海中深厚软土地基里隧道明挖法施工截流围堰方案比选及稳定性分析

彭长胜，黄 胜，闫鹏飞

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 水下隧道湖北省工程实验室，湖北 武汉 430063; 2.同济大学 土木工程学院，上海 200092)

海中深厚软土地基里隧道明挖法施工截流围堰方案比选及稳定性分析

彭长胜1，黄 胜1，闫鹏飞2

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 水下隧道湖北省工程实验室，湖北 武汉 430063; 2.同济大学 土木工程学院，上海 200092)

依托澳门大学专用过海通道明挖法隧道工程，对海中深厚软土地基里明挖法隧道采用截流围堰法施工的适用性进行了分析，并通过施工方案比选确定采用固化模袋土堤截流围堰方案。建立三维弹塑性数值计算分析模型，对所选方案截流围堰的稳定性及其安全系数进行了基于强度折减法、考虑流—固耦合的数值分析。分析结果和施工实践均表明，设计及施工方案满足规范要求，能够保证施工安全。

围堰 海中深厚软土地基 适用性 方案比选 强度折减法 流—固耦合

围堰是在河道中修建的临时建筑物，用以维护永久性水工建筑物的施工，使之在不受河道水流影响的条件下进行施工。围堰为基坑内的干作业施工提供保障，直接关系到主体建筑物的施工安全、工期及造价。因而其稳定性对于整个工程极为重要［1］。

作为临时性建筑，大多数围堰都要在永久性建筑修建完成后拆除，具有施工难度大、工期紧、河床覆盖层清挖工作量大、防渗要求高等特点。围堰的稳定性及其防渗能力是工程设计研究的重点和难点。

近年来，有限单元法、有限差分法等计算方法在岩土工程渗流与稳定分析中得到了推广和重视。文献［2-8］利用FLAC3D，GeoStudio等数值分析软件，对三峡二期工程围堰渗流稳定性、溪洛渡水电站上游围堰等进行了研究，得出了对围堰设计和施工有指导性意义的重要结论。但是，目前对海中深厚软土地基明挖法隧道采用截流围堰法施工的研究还较少见。

本文依托横琴岛澳门大学新校区专用海底隧道工程，研究海中深厚软土地基明挖法隧道采用截流围堰法施工的适用性，并进行了施工方案比选，结合优选后的围堰方案，建立弹塑性三维数值分析模型，对截流围堰的稳定性及其安全系数进行了基于强度折减法、考虑流—固耦合的数值分析，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

横琴岛澳门大学新校区海底隧道工程西起于澳门大学横琴校区规划环岛路，下穿十字门水道，东至澳门路环莲花海滨大马路，是为服务于澳门大学横琴新校区而新建的专用过海通道，起到了连接横琴岛校区与澳门的作用，海峡浅平，宽约 500 m，水深约 0.7～3.8 m。

过海隧道全长1 528 m，为两条分离式隧道。其中K0+000—K0+150为路基开挖段，长 150 m;K0+ 150—K0+370，K1+400—K1+528为隧道引道 U型槽段，长度分别为120，128 m;K0+370—K1+400为隧道工程段，长 1 030 m。隧道设计顶板高程约－16.26～5.57 m，底板高程约－26.36～2.01 m。

2 施工方案

2.1 截流围堰适用性分析

盾构法、沉管法是修建海底隧道的主流工法，适用于长距离水下隧道的建设。目前沉管隧道单个管节长度可达200 m以上。盾构法修建的隧道如果长度不超过10 km则很难保证其经济效益。

拟建海底隧道长度较短，所处水域水深较浅，隧道埋深不大，盾构法和沉管法均不适用此工程项目，因此采用截流围堰结合明挖法进行主体隧道结构施工。

围堰坐落在第四系全新世海陆交互相沉积层上，表层淤泥层厚3.90～17.30 m，平均厚度10.63 m，为高压缩性土，其次为黏土、淤泥黏土。

2.2 截流围堰方案比选

对固化模袋土堤围堰及施工土堤围堰两种方案进行比选，详述如下。

1)固化模袋土堤方案。固化模袋土堤方案堤身典型断面结构如图1所示。堤身采用固化模袋土。围堰采用斜坡式结构，堤顶宽度6 m，堤顶高程2.94 m，海堤内外侧坡比均为1∶2。根据不同区域的波浪情况，围堰外侧采用厚度300 mm浆砌块石护面。

图1 固化模袋土堤方案典型断面(单位:mm;高程单位:m)

2)施工土堤方案。在隧道施工范围内做一条高出水面的施工辅助土堤，土堤顶宽约65 m，隧道围护结构直接在土堤顶上施工，然后再从土堤顶往下开挖到基坑底。该方案基坑深度比固化模袋土堤方案深约7 m，最深处达32 m。施工土堤方案堤身典型断面结构如图2所示，堤身采用固化模袋土。

图2 施工土堤方案典型断面(单位:mm;高程单位:m)

3)方案对比

两种方案对比见表1。综合考虑各种因素，采用固化模袋土堤方案。

2.3 截流围堰结构设计

围堰平行于海底隧道两侧布设。隧道北侧挡水围堰长494 m，隧道南侧挡水围堰长533 m。围堰属于临时建筑物，建筑物等级为4级。堤顶高程4.33 m，堤顶宽度6 m，原泥面高程0～－4.90 m，围堰高4.33～9.23 m。迎水坡和背水坡坡比均为1∶2，背水面、迎水面抛填袋装砂。在0.94～1.94 m高程处设置平台，平台宽度背水面为10 m，迎水面为8 m。在围堰底部设一层单向土工格栅。

表1 围堰方案对比

围堰防渗采用迎水面铺设一层防渗复合土工膜和堤身设单排垂直铺塑防渗帷幕墙的防渗结构。围堰弯折及与两侧堤岸连接处防渗帷幕采用高压旋喷桩防渗帷幕，围堰弯折处采用单排套接，两侧堤岸连接处采用双排套接，桩径为100 cm，桩间距为80 cm。高压旋喷桩设计渗透系数为(1～9)×10－6cm/s;垂直铺塑防渗帷幕设计渗透系数为(1～9)×10－12cm/s。

2.4 截流围堰地基加固

在充填袋装砂堤围堰之前需对地基进行处理。在原泥面铺设土工格栅及土工布;吹填砂被2层(约1 m

厚);打设塑料排水板，穿过围堰的淤泥层，排水板间距为1.0 m，按正方形布置;充灌充填袋装砂形成堤身。加载210 d后淤泥层沉降固结度应达到70%以上。施工中采用分级载入，结合检测结果调整加载速率，确保围堰稳定。施工时应保证塑料排水板不扭曲。

对堤高超过7.83 m的围堰，在围堰内侧采用水下深层水泥搅拌桩加固堤脚处淤泥。水泥搅拌桩桩径为1 000 mm，按1.6 m×1.6 m间距布设。水泥搅拌桩采用水泥、外加剂和水的拌合体(水泥浆液)作为固化剂，水泥宜选用强度等级32.5以上。

3 截流围堰稳定性分析

围堰稳定性和渗流分析计算断面选在具有代表性的水道中央段。由于结构及边界条件的对称性，为减小计算规模，选取半结构(一个围堰截面)进行计算。

计算时围堰主体结构按照弹性模型计算，地层按照弹塑性模型计算。参考基坑勘察报告，选取如表2所示的材料参数。

表2 模型材料力学参数

3.1 基于强度折减法的围堰稳定性分析

土坡的安全系数定义为把强度指标减小到边坡临界破坏时的强度指标折减的系数。黏聚力 c、内摩擦角φ按下式进行折减［9-12］。

式中:c'，φ'分别为折减后的黏聚力和内摩擦角;Ftrial为试算的安全系数。

通过不断地调整土体的c，φ值对土坡进行分析，直至其达到临界破坏，此时得到的折减系数即为安全系数。通过FLAC3D的分析和后处理可很快找出滑裂面。此方法的优点是安全系数可直接求出，不需要事先假设滑裂面的形式和位置。另外可以考虑土坡渐进破坏过程和变形对稳定的影响。

根据上述强度折减法基本思想，在FLAC3D中自行编制求解围堰安全系数的程序，计算得到安全系数为1.107，该安全系数大于《水利水电围堰设计导则》［13］中规定的安全系数(1.05)，说明该围堰的整体稳定性满足要求。

计算结果显示，在整体模型右侧边界的上部产生了方向向上的速度矢量，表明塑性流动沿着人工边界发生。这是不真实的速度矢量，其原因是破坏机制受到了人工边界的限制。

3.2 考虑流—固耦合的围堰稳定性分析

为了真实模拟水流对围堰的实际作用，考虑流—固耦合作用，在FLAC3D中建立该围堰的整体三维模型进行计算。

按照流—固耦合的基本原理计算得到的围堰整体塑性区分布如图3所示，围堰的渗流孔隙压力分布如图4所示。

图3 考虑渗流作用时围堰整体塑性区分布

图4 围堰的渗流孔隙压力分布

由图3可知，活性塑性区域只在模型左边界上表面零星存在，并没有形成连续的区域，说明此时围堰没有发生破坏，是稳定的。由图4可知，围堰表面的浆砌石护面及中央底部的搅拌桩加固体起到了很好的防水和挡水的作用，迎水侧的渗流力并未穿透围堰加固体。

4 结论

1)对于长度较短，所处水域水深较浅的浅埋海底隧道，采用截流围堰施工方法是合理的。

2)通过围堰方案比选，拟建海底隧道采用了固化模袋土堤施工方案。所设计的固化模袋土堤截流围堰，经基于强度折减法、考虑流—固耦合的数值分析，满足围堰的整体稳定性要求。

3)固化模袋土堤截流围堰在澳门大学过海明挖法隧道的施工中保证了工程的安全，效果良好。

［1］匡林生.施工导流及围堰［M］.北京:水利电力出版社，1993.

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［13］中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 5087—1999水利水电工程围堰设计导则［S］.北京:中国电力出版社，1999.

(责任审编 李付军)

TU447;U459.5;U455.49

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.16

2015-03-04;

:2015-04-26

彭长胜(1979— )，男，江西修水人，高级工程师。

1003-1995(2015)09-0053-04