人工島內(nèi)部基坑開挖過程圍堰島壁穩(wěn)定性分析

吳達(dá)，盧金棟

（中鐵隧道勘察設(shè)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(jìn)入場地干擾正常施工[1]。土石圍堰既可作為臨時性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又能成為永久性構(gòu)筑物，其具體布置和建造過程關(guān)系到整個工程的順利推進(jìn)[2]。對于以土石圍堰作為永久性島壁結(jié)構(gòu)的人工島，內(nèi)部施工會影響圍堰的穩(wěn)定性[3]，可能遲滯工程進(jìn)度并帶來安全風(fēng)險。因此，土石圍堰內(nèi)部開挖過程中的穩(wěn)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(yīng)用Midas GTS開展內(nèi)部臨近島壁側(cè)基坑放坡開挖施工數(shù)值模擬，分析基坑、堰體變形位移及應(yīng)力場的變化規(guī)律，獲取有限元強(qiáng)度折減條件下基坑開挖過程中的堰體安全系數(shù)，評估開挖施工對土石圍堰穩(wěn)定性的潛在風(fēng)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(jī)場互通立交，與深圳側(cè)連接線對接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新區(qū)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(jī)場南側(cè)，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(jī)場互通匝道隧道為實(shí)現(xiàn)深中通道與沿江高速互通、互聯(lián)設(shè)置，匝道總長1 839 m。

3 工程設(shè)計方案

3.1 島壁設(shè)計方案

東人工島包含多種土石圍堰島壁形式。其中，東北側(cè)DK2+350島壁斷面代表了DK2+250～DK2+450范圍內(nèi)的島壁結(jié)構(gòu)，即采用拋石斜坡式+漿砌塊石的結(jié)構(gòu)形式。基槽開挖結(jié)束后，通過船舶拋埋堤心石，再依次施工外側(cè)護(hù)面、內(nèi)側(cè)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(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)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(xù)墻；支撐形式根據(jù)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(jìn)行基底加固。東人工島內(nèi)基坑開挖方案如圖1所示。

圖1 東人工島內(nèi)基坑開挖方案圖

從圖1看出，東人工島內(nèi)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(fā)土石圍堰島壁結(jié)構(gòu)的施工擾動，帶來工程的潛在安全風(fēng)險。因此，有必要對放坡開挖過程中土石圍堰島壁的穩(wěn)定性開展計算分析與評價。

4 數(shù)值模型建立

本文采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模擬放坡開挖條件下基坑與堰體的力學(xué)行為及變形特征，對土石圍堰邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)現(xiàn)場地勘資料擬定數(shù)值模擬的材料參數(shù)。

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(yīng)，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(cè)施加垂直表面的法向約束。依據(jù)設(shè)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(wǎng)格。

土石圍堰島壁拋填完成后，人工島內(nèi)部回填中粗砂，并打設(shè)塑料排水板降低地下水位標(biāo)高至-11 m，右側(cè)保持設(shè)計水位標(biāo)高1.89 m。擬定放坡開挖層數(shù)為3層，開挖深度分別為2 m、2 m、4 m。開挖過程不設(shè)支護(hù)或擋土墻。

5 模擬結(jié)果分析

5.1 滲流場結(jié)果分析

為分析基坑開挖前內(nèi)部降水對堰體滲流場的影響，應(yīng)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(huán)境下，堰體內(nèi)部待開挖區(qū)處于負(fù)孔隙水壓力狀態(tài)。由圖2發(fā)現(xiàn)，左側(cè)水位降到設(shè)計標(biāo)高時，堰體內(nèi)的滲流主要發(fā)生于堰體底部與最下層土層之間，堰體上部區(qū)域幾乎不發(fā)生滲流。圍堰內(nèi)部基坑在未開挖的情況下處于穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)，且滲流主要發(fā)生在堰體底部，表明未開挖狀態(tài)下堰體內(nèi)側(cè)倒濾層和外側(cè)護(hù)面可以有效減小堰體內(nèi)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(shù)的增加，堰體底部的水平位移峰值區(qū)由堰體內(nèi)側(cè)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(cè)基坑邊坡與堰體坡腳處，為位移峰值集中區(qū)。

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(fù)向變形峰值不斷增大，正向位移峰值較為穩(wěn)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(tài)，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(jìn)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(zhuǎn)變?yōu)榇笾滤椒植迹拥撞柯∑鹞灰期呌诰鶆颍∑鹆坎粩嘣龃蟆?～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(cè)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(chǎn)生失穩(wěn)破壞，需要重點(diǎn)監(jiān)測，必要時施作擋墻控制其位移的發(fā)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(yīng)力和穩(wěn)定性分析

利用Midas GTS邊坡SRM法計算堰體應(yīng)力和安全系數(shù)，判斷穩(wěn)定性變化規(guī)律。可以發(fā)現(xiàn)，基坑開挖過程中內(nèi)部土體所承受的法向有效應(yīng)力呈水平層狀分布，從上到下應(yīng)力值逐漸增大；且隨開挖深度的增加，其應(yīng)力值逐漸減小。土體開挖過程中，堰體底部滲流區(qū)有效應(yīng)力與總應(yīng)力均在不斷減小，且保持一恒定差值，對應(yīng)于初始穩(wěn)態(tài)孔隙水壓力。這驗(yàn)證了堰體始終處于穩(wěn)態(tài)滲流環(huán)境的結(jié)論。

開挖過程中堰體抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.80、1.84、1.83、1.65。結(jié)合位移分布可知，第1層放坡時，左側(cè)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(wěn)定性有少許增加。第2層、第3層開挖后，左側(cè)堰坡坡角處存在較大水平和豎向變形，堰坡滑移趨勢加強(qiáng)，穩(wěn)定性隨之變差。開挖結(jié)束后堰體安全系數(shù)有較大降低，但仍大于SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.5，表明放坡開挖過程中堰體穩(wěn)定性滿足要求。

6 結(jié)論

綜上所述，本文得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）隨著人工島內(nèi)基坑放坡高度增加，土石圍堰堰體底部土體水平變形區(qū)不斷向左側(cè)坡腳靠攏且變形量持續(xù)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(zhuǎn)化為大致水平分布，右側(cè)階梯坡腳下方土體水平變形區(qū)促進(jìn)了堰坡處土體的豎向隆起。

2）基坑底法向應(yīng)力呈水平層狀分布，基底應(yīng)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(yīng)力與總應(yīng)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(shù)于開挖第3層時最小（為1.65），此時左側(cè)堰體階梯坡抗滑穩(wěn)定性最差，放坡開挖高度達(dá)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(dá)到最大。