土體擾動(dòng)變形對河道護(hù)岸的影響研究

龔瑜

（上海市建工設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200235）

土體擾動(dòng)變形對河道護(hù)岸的影響研究

龔瑜

（上海市建工設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200235）

據(jù)城市發(fā)展的需要，市政交通設(shè)施包括隧道或管道穿越及沿河的情況成為了河道護(hù)岸加固改造的一個(gè)重要因素。隧道及管道施工時(shí)將引起土體擾動(dòng)變形，對周邊河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在周邊環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)這種影響可以通過采取一定的土體加固措施后減少對護(hù)岸的影響。通過實(shí)例的數(shù)值模擬的方式預(yù)測了盾構(gòu)施工期對河道護(hù)岸的影響，并分析土體加固后的效果，為今后類似的工程提供參考。

土體擾動(dòng)變形；數(shù)值分析；影響；對策

0 引言

河道護(hù)岸在長期使用過程中受到損壞、對河道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高及排水方式改變等因素會(huì)引起河道護(hù)岸不同程度的改造，以滿足各種功能的需求。同時(shí)由于城市發(fā)展的需要，各種型式的市政交通設(shè)施不可避免的與河道發(fā)生關(guān)系，隧道或管道穿越及沿河管線敷設(shè)等情況也成為了河道護(hù)岸加固改造的另一個(gè)重要因素。

隧道及管道施工時(shí)會(huì)由于施工引起的地層損失、地層原始應(yīng)力的變化、擾動(dòng)土體的固結(jié)與土體的蠕變或自身工藝等原因引起土體擾動(dòng)變形，對周邊一定范圍內(nèi)的河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響。土體擾動(dòng)對河道護(hù)岸影響的程度以及采取加固措施后減少對護(hù)岸影響的效果的研究顯得尤為重要。

城市中心城區(qū)水系發(fā)達(dá)，河道兩側(cè)往往存在大量的建構(gòu)筑物、城市主、次干道、地下管線、市政設(shè)施等致使河道周邊環(huán)境復(fù)雜，加固河道護(hù)岸方案應(yīng)盡量選取對周邊環(huán)境影響較小的方案實(shí)施。

1 護(hù)岸的類型

護(hù)岸工程按形式可分為坡式護(hù)岸、壩式護(hù)岸、墻式護(hù)岸、生態(tài)護(hù)岸以及其他形式護(hù)岸。

（1）坡式護(hù)岸將建筑材料或構(gòu)件直接鋪?zhàn)o(hù)在堤防或?yàn)┌杜R水坡面，形成連續(xù)的覆蓋層，防止水流、風(fēng)浪的侵蝕、沖刷。這種防護(hù)形式順?biāo)鞣较虿贾茫瑪嗝媾R水面坡度緩于1∶1.0，對水流的影響較小，也不影響航運(yùn)。在河勢比較穩(wěn)定，在水深流急處、險(xiǎn)要堤段、重要城市、港埠碼頭廣泛采用坡式護(hù)岸。湖堤防護(hù)也常采用坡式護(hù)岸。

（2）壩式護(hù)岸依托堤防、灘岸修建丁壩、磯頭、順壩以及勾頭T形壩、拐頭形壩，起到導(dǎo)引水流離岸，防止水流、風(fēng)浪直接侵蝕、沖刷堤岸。江面寬闊的河口段也常用丁壩、順壩保灘促淤、保護(hù)堤防安全。

（3）墻式護(hù)岸靠自重穩(wěn)定，要求地基滿足一定的承載能力。可順岸設(shè)置，具有斷面小，占地少的優(yōu)點(diǎn)，常用于河道斷面窄，臨河側(cè)無灘、又受水流淘刷嚴(yán)重的堤段，海堤防護(hù)多采用坡式、墻式以及這兩者復(fù)式組合形式。

（4）生態(tài)護(hù)岸，主要利用植物或者植物與土工織物相結(jié)合，對河道坡面進(jìn)行防護(hù)。生態(tài)護(hù)岸集防洪效應(yīng)、生態(tài)效應(yīng)、景觀效應(yīng)和自凈效應(yīng)于一體，使河水與土壤相互滲透，系修復(fù)自然河道防護(hù)功能的有效對策。

（5）其他護(hù)岸形式如樁式護(hù)岸，通常采用木樁、鋼樁、預(yù)制鋼筋混凝上樁和以板樁為材料構(gòu)成板樁式、樁基承臺式以及樁石式護(hù)岸。常在軟弱地基上修建防洪墻、港口、碼頭、重要護(hù)岸時(shí)采用[1]。

除了生態(tài)式的柔性護(hù)岸以外，其他具有結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)護(hù)岸對結(jié)構(gòu)位移均有一定的要求，由于外部邊界條件的改變，硬質(zhì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變化較為敏感。

2 土體擾動(dòng)變形的原因

非開挖式隧道及管道的施工對河道護(hù)岸基礎(chǔ)附近產(chǎn)生土體擾動(dòng)，其施工工藝基本以盾構(gòu)及頂管為主。

2.1 盾構(gòu)施工

盾構(gòu)掘進(jìn)引起的土體變形主要成因?yàn)椋壕蜻M(jìn)引起的地層損失、地層原始應(yīng)力的變化、擾動(dòng)土體的固結(jié)與土體的蠕變、襯砌結(jié)構(gòu)的變化等。

（1）掘進(jìn)引起的地層損失：開挖面土體移動(dòng)、土體擠入盾尾空隙、改變推進(jìn)方向、盾殼移動(dòng)對地層的摩擦和剪切、隧道襯砌產(chǎn)生的變形及襯砌沉降等。

（2）地層原始應(yīng)力的變化：盾構(gòu)法施工引起原狀土擠壓、剪切、扭曲，導(dǎo)致土體初始應(yīng)力的改變，產(chǎn)生應(yīng)力重新分布。

（3）土體固結(jié)與蠕變：盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)形成的超空隙水壓力區(qū)發(fā)生排水固結(jié)后引起地層位移以及土體蠕變過程中的次固結(jié)沉降。

（4）襯砌結(jié)構(gòu)的變化：襯砌結(jié)構(gòu)變形所引起的地層位移占地層總位移的比例較小[2]。

2.2 頂管施工

頂管施工過程中以下幾個(gè)方面將引起土體擾動(dòng)變形：

（1）掘進(jìn)機(jī)和管道與周圍土體摩擦帶動(dòng)土體移動(dòng)；

（2）土體開挖卸載產(chǎn)生的塑性區(qū)，掘進(jìn)機(jī)外徑與管道外徑的環(huán)形空隙，盡管采用了注漿填充措施，但仍不可避免會(huì)產(chǎn)生土體損失，引起地面沉降；

（3）鉆進(jìn)糾偏：糾偏引起土體損失，增加對周圍土體的擾動(dòng)；

（4）鉆進(jìn)速度：當(dāng)管道鉆進(jìn)速度過快將會(huì)增大對土體的擾動(dòng)；

（5）管道埋深：管道埋設(shè)越深對地表沉降的影響越小[3]。

3 土體加固方法

由于中心城區(qū)河道周邊環(huán)境一般比較復(fù)雜，河道護(hù)岸加固應(yīng)盡量選取對周邊環(huán)境影響較小的方案實(shí)施，對于現(xiàn)狀護(hù)岸滿足規(guī)范要求，為了減少土體擾動(dòng)對河道護(hù)岸的影響，可通過土體加固減少土體擾動(dòng)對河道護(hù)岸的影響，增加護(hù)岸的穩(wěn)定性，減少結(jié)構(gòu)變形，同時(shí)護(hù)岸結(jié)構(gòu)改造中作為輔助手段起到抗?jié)B或增加樁基承載力的作用。結(jié)構(gòu)土體加固具有施工時(shí)間短，不進(jìn)行開挖施工對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。適用于外部邊界條件變化不大，周邊環(huán)境復(fù)雜的情況。

不同的工程地質(zhì)及環(huán)境條件下，在選擇土體加固方法時(shí)要因地制宜，每種方法均有一定的適用范圍。常用的有深層攪拌樁法、降水法、凍結(jié)法和注漿法等。

（1）攪拌樁法是軟土地基加固和深基坑圍護(hù)中的常用方法，是一種施工機(jī)具簡單、操作方便、造價(jià)低的隧道洞口加固方法，尤其在施工場地較小的地方采用更為合適。

（2）注漿法是將水泥漿液或化學(xué)漿液注入地層進(jìn)行加固的方法，對含水豐富的砂土層較為有效。

（3）降水法也是一種比較有效的、經(jīng)常采用的加固方法，比較適用于含水豐富的流沙質(zhì)土體。采用降水法一般為地面向下打井法，故其使用范圍和地區(qū)受到一定限制，降水對地面沉降影響較大。故在地面路橋密集的地方不宜采用。

（4）凍結(jié)法是煤炭礦井通過第四紀(jì)松散表土地層時(shí)常用的一種特殊施工技術(shù)，近十幾年來已逐步引進(jìn)到城市地鐵、路橋基坑等市政工程中。用凍結(jié)法加固盾構(gòu)進(jìn)出潤洞口時(shí)，一般采用垂直凍結(jié)法。即在后構(gòu)進(jìn)出潤口上部的土體內(nèi)布置一定數(shù)量的凍結(jié)孔。經(jīng)凍結(jié)后在洞門處形成板坡狀凍土帷幕來抵御盾構(gòu)進(jìn)出洞破壁時(shí)的水土壓力，防止土層塌落和泥水涌入工作井內(nèi)。

對于河道土體加固一般考慮采用攪拌樁法及注漿法，機(jī)械設(shè)備較小、施工方便、對周邊影響較小，更適用于對護(hù)岸基礎(chǔ)周邊的土體加固，可采用河道護(hù)岸墻前及墻后加固兩種方式，但在區(qū)域周邊環(huán)境復(fù)雜，護(hù)岸墻后建構(gòu)筑物較多或者墻后為道路無法進(jìn)行施工的區(qū)域，采用護(hù)岸墻前即河中土體加固是比較合理的選擇。

4 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

以盾構(gòu)法在沿河施工對河道護(hù)岸的影響為例，土體加固方案采用高壓旋噴樁的施工方案，預(yù)測盾構(gòu)施工期對河道護(hù)岸的影響以及土體加固后的效果分析。

4.1 有限元分析模型

目前常用的分析方法是數(shù)值計(jì)算法，其中以有限元單元法為主。

建立二維有限元模型，進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算，預(yù)測盾構(gòu)施工引起護(hù)岸的變形并同時(shí)分析加固方案的效果。

有限元模型的建立如下：

（1）土體本構(gòu)模型與參數(shù)

土體采用Hardening-soil模型，該模型在巖土工程中應(yīng)用較多。計(jì)算中土層分布按照地質(zhì)報(bào)告選取。

（2）荷載和地下水位

計(jì)算中考慮地面荷載為：取5 kN/m2；

地下水位取地面以下1.0 m。

（3）接觸面單元

采用彈塑性無厚度Goodman接觸面單元模擬地下結(jié)構(gòu)與土體和加固體之間相互作用。

（4）網(wǎng)格剖分

計(jì)算區(qū)域?yàn)椋荷疃热【嚯x管道足夠深度，為地面以下約80 m，模型寬度考慮管道穿越范圍以外兩側(cè)各80 m。水平向?yàn)閄向，豎直向?yàn)閅向，且對X邊界施加X向位移約束，Y邊界施加Y向約束。采用等三角形六節(jié)點(diǎn)平面單元模擬土體。

（5）模型影響因素

主要影響模擬結(jié)果的因素為盾構(gòu)穿越的位置，包括盾構(gòu)的直徑、深度、與河道護(hù)岸的水平距離等，各影響因素綜合影響模擬結(jié)果，但對于同一工程，盾構(gòu)的直徑為定值，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)與河道相互影響的區(qū)域內(nèi)盾構(gòu)深度變化也有限，因此本文主要以盾構(gòu)與河道護(hù)岸的水平距離為主要影響因素進(jìn)行分析。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.2.1 模擬設(shè)計(jì)工況

模擬設(shè)計(jì)工況見表1。

表1 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)工況表

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

圖1、圖2顯示盾構(gòu)穿越后防汛墻的變形趨勢圖，從圖中可以看出，盾構(gòu)正上方沉降最大，然后向兩側(cè)逐漸減小。同時(shí)根據(jù)圖3、圖4的計(jì)算結(jié)果表明，隨著土體損失率增加，河道護(hù)岸的水平與垂直變形逐漸變大，基本上呈線性變化；盾構(gòu)外邊線與河道護(hù)岸的水平距離越近，河道護(hù)岸的變形越大，在一定距離范圍內(nèi)變化呈現(xiàn)陡增趨勢。

圖1 垂直位移（單位：mm）

圖2 水平位移（單位：mm）

圖3 不同土體損失率河道護(hù)岸水平變形圖

圖4 不同土體損失率河道護(hù)岸垂直變形圖

4.3 土體加固方案及效果分析

根據(jù)第4.2節(jié)計(jì)算分析結(jié)論，距離盾構(gòu)越近河道護(hù)岸變形越大，因此加固方案僅計(jì)算盾構(gòu)外側(cè)距河道護(hù)岸外邊線最近處的工況即可，見圖5、圖6及表2。

圖5 加固后護(hù)岸的水平位移（單位：mm）

表2 不同土體損失率對應(yīng)防汛墻變形統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定，河道護(hù)岸變形應(yīng)控制在10 mm以內(nèi)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知在進(jìn)行了土體加固后在土體損失率不大于0.30%時(shí)河道護(hù)岸位移滿足了相關(guān)規(guī)范的要求。土體加固很好的減輕了盾構(gòu)施工對河道護(hù)岸的影響。但同時(shí)應(yīng)注意在盾構(gòu)等工程施工的過程控制好土體損失率，才可以達(dá)到土體加固措施的預(yù)期效果。

5 結(jié)語

根據(jù)城市發(fā)展的需要，市政交通設(shè)施包括隧道或管道穿越及沿河的情況成為了河道護(hù)岸加固改造的一個(gè)重要因素。隧道及管道施工時(shí)會(huì)由于施工引起的土體擾動(dòng)變形，對周邊一定范圍內(nèi)的河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響。在周邊環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)這種影響可以通過采取一定的土體加固措施后減少對護(hù)岸的影響。本文通過實(shí)例的數(shù)值模擬的方式預(yù)測了盾構(gòu)施工期對河道護(hù)岸的影響，并分析土體加固后的效果，為類似的工程提供參考。

[1]中國水利百科全書編委會(huì).中國水利百科全書[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[2]黨世偉.盾構(gòu)掘進(jìn)地層變形原因分析與施工控制[J].建筑技術(shù), 2007(7):549-550.

[3]魏綱,徐日慶,屠瑋,等.頂管施工引起的土體擾動(dòng)理論分析及試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(3):476-482.

汕頭市高速公路連接線等項(xiàng)目將投412億

今年來，汕頭市交通基礎(chǔ)設(shè)施和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)齊頭并進(jìn)，為該市經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)“半年紅”做出了貢獻(xiàn)。目前，各項(xiàng)工程積極推進(jìn)，取得良好進(jìn)展。

汕湛、潮汕環(huán)線高速分別完成年度計(jì)劃近六成。揭惠高速圍繞年底建成通車的目標(biāo)全速推進(jìn)。牛田洋快速通道7月底完成初步設(shè)計(jì)外業(yè)驗(yàn)收并完成工可修編，年底啟動(dòng)建設(shè)。同時(shí)加緊謀劃了50個(gè)高速公路連接線和普通國省道“斷頭路、瓶頸路”項(xiàng)目，總投資約412.36億元，建設(shè)計(jì)劃初稿編制工作已完成。

時(shí)速350 km/h沿海高鐵汕尾至汕頭段預(yù)可研通過中國鐵總和廣東省發(fā)改委的聯(lián)合審查。廣梅汕鐵路龍湖南至汕頭增建二線及廈深鐵路進(jìn)汕頭站聯(lián)絡(luò)線（汕頭段）全線控制性工程之一——東里雙線特大橋提前架通。汕頭火車站綜合客運(yùn)樞紐首期工程（交通換乘中心）進(jìn)入主體工程施工階段。

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1009-7716（2017）09-0181-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.055

2017-05-04

龔瑜（1971-），男，江蘇張家港人，高級工程師，從事水工、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)咨詢工作。