沉管隧道管段沉放后基槽应力与变形分析

隋洪瑞 朱世柱

(天津海河下游开发有限公司，天津 300457)

沉管隧道管段沉放后基槽应力与变形分析

隋洪瑞 朱世柱

(天津海河下游开发有限公司，天津 300457)

基于海河沉管隧道工程，建立了数值分析模型，对沉管法施工过程中基底回弹规律进行了研究，通过总结管段荷载作用下基槽土体的受力变形情况，提出了控制基底回弹的措施。

沉管隧道，水下基槽，基底回弹，数值模拟

1 研究背景

水下基槽开挖完成后，需要在基底沉放预制管段，并覆盖部分土石作为管段保护层。由于上部开挖淤泥和水底覆土的自重通常会大于管段和回填覆土的自重之和，因此在管段沉放、上部回填后，作用在沟槽底面的荷载不会因沉放管段而增加，反而有所减小。这有可能造成沉管段在放置后位置发生变化，导致各管段间出现不均匀变形，管段之间的连接段发生裂缝甚至破坏。目前，国内外对地基土体在管段荷载作用下的变形问题研究并不多见，因此，对水下基槽开挖后基底的稳定性进行研究，具有重要的工程意义。

中央大道海河隧道工程是天津市滨海区中央大道穿越海河的重要节点工程，位于天津市滨海新区于家堡中心商务区，是沟通滨海新区中心商务区海河南北两岸的重要通道，其中穿越海河255 m采用沉管法施工工艺。穿越土层主要为淤泥质土，局部为力学性质较差的粉质粘土、粘土夹层。沉管段长255 m(三节)，采用轴线干坞、南案干接法施工，沉管段断面为36.6 m×9.65 m，主体结构分为单层及双层框架形式。

针对海河隧道沉管管段沉放的实际工况，选择了实际开挖的试验段基槽，建立“基槽开挖完毕→管段沉放稳定→覆土回填、沟槽底面处理完成”等三个施工阶段的数值分析模型，比较分析沉管法施工全过程中基底承载力的变化趋势，探求基槽各位置(重点是基槽底部管段沉放区域)的变形规律。在数值分析和现场监测数据的基础上，总结基于管段荷载作用下基槽土体的受力变形情况，提出适合施工场地环境的基槽处理方法，为类似环境下的工程提供科学借鉴。

2 分析模型的建立

本文采用有限差分程序FLAC3D作为分析工具，计算中土体采用摩尔库仑本构模型。根据工程实际情况，选取了最不利的断面，利用对称原理，以基槽中心为边界取一侧边坡进行建模，尺寸为70 m×16 m。模型将土层化简为四层，采用加权平均后的土参数进行计算。分析充分考虑了施工过程对计算结果的影响，尽可能按照基槽的实际开挖步骤和各项工程处理措施进行各阶段的划分，研究构建了基于“基槽开挖→管段沉放→覆土回填”的开挖施工全过程，建立分析模型，分析具体步骤如下：

1)模拟开挖基槽区域原始地应力场；

2)开挖基槽第一层土体(厚3 m)，边坡第一层土体强度折减；

3)开挖基槽第二层土体(厚1 m)，边坡第二层土体强度折减；

4)开挖基槽第三层土体(厚4 m)，边坡第三层土体强度折减；

5)施加管段荷载和回填土荷载。

基槽开挖完毕，待基槽底部和边坡位置土体稳定后，在基槽底部沉放管段位置施加竖向管段荷载，再施加竖向回填土荷载。参考现场施工监测数据和国内外研究成果，分析中取管段结构及附属设施荷载共计39 kN/m3，回填土浮容重11 kN/m3，回淤土容重5.6 kN/m3。从偏安全考虑的原则出发，将回填土和回淤土荷载施加范围设置为整个模型区域。在施工各阶段的分析过程中，提取基槽底部管段沉放区域各个位置(管段边缘、中部及边坡坡角等位置共布置5个数据监测点)的应力、位移的变化数据，并与试验槽现场监测数据进行比较分析，总结基于管段荷载作用下基槽土体的受力和变形情况。

3 计算结果与分析

各施工步骤的计算结果见图1。

分析开挖全过程中应力和变形的计算结果，边坡竖向位移变化的规律性较明显，各个位置土体随开挖的竖向位移逐渐增大；在开挖面附近特别是坡角位置的土体，发生了比较明显的水平位移，这很可能造成坡角滑移，导致整个边坡失稳。应力分布随开挖的进行，基槽底部向上的竖向应力逐渐增大，应力最大位置出现在中间平台和第二层边坡的交界位置，这说明在边坡坡度变化位置容易出现应力集中现象。

基槽内部土体发生回弹的范围逐渐扩大，主要发生在基槽底部，另外在第二层边坡平台位置的土体也发生了回弹现象。而在管段沉放之后，管段和回填土体对基槽底部施加附加竖向荷载，此时回弹现象发生范围并未明显减小，回弹量变化亦不明显。这说明管段自重和回弹土自重不足以平衡基槽底部土体竖直向上的回弹应力。根据国内外经验，施工中可以在管段上方压载混凝土，以加大竖向附加荷载的方式，减小基底回弹对沉管结构的影响。

为了验证采取措施的合理性，研究对采取措施后基底回弹情况进行了进一步的数值分析，在前述分析模型和分析步骤的基础上，在施加管段自重和回填土竖向荷载后，继续逐步增大在基槽沉管段施加竖直向下的荷载，以平衡土体回弹应力。当施加的荷载达到20 kPa时，回弹土体范围明显减小，见图2。

鉴于现有测试技术很难精确测定水下基槽开挖后的回弹量，本研究选取了受到回淤影响较轻的试验基槽某断面监测数据，与数值计算结果进行了定性比较分析。试验槽内部04号断面位于管段沉放区域中心线附近，走向呈东西方向。由于该断面位置距离试验槽两侧边坡较远，均为15 m左右，故水下试验槽开挖时该断面受到回淤作用的影响相对较小。监测数据见图3。

将试验槽开挖监测数据和计算分析数据进行比较，结果表明：在回淤现象影响较小的区域，基槽变形规律与计算结果所得规律相似。随着开挖过程的不断进行，基槽底部土体逐渐被清除，基槽底部各位置土体回弹量迅速增加。即使边坡稳定、管段回填和上部覆土回填后，基槽底部回弹量仍保持较快速增大趋势，直到施加附加荷载达到20 kPa以上时，土体回弹量增加量才趋于稳定。

4 结语

1)考虑施工过程，按照试验槽的实际开挖步骤和工程处理措施，构建了基于“基槽开挖→管段沉放→覆土回填”的开挖施工全过程，进行数值分析。分析结果表明：在坡角位置，土体发生水平滑移的可能性增大；基槽底部向上的竖向应力逐渐增大，在边坡坡度变化位置，土体容易出现应力集中现象。

2)基槽内部位置土体发生回弹的范围逐渐扩大，主要发生在基槽底部。在管段沉放之后，管段和回填土体对基槽底部施加附加竖向荷载，此时回弹现象发生范围并未明显减小，回弹量变化亦不明显。这说明管段的自重及回弹土的自重之和不足以平衡由于土体开挖所造成的基槽底部土体竖直向上的回弹应力。

3)通过以上分析结果，结合现场施工情况，本文提出两点建议：a.实际开挖工程中，对开挖面和坡角位置的土体应加强位移和应力监测，并采取有效加固措施预防边坡坍塌；b.管段沉放和上部覆土回填后，为进一步控制基槽底部土体回弹，施工中可以在管段上方压载混凝土，以加大竖向附加荷载的方式，平衡土体回弹应力，减小基底回弹对沉管结构的影响，建议附加荷载值大于20 kPa。

[1] 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出版社,1995.

[2] 刘国彬,黄院雄,侯学渊.基坑回弹的实用计算法[J].土木工程学报,2000,33(4):61-67.

[3] 陈 郁,李永盛.基坑开挖卸荷引起下卧隧道隆起的计算方法[J].地下空间与工程学报,2005,1(2):91-94.

[4] 陈 郁,张冬梅.基坑开挖对下卧隧道隆起的实测影响分析[J].地下空间,2004(12):748-751.

[5] 程栋栋,孙立强.干坞开挖状态下基底承载特性研究[J].中国港湾建设,2010,3(6):25-28.

On analysis of foundation trench stress and deformation after tabulation sinking of tunnel with immersed tubes

SUI Hong-rui ZHU Shi-zhu

(Tianjin Haihe Downstream Development Co., Ltd, Tianjin 300457, China)

Based on the sunk pipe tunnel project along Haihe, the paper establishes the numeric analysis model, researches the base resilience law in the construction process of the sinking pipe method, and points out the measures for controlling the base resilience according to the summary of the stress deformation of the foundation trench soil body under the pipe section loading.

sinking pipe tunnel, underwater foundation trench, foundation trench, numeric simulation

1009-6825(2014)36-0153-02

2014-10-15

隋洪瑞(1973- )，男，高级工程师； 朱世柱(1981- )，男，工程师

U455.46

A