人工島內部基坑開挖過程圍堰島壁穩定性分析

吳達，盧金棟

（中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣州 511458）

1 引言

土石圍堰由土石材料填筑形成，可有效防止水和土石顆粒進入場地干擾正常施工[1]。土石圍堰既可作為臨時性的圍護結構，又能成為永久性構筑物，其具體布置和建造過程關系到整個工程的順利推進[2]。對于以土石圍堰作為永久性島壁結構的人工島，內部施工會影響圍堰的穩定性[3]，可能遲滯工程進度并帶來安全風險。因此，土石圍堰內部開挖過程中的穩定性分析對人工島工程意義重大。

本文依托深中通道東人工島土石圍堰工程項目，應用Midas GTS開展內部臨近島壁側基坑放坡開挖施工數值模擬，分析基坑、堰體變形位移及應力場的變化規律，獲取有限元強度折減條件下基坑開挖過程中的堰體安全系數，評估開挖施工對土石圍堰穩定性的潛在風險。

2 工程概況

深中通道連接深圳市和中山市，路線起于廣深沿江高速機場互通立交，與深圳側連接線對接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新區馬鞍島上岸，終于橫門互通。深中通道全長24 km，是繼港珠澳大橋之后又一世界級超大“隧、島、橋”集群工程。

深中通道東人工島位于深圳寶安機場南側，緊鄰福永碼頭，與既有沿江高速和目前在建的廣深沿江高速公路二期工程相連。東人工島包含主線隧道及4條高速公路匝道。東西向施工起訖里程K5+630～K6+560，長930 m，南北向沿沿江高速軸向1 136 m，形成陸域面積3.438×105m2，海域使用面積4.763×105m2；島上主線隧道施工起訖里程K5+695～K6+550，全長855 m；機場互通匝道隧道為實現深中通道與沿江高速互通、互聯設置，匝道總長1 839 m。

3 工程設計方案

3.1 島壁設計方案

東人工島包含多種土石圍堰島壁形式。其中，東北側DK2+350島壁斷面代表了DK2+250～DK2+450范圍內的島壁結構，即采用拋石斜坡式+漿砌塊石的結構形式。基槽開挖結束后，通過船舶拋埋堤心石，再依次施工外側護面、內側倒濾層和擋浪墻。

3.2 基坑開挖方案

東人工島隧道包括主線隧道、F匝道、G匝道、H匝道，均采用明挖順筑法施工。主線隧道基坑寬41.20～59.14 m，基坑深0～18.7 m；匝道基坑寬度11.85～36.71 m，基坑深0～17.58 m。圍護結構根據基坑開挖深度不同分為4種形式：鋼板樁擋墻、鉆孔灌注樁、鎖口鋼管樁、地下連續墻；支撐形式根據深度不同布置多道鋼筋混凝土支撐、鋼支撐及換撐，采用攪拌樁、旋噴樁進行基底加固。東人工島內基坑開挖方案如圖1所示。

圖1 東人工島內基坑開挖方案圖

從圖1看出，東人工島內部主線DK2+350附近為放坡開挖段。受限于空間距離，需從圍堰島壁附近放坡開挖，由此易引發土石圍堰島壁結構的施工擾動，帶來工程的潛在安全風險。因此，有必要對放坡開挖過程中土石圍堰島壁的穩定性開展計算分析與評價。

4 數值模型建立

本文采用Mohr-Coulomb本構模擬放坡開挖條件下基坑與堰體的力學行為及變形特征，對土石圍堰邊坡穩定性進行分析，根據現場地勘資料擬定數值模擬的材料參數。

選取東人工島土石圍堰DK2+350典型斷面，利用Midas GTS開展計算分析。為消除邊界效應，計算寬度取約2倍圍堰底寬，高度取約2倍圍堰埋深。模型底部及兩側施加垂直表面的法向約束。依據設計圖和施工方案，按多種材料將斷面劃分成若干部分，再分別建立有限元網格。

土石圍堰島壁拋填完成后，人工島內部回填中粗砂，并打設塑料排水板降低地下水位標高至-11 m，右側保持設計水位標高1.89 m。擬定放坡開挖層數為3層，開挖深度分別為2 m、2 m、4 m。開挖過程不設支護或擋土墻。

5 模擬結果分析

5.1 滲流場結果分析

為分析基坑開挖前內部降水對堰體滲流場的影響，應用Midas GTS獲取圍堰及臨近土層的滲流場分布（見圖2）。

圖2 開挖前基坑降水滲流速度分布

初始水頭環境下，堰體內部待開挖區處于負孔隙水壓力狀態。由圖2發現，左側水位降到設計標高時，堰體內的滲流主要發生于堰體底部與最下層土層之間，堰體上部區域幾乎不發生滲流。圍堰內部基坑在未開挖的情況下處于穩態滲流狀態，且滲流主要發生在堰體底部，表明未開挖狀態下堰體內側倒濾層和外側護面可以有效減小堰體內部的滲流作用。

5.2 堰體變形分析

1）堰體水平位移變化分析。由圖3可知，隨著開挖深度與放坡級數的增加，堰體底部的水平位移峰值區由堰體內側與原地層交界處不斷向放坡開挖形成的坡腳靠攏。在基坑第3層開挖完成時，位移變形集中于左側基坑邊坡與堰體坡腳處，為位移峰值集中區。

圖3 基坑第3層開挖后水平位移分布云圖

此外，基坑開挖過程中堰體水平負向變形峰值不斷增大，正向位移峰值較為穩定。

2）堰體豎向位移變化分析。基坑開挖過程土體處于卸荷狀態，往往引起基坑底的土體隆起，這可利用豎向位移分布云圖進行分析。

由圖4可知，隨基坑開挖深度增加，隆起位移分布由靠近坡腳處的變形量較小逐漸轉變為大致水平分布，基坑底部隆起位移趨于均勻，但隆起量不斷增大。1～3層放坡開挖時基坑隆起峰值分別為5.46 mm、10.8 mm、14.4 mm。不加支擋條件下，基坑開挖深度的增加會加大基坑表面的隆起量。左側圍堰坡腳處同時存在較大的水平位移和豎向隆起位移，故此處易因土體滑移變形產生失穩破壞，需要重點監測，必要時施作擋墻控制其位移的發展。

圖4 基坑第3層開挖后豎向位移分布云圖

5.3 堰體法向有效應力和穩定性分析

利用Midas GTS邊坡SRM法計算堰體應力和安全系數，判斷穩定性變化規律。可以發現，基坑開挖過程中內部土體所承受的法向有效應力呈水平層狀分布，從上到下應力值逐漸增大；且隨開挖深度的增加，其應力值逐漸減小。土體開挖過程中，堰體底部滲流區有效應力與總應力均在不斷減小，且保持一恒定差值，對應于初始穩態孔隙水壓力。這驗證了堰體始終處于穩態滲流環境的結論。

開挖過程中堰體抗滑穩定性安全系數分別為1.80、1.84、1.83、1.65。結合位移分布可知，第1層放坡時，左側堰坡位移有增加但較為分散，滑移趨勢小。初期開挖土體卸荷減小了土壓力使得堰體穩定性有少許增加。第2層、第3層開挖后，左側堰坡坡角處存在較大水平和豎向變形，堰坡滑移趨勢加強，穩定性隨之變差。開挖結束后堰體安全系數有較大降低，但仍大于SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規范》規定的壩坡抗滑穩定最小安全系數1.5，表明放坡開挖過程中堰體穩定性滿足要求。

6 結論

綜上所述，本文得出以下幾點結論：

1）隨著人工島內基坑放坡高度增加，土石圍堰堰體底部土體水平變形區不斷向左側坡腳靠攏且變形量持續增大，基坑底的隆起量也隨之增加；隆起位移分布由從左到右遞減的模式逐漸轉化為大致水平分布，右側階梯坡腳下方土體水平變形區促進了堰坡處土體的豎向隆起。

2）基坑底法向應力呈水平層狀分布，基底應力值隨基坑開挖深度的增加而增加，隨開挖深度的增加的而減小。土體有效應力與總應力的絕對值在基坑開挖過程中均不斷減小。

3）基坑開挖過程中的堰坡安全系數于開挖第3層時最小（為1.65），此時左側堰體階梯坡抗滑穩定性最差，放坡開挖高度達到最大且坡角處的水平和豎向位移變化顯著，位移值同時達到最大。