开挖扰动及回淤作用下水下边坡稳定性研究

孟庆祥　隋洪瑞 李岩

摘要：水下基槽浚挖施工中，开挖扰动以及水底回淤现象会改变土体的天然应力场，使土体抗剪强度产生衰减，此时边坡稳定性计算仍采用原始的土参数并不合理。针对天津滨海新区中央大道海河沉管隧道工程，对水下边坡稳定性进行了数值分析，采用强度折减法对土参数进行适当折减，模拟水下基槽开挖和回淤作用对土体的扰动。分析表明：开挖扰动及回淤作用对边坡稳定影响显著，尤其在坡脚等易出现应力集中的位置，土体强度损失非常明显。

关键词： 水下边坡 开挖扰动 回淤 稳定性分析

研究背景

沉管隧道工程中，水下基槽浚挖施工不可避免地会改变周边土体的天然应力场，开挖扰动会使土的密实度变小、孔隙率增大，使土体抗剪强度产生衰减，因此采用原始土参数进行计算并不合理。根据国内外工程经验，开挖后边坡表层附近土体抗剪强度损失可达10%以上。如果同时考虑边坡表层回淤的淤泥质土的影响，强度损失则更为显著。但目前国内外在开挖扰动和回淤对水下边坡的稳定性影响方面并不多见。

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和东西沽地区，是沟通滨海新区中心商业区海河南北两岸的重要通道。路线全长4.3km，其中穿越海河255m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。为了保证水下浚挖施工安全，有必要考虑开挖扰动和回淤的影响。

计算模型的建立

本文应用有限差分软件FLAC3D进行了水下边坡稳定性分析，在计算中土体采用摩尔库伦本构模型。参照国内外研究经验，一般不考虑水下边坡土体的渗流问题，所以材料类型采用不排水材料，并选用平面应变模型。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135×30m。模型将土层化简为四层，见图1，并采用加权平均后的土参数进行计算。

图1 水下基槽模型

国内外很多学者研究认为：对于土质边坡，开挖扰动对土体的内摩擦角φ值有影响，而土体粘聚力c值几乎不变。内摩擦角是土粒间相对运动时摩擦作用的综合反映，开挖扰动使土体结构发生变化，导致土颗粒位置变化及土颗粒之间的胶结物错动，从而使内摩擦角降低。因此，本文对土参数进行适当折减，以模拟土体扰动，并借鉴强度折减法的基本原理，对土参数（即tanφ）进行了折减，折减后的φ`值为：

φ`=arctan（tanφ/K） （1）

K为抗剪强度折减系数，本文中分别取值1.05、1.075和1.1，并施加回淤荷载，进行边坡的稳定性分析。模拟基槽开挖完成后边坡的竖向、水平位移及应力分布等情况。

计算结果分析

开挖扰动/回淤后的水下边坡的部分数值模拟结果见图2。

（a）

（b）

（c）

图2 三种折减系数下边坡竖向位移（左）和最大变形速率（右）分布（a：K=1.05； b：K=1.075； c：K=1.1）

计算结果分析表明：開挖扰动对水下边坡的稳定性影响显著。一方面，土体强度损失会造成基槽的竖向和水平位移显著增加；另一方面，回淤现象会使基槽竖向荷载有所增加。在两者的共同影响下，边坡的稳定性大大降低，尤其在坡脚位置和坡度变化位置的土体变形速率显著增大。同时，安全系数随K的增大而逐渐减小，甚至可能接近或达到安全警戒值1.3。

现场试验开挖槽的监测数据也表明：开挖后很长时间边坡一直处于较大变形状态，直至3个月之后才逐渐稳定。同时，水下回淤作用也使边坡变形进一步增大，虽然在考虑开挖扰动对土体的影响后，边坡稳定分析结果仍能满足稳定性要求，但开挖扰动对边坡安全性的影响不可忽略。边坡发生破坏时，塑性区从坡脚向坡顶方向延伸，意味着边坡的破坏从坡脚开始，因此在水下基槽开挖时要特别注意坡脚的稳定性。

现场试验开挖槽的监测数据也表明：开挖后很长时间边坡一直处于较大变形状态，直至3个月之后才逐渐稳定。同时，水下回淤作用也使边坡变形进一步增大，虽然在考虑开挖扰动对土体的影响后，边坡稳定分析结果仍能满足稳定性要求，但开挖扰动对边坡安全性的影响不可忽略。边坡发生破坏时，塑性区从坡脚向坡顶方向延伸，意味着边坡的破坏从坡脚开始，因此在水下基槽开挖时要特别注意坡脚的稳定性。

结论

通过数值计算，本文认为水下基槽浚挖施工中，开挖扰动和回淤对边坡稳定性影响显著。为保证基槽边坡开挖能够满足边坡设计需要，施工工艺应采用分区、分层的方式，基槽边坡施工采用阶梯开挖法，在第一区浚挖后及时测量，根据测量结果，调整工艺参数，优化施工方案。在基槽开挖前应建立控制网，通过测量放线来确定基槽开挖范围。基槽开挖过程中，做好监控，定期测量基槽的深度、宽度和边坡坡率。密切关注基槽各位置（尤其是坡脚）是否出现滑动、塌方或回淤等情况，如果出现上述情况，应及时采取必要的应对处理措施。

参考文献

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