開挖擾動及回淤作用下水下邊坡穩定性研究

孟慶祥　隋洪瑞 李巖

摘要：水下基槽浚挖施工中，開挖擾動以及水底回淤現象會改變土體的天然應力場，使土體抗剪強度產生衰減，此時邊坡穩定性計算仍采用原始的土參數并不合理。針對天津濱海新區中央大道海河沉管隧道工程，對水下邊坡穩定性進行了數值分析，采用強度折減法對土參數進行適當折減，模擬水下基槽開挖和回淤作用對土體的擾動。分析表明：開挖擾動及回淤作用對邊坡穩定影響顯著，尤其在坡腳等易出現應力集中的位置，土體強度損失非常明顯。

關鍵詞： 水下邊坡 開挖擾動 回淤 穩定性分析

研究背景

沉管隧道工程中，水下基槽浚挖施工不可避免地會改變周邊土體的天然應力場，開挖擾動會使土的密實度變小、孔隙率增大，使土體抗剪強度產生衰減，因此采用原始土參數進行計算并不合理。根據國內外工程經驗，開挖后邊坡表層附近土體抗剪強度損失可達10%以上。如果同時考慮邊坡表層回淤的淤泥質土的影響，強度損失則更為顯著。但目前國內外在開挖擾動和回淤對水下邊坡的穩定性影響方面并不多見。

中央大道海河隧道工程是天津市濱海區中央大道穿越海河的重要節點工程，位于天津市濱海新區于家堡中心商務區和東西沽地區，是溝通濱海新區中心商業區海河南北兩岸的重要通道。路線全長4.3km，其中穿越海河255m采用沉管法施工工藝。穿越土層主要為淤泥質土，局部為力學性質較差的粉質粘土、粘土夾層。為了保證水下浚挖施工安全，有必要考慮開挖擾動和回淤的影響。

計算模型的建立

本文應用有限差分軟件FLAC3D進行了水下邊坡穩定性分析，在計算中土體采用摩爾庫倫本構模型。參照國內外研究經驗，一般不考慮水下邊坡土體的滲流問題，所以材料類型采用不排水材料，并選用平面應變模型。根據工程實際情況，選取了最不利的斷面，利用對稱原理，以基槽中心為邊界取一側邊坡進行建模，尺寸為135×30m。模型將土層化簡為四層，見圖1，并采用加權平均后的土參數進行計算。

圖1 水下基槽模型

國內外很多學者研究認為：對于土質邊坡，開挖擾動對土體的內摩擦角φ值有影響，而土體粘聚力c值幾乎不變。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，導致土顆粒位置變化及土顆粒之間的膠結物錯動，從而使內摩擦角降低。因此，本文對土參數進行適當折減，以模擬土體擾動，并借鑒強度折減法的基本原理，對土參數（即tanφ）進行了折減，折減后的φ`值為：

φ`=arctan（tanφ/K） （1）

K為抗剪強度折減系數，本文中分別取值1.05、1.075和1.1，并施加回淤荷載，進行邊坡的穩定性分析。模擬基槽開挖完成后邊坡的豎向、水平位移及應力分布等情況。

計算結果分析

開挖擾動/回淤后的水下邊坡的部分數值模擬結果見圖2。

（a）

（b）

（c）

圖2 三種折減系數下邊坡豎向位移（左）和最大變形速率（右）分布（a：K=1.05； b：K=1.075； c：K=1.1）

計算結果分析表明：開挖擾動對水下邊坡的穩定性影響顯著。一方面，土體強度損失會造成基槽的豎向和水平位移顯著增加；另一方面，回淤現象會使基槽豎向荷載有所增加。在兩者的共同影響下，邊坡的穩定性大大降低，尤其在坡腳位置和坡度變化位置的土體變形速率顯著增大。同時，安全系數隨K的增大而逐漸減小，甚至可能接近或達到安全警戒值1.3。

現場試驗開挖槽的監測數據也表明：開挖后很長時間邊坡一直處于較大變形狀態，直至3個月之后才逐漸穩定。同時，水下回淤作用也使邊坡變形進一步增大，雖然在考慮開挖擾動對土體的影響后，邊坡穩定分析結果仍能滿足穩定性要求，但開挖擾動對邊坡安全性的影響不可忽略。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。

現場試驗開挖槽的監測數據也表明：開挖后很長時間邊坡一直處于較大變形狀態，直至3個月之后才逐漸穩定。同時，水下回淤作用也使邊坡變形進一步增大，雖然在考慮開挖擾動對土體的影響后，邊坡穩定分析結果仍能滿足穩定性要求，但開挖擾動對邊坡安全性的影響不可忽略。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。

結論

通過數值計算，本文認為水下基槽浚挖施工中，開挖擾動和回淤對邊坡穩定性影響顯著。為保證基槽邊坡開挖能夠滿足邊坡設計需要，施工工藝應采用分區、分層的方式，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。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?；坶_挖過程中，做好監控，定期測量基槽的深度、寬度和邊坡坡率。密切關注基槽各位置（尤其是坡腳）是否出現滑動、塌方或回淤等情況，如果出現上述情況，應及時采取必要的應對處理措施。

參考文獻

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