太湖隧道臨時大堤設計施工關鍵工況安全評估研究

顧曉彬，龔濟平，胡小波，孟開醒

（1.中交第三航務工程局 南京分公司，江蘇 南京 210011；2.中交上海港灣工程設計研究院有限公司，上海 200032）

引 言

明挖法水上公路隧道施工項目，太湖隧道由陸域進入水域后，需將原有十里明珠堤拆除。為了滿足施工期內的防汛要求，需要在原大堤外側，順接破堤口修筑一道臨時大堤，作為陸上與水上施工的交接部位，兼具防洪擋水擋土要求。運用信息化和數值分析的手段，對臨時大堤各個關鍵工況進行模擬與安全評估，對工程質量控制、實現科技信息集成，提升項目整體技術安全儲備，強化質量安全意義重大。

1 工程概況

蘇錫常南部高速公路常州至無錫段工程路線全長43.90 km，采用隧道方式越過太湖梅梁湖，隧道全長10.79 km。太湖隧道隧址區大部分位于太湖湖蕩平原區，地勢低洼，水網稠密，由西南向東北微傾，陸域段地面高程為0～3.50 m，湖域段湖底高程在-0.85 m左右。

其中示例工程段長5.6 km，路線自西向東依次跨越六里河、下穿陸馬公路、東環堤河和太湖大堤。施工內容包括：路基工程、隧道工程、橋梁工程和房建工程，其中隧道全長 5.4 km，包括太湖隧道敞口段290 m，暗埋段5 120 m。

1.1 工程地質

本標段屬太湖湖蕩平原區及山間平原亞區，表層局部段落分布1-2層淤泥、淤泥質粉質粘土，上部為2-1層硬可塑粉質粘土和2-2層可塑的粘性土層，其下連續分布2-3層粉土，中上部個別段落揭示2-4層淤泥質粉質粘土，往下依次為3-1層硬可塑狀、3-2層軟塑狀、4-1層硬塑狀粘性土層，主要土層的物理力學指標自西向東逐漸變好。其中對工程影響較大的為1-2淤泥質粉質粘土和2-4淤泥質粉質粘土，根據施工現場揭露情況，其原狀土具有一定的直立性，擾動后呈現明顯的流塑狀態，土質均勻，有機質含量較低，干燥后較堅硬。

表1 各地層滲透系數

1.2 水文地質

太湖隧道線路經過的主要河流為太湖，屬太湖水網系，地表水系發育，隧道經過太湖梅梁湖段長約10.8 km，太湖梅梁湖區域生態環境敏感，直接影響項目的可實施性。項目區內地下水類型主要為松散巖類孔隙水，主要由第四系全新統沖積～洪積層和湖沼沉積層含水層組。勘察期間陸域鉆孔揭示地下水穩定水位埋深0.90～2.30 m，穩定水位高程為1.95～2.80 m。湖區段地表水勘察期間高程為1.65～3.45 m，地下水位與地表水基本一致。據太湖局水文資料顯示，太湖防汛水位為3.50 m，多年平均水位在3.05 m。

2 臨時大堤設計施工關鍵工況模擬

太湖隧道穿過十里明珠大堤后進入太湖，需要對原有的大堤進行拆除，為了滿足3年施工期內的防汛要求，特在原大堤外側，順接破堤口使用鋼板樁修筑了一矩形臨時大堤，作為陸上與水上施工的交接部位，兼具防洪要求、擋水要求、擋土要求，具有非常重要的功能，是工程的首要安全控制點。平面及縱剖面布置如圖1、圖2。

圖1 臨時大堤段平面

圖2 臨時大堤段斷面示意

針對臨時大堤段，我部首先深入分析設計施工方案，使用C3D等信息化軟件建立主要結構的模型，而后對臨時大堤段的主要設計施工方案進行模擬，圖 3為根據設計施工方案建立的臨時大堤段三維模型。

圖3 三維設計施工模型示意

通過對模型的反復推演和分析，結合現場已經開始施工的部分工序情況，得到臨時大堤段內部影響施工安全的幾個關鍵部位為：

1）臨時大堤段橫向基坑開挖：臨時大堤段為了形成由水上到路上的施工便道，橫向設置了雙圍堰，內側圍堰距離基坑開挖外邊線較近，基坑一旦開挖勢必對內側的圍堰產生向內側傾斜的影響。

2）臨時大堤段角點：臨時大堤角點受多向應力集中交匯的影響，主要受內外壓差作用，容易產生應力集中點，對局部的鋼板樁、拉桿和圍檁等結構產生不利的影響。

3）十里明珠大堤破堤：十里明珠大堤破堤后，臨時大堤和原大堤存在交口，主要由半圓形的裹頭圍堰進行連接和圍護，該部分受力復雜。

圖4 關鍵點三維示意

3 關鍵工況的安全評估

通過建立三維模型對設計施工方案的分析研究，對臨時大堤有了較為全面的認識，在對各個安全點逐一推演分析的過程中發現，臨時大堤側向基坑開挖可能存在較大的風險，因此針對這一點進行詳細的理論和有限元模擬分析，力求從計算的角度對該工況進行施工安全穩定性評估。

建立臨時大堤側向基坑開挖有限元模型（圖5）。通過有限元模型的變形趨勢和強度折減法對最危險工況的整體穩定性分析可看出，臨時大堤段二級坡與三級坡之間存在潛在的滑動面且整體穩定性安全儲備不足，故而需要對該處設計施工方案進行復核。

圖5 臨時大堤初步設計方案有限元模型

圖6 基坑開挖工況變形趨勢

在有限元分析的基礎上，使用工程軟件建立二維模型，對臨時大堤側向基坑開挖斷面進行復核。計算中對圍堰-基坑圍護體系進行一定程度的簡化，建立的計算模型及整體穩定性滑弧如圖7所示。二維滑動計算結果顯示臨時圍堰側有向基坑內整體滑動的趨勢，且整體穩定安全系數較低。

圖7 理論計算開挖至-21.50 m工況

經過有限元強度折減法和工程軟件的理論建模，對基坑邊坡及基坑整體進行了計算分析，得到基坑上部放坡處的安全穩定性系數偏低的結論，且內側圍堰滑動面穿過基坑邊坡，圍堰-基坑存在連鎖破壞的可能性，違背了圍堰-基坑設計中要求二者之間無大的穩定性滑動聯系的原則，給施工帶來了較大的隱患。

4 設計施工方案的優化

根據安全評估的結果，對臨時大堤側向基坑開挖的方案重新進行了計算與設計。基坑支護方案斷面如圖 8：支護由兩道改為了三道，放坡由兩級改為了一級。并且對內外側圍堰之間的填土進行了削坡處理，以求減小圍堰內填土對圍堰產生的側壓力影響。

對修改后的臨時大堤基坑開挖工況進行有限元分析發現，減少一級放坡增加一道支撐以后，整體滑動趨勢線由基坑邊坡上穿出的概率大大減小，主要滑出部位位于基坑邊便道，由于便道硬化和施工荷載作用，對滑動土體起到反壓作用。

圖8 修改后的臨時大堤有限元計算斷面

圖9 整體變形趨勢

同時使用工程軟件，對圍護體系的整體穩定性進行復核，分析時對臨時圍堰-基坑整體結構進行簡化，建立計算模型如圖10所示。

圖10 修改后的臨時大堤理論計算斷面

通過理論計算結合有限元整體分析，設計方案修改后的臨時大堤方案整體穩定性滿足規范要求，監測數據及現場均反映良好，圍堰-基坑施工關鍵工況處于安全可控狀態。

5 結 語

緊跟信息化施工的大潮，我部在太湖隧道率先開展了針對水上圍堰基坑施工關鍵工況的信息化模擬及安全評估，應用三維信息化建模軟件對太湖隧道水上深基坑施工的各個關鍵工況進行模擬，根據安全評估成果對設計方案進行相應的修改，臨時大堤方案調整后整體穩定性系數大幅提升，最新的施工監測和現場狀況表明臨時大堤段圍護結構安全可靠，研究得到結論如下：

1）通過對水上深基坑關鍵工況進行詳細的模擬和推演，可初步分析出工程中的各個主要危險部位為：臨時大堤橫向深基坑開挖、雙排鋼圍堰角點和原大堤的破除與圍護；

2）根據三維模型的推演結果，通過數值和理論計算分析，可評估出各關鍵施工工況中最為危險的工況為臨時大堤橫向深基坑的開挖；

3）通過對最危險工況潛在安全風險點的深入研究，修改得到滿足設計施工安全要求的方案；

4）施工中結合實時的監測數據，根據修改后的設計施工方案進行實施，可有效避免事故的發生，提升項目整體的施工安全等級。

立足標準化、綠色化、信息化、精細化的管理理念，以信息化技術為主要的安全評估手段，在太湖隧道水上深基坑施工關鍵工況模擬與安全評估研究中，發揮中交三航局等單位的水上施工優勢，定能打造新時代我國領先水平的品質、綠色、安全、舒適工程。