坡率多采用1∶5，甚至1∶7．表2为国内部分沉管隧道基槽边坡坡率．

表2 部分国内沉管隧道基槽边坡坡率

由沉管隧道基槽浚挖专项方案可知，最终沉管隧道实际开挖时基槽边坡坡率调整为下部1∶4，上部1∶8，中间设置2,m宽坡间平台，本文主要针对此种坡率的边坡进行分析．

为进一步分析水下基槽边坡稳定性及确定合理坡比，选择1∶3、1∶4、1∶4.5、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8这7种坡率的试验槽进行对比．根据开挖区土层性质、厚度等参数，试验槽边坡简化模型见图1．采用ABAQUS有限元软件，利用强度折减法进行沉管隧道水下基槽边坡稳定性与合理坡率研究[8-9]．

图1 1∶4基槽边坡模型

3 基槽开挖合理坡率分析

3.1 基于安全系数的合理坡率分析

图2为开挖结束后，坡率为1∶4的基槽边坡应力、滑动面和塑性区贯通情况的计算结果云图．其它6种坡率的计算结果云图限于篇幅并未列出．由图2c塑性区的发展趋势可以看出，边坡发生破坏时，塑性区从坡脚向坡顶方向延伸，意味着边坡的破坏从坡脚开始．因此在水下基槽开挖时要特别注意坡脚的稳定性．

图2 坡率为1∶4基槽边坡计算结果云图

依据有限元法结果，参考已建工程实例，海河沉管隧道基槽边坡坡率应根据地层类别设计不同的边坡坡率．图3为不同坡率下基槽边坡的安全系数随坡率的变化曲线．由图3可以看出：随着边坡坡率的增大，其安全系数逐渐增大，说明边坡的稳定性也随之提高．海河沉管隧道基槽边坡根据GB50330—2013《建筑边坡工程技术规范》[10]安全等级划分为一级，且属于临时边坡，其稳定安全系数≥1.25．根据天津港积累的经验，目前天津港码头边坡的坡率一般均取1∶3．跨海河隧道边坡为水下边坡，软黏土厚度较小，考虑到河中某些不确定因素，并结合文献[10]，下部边坡采用1∶4的坡率．经计算分析此坡率的边坡是稳定的．

图3 安全系数随坡率的变化曲线

3.2 基于基槽回淤的合理坡率分析

海河沉管隧道工程一标段起点位于天津京海储运中心西货场，修筑起点桩号为K28＋492；修筑终点为海河南津滨大道立交，工程桩号为K29＋798.512，主线全长1,306.512,m．为得到基槽开挖后的回淤情况，本工程选取5个断面进行了水下检测，表3为各断面工程桩号．

表3 各断面工程桩号

图4为基槽浚挖过程回淤检测报告得出的各断面回淤情况．从图4可以看出：基槽回淤量比较大，在1-1断面回淤厚度甚至达到了2.01,m．海河沉管隧道基槽浚挖土方量约为49万m3，开挖深度为现状河床底以下约13,m．沉管前，试开挖发现海河河床多年未进行清淤工作，淤泥层厚，回淤量大，加上水下作业可视差，风险性高，施工难度大，考虑工程安全性、开挖和回填土方量，上部坡率采用1∶8，并在边坡中部设置2,m宽平台．

图4 各断面回淤曲线

在水下基槽施工过程中，考虑施工安全性及减少泥沙回淤对基槽底部的影响，应该适当放缓表层淤泥层范围内基槽边坡，在河道上下游基槽浚挖附近设置两条回淤槽，同时还可在边坡中部设置平台；精心组织基槽开挖和管段沉放等工序的施工，基槽开挖和管段沉放间隔的时间越短越好，尽量减少临近施工过程的影响，在基槽开挖至底部标高后，及时进行清淤验收，并按时进行后续工序的施工，以防止时间过长造成淤泥的沉积．

综合考虑基槽回淤量、边坡安全系数、开挖和回填土方量等因素，并结合部分国内沉管隧道基槽边坡坡率选取的经验，基槽下部坡率选用1∶4，上部坡率选用1∶8是经济、合理的．

4 基槽边坡安全系数对内摩擦角的敏感性分析

针对下部坡率为1∶4、上部坡率为1∶8基槽边坡进行相应分析．考虑在开挖扰动下土体强度会有一定的衰减，因此采用原始的土参数进行计算分析并不合理．为了施工安全，有必要考虑施工扰动的影响，现采用对土参数进行适当折减的方法模拟土体扰动．有学者研究认为，开挖扰动对土体的φ值有影响，而c值几乎不变[11]．内摩擦角是土粒间相对运动时摩擦作用的综合反映．开挖扰动使土体结构发生变化，导致土颗粒的位置发生变化及土颗粒之间的胶结物发生错动，从而使内摩擦角降低．表4为前四层土的分析结果．

表4 安全系数对内摩擦角的敏感性分析

表5为考虑和不考虑开挖扰动工况下的基槽边坡安全系数．从表4和表5可以看出：由于开挖扰动的影响，边坡的安全系数由1.516降至1.341，降幅达到12%，所以开挖扰动对边坡安全性的影响不可忽略；随着扰动深度的加大，边坡安全系数下降趋势增大，对开挖边坡的稳定不利．但在考虑开挖扰动对土体的影响后，边坡稳定分析得到的结果仍能满足稳定性要求．

表5 不同工况的边坡安全系数

为保证基槽边坡开挖能够满足边坡设计需要，施工工艺采用分区、分层的方式．在基槽开挖前，应建立控制网，通过测量放线来确定基槽开挖范围；基槽边坡施工采用阶梯开挖法，在第一区浚挖后及时测量，根据测量结果，调整工艺参数，优化施工方案；基槽开挖过程中，做好监控，定期测量基槽的深度、宽度和边坡坡率；密切关注基槽内是否出现滑动、塌方或回淤等情况，如果出现应及时采取相应措施．

5 结 论

(1)在沉管隧道基槽浚挖中，边坡的稳定性随着坡率的增大而显著提高．确定基槽坡率时，应结合边坡的安全系数、工期和造价、以往工程经验、地层条件、基槽回淤量等因素来综合考虑．本工程在基槽边坡中设置坡间平台，对上下边坡分别采用1∶8和1∶4的坡率是经济、合理的．

(2)基槽回淤对边坡的影响较大．在水下基槽施工中，通过采取适当放缓表层淤泥层范围内的基槽边坡、在河道上下游设置回淤槽、设置坡间平台、尽量缩短基槽开挖和管段沉放的时间间隔等措施来减少回淤．

(3)开挖扰动不利于边坡的稳定．在施工中应采取分区、分层的方式开挖，并严密监控，不断优化施工方案．

［1］ 肖明清. 长江沉管隧道水下基槽边坡的稳定性与合理坡率[J]. 现代隧道技术，2001，38(1)：42-46.

［2］ 王 勇，乔春生，孙彩红. 外海深埋沉管隧道基槽水下边坡设计与稳定性分析[J]. 北京交通大学学报，2013，37(1)：57-61.

［3］ 周顺华，刘建国，王炳龙. 水下边坡稳定性的离心模拟试验研究[J]. 铁道学报，2001，23(1)：76-79.

［4］ 周顺华，刘建国，李尧臣. 水下边坡稳定性分析[J]. 西南交通大学学报，2002，37(2)：180-185.

［5］ 林 枫，陶履彬，朱合华. 水下边坡稳定性分析研究[J]. 岩石力学与工程学报，2003，22(增1)：2,149-2 153.

［6］ 沈明荣，邓海荣. 水下岩质边坡在波浪作用下的稳定性分析[J]. 工程地质学报，2006，14(5)：609-615.

［7］ 方 华. 沉管隧道基槽边坡稳定性研究[D]. 北京：北京交通大学，2010.

［8］ 张晓咏，戴自航. 应用ABAQUS程序进行渗流作用下边坡稳定分析[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29 (增1)：2 928-2 934.

［9］ 李春忠，陈国兴，樊有维. 基于ABAQUS 的强度折减有限元法边坡稳定性分析[J]. 防灾减灾工程学报，2006，26(2)：207-212.

［10］ GB50330—2013，建筑边坡工程技术规范[S].

［11］ 李兆平，张 弥，王连俊. 考虑开挖扰动和基质吸力影响的基坑边坡安全性研究[J]. 中国安全科学学报，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

张建新（1965—），男，河北保定人，天津城建大学教授，博士.