隧道与海堤交叉建设安全影响分析

薛招钱

（温州瓯江口产业集聚区开发建设促进中心，浙江 温州 325000）

1 工程概况

灵昆北堤四期工程标准堤位于瓯江河口南岸的灵昆岛北段，全长约772 m，设计防洪标准50 a一遇，设计潮位h2%= 5.22 m（1985国家高程基准，下同），建筑物级别为2级，工程西接灵昆北段标准堤二期工程，东终于灵昆老堤。其中桩号0 + 138 ～ 0 + 172 m段为与S2隧道衔接段。S2线过江隧道[1]位于瓯江北口大桥主桥下游150 ～ 200 m，北接乐清黄华，南抵温州灵昆岛。隧道全长2 706 m，断面结构形式为圆形隧道，隧洞外径14.50 m，壁厚60 cm，隧道穿越标准堤段顶高程为- 20.80 m。项目区位见图1。

图1 项目区位图

拟建场地无活动断裂通过，地质构造较简单，地质构造较简单，总体稳定性较好。根据钻孔揭露，结合现场原位测试与室内土工试验成果，项目所在场地在勘探深度范围自上而下划分有4个工程地质组成主层，9个工程地质亚层。分别是：①0杂填土、①黏土（al - lQ3 4）、②1含砂淤泥（al - mQ42）、②2淤泥（mQ42）、③1含砂淤泥质黏土（mQ41）、③2粉细砂（alQ32）、④2黏土（al - lQ32）、④3粉砂（alQ32）、④4卵石（alQ32）。

2 S2隧道衔接设计情况

2.1 S2隧道处设计断面

S2过江隧道与标准堤堤轴线相交，交角为87.79°，隧道采用圆形隧道的结构形式，隧洞外径14.50 m，壁厚60 cm，采用盾构法施工。穿堤段隧道顶高程约- 20.80 m。

2.2 S2隧道处海堤断面设计

标准堤桩号0 + 138 ～ 0 + 172 m段设计长34 m的灌注桩基础空箱整体跨越S2隧道。空箱的两端在平行隧道方向各设置2排密排C30钢筋混凝土钻孔灌注桩承受空箱堤身荷载，每排钻孔灌注桩共有9根，桩长60 m，桩间距1 m，直径80 cm。

堤身范围内布置水泥搅拌桩加固地基并隔离隧道施工期，为减小运行期对堤防的不利影响，空箱外侧设2.50 m宽大块石护脚。为满足堤身整体稳定要求，在空箱中间沿堤轴线方向设1排密排抗滑桩，桩长15 m，桩间距1 m，桩径80 cm。具体断面见图2。

3 盾构施工对S2隧道穿堤防的影响分析

S2线隧道盾构施工，允许地面沉降值为+10 ～ - 30 mm，故应充分考虑隧道穿越海堤处相关地基处理措施，尽量避免隧道施工对海堤工程的不利影响。

3.1 S2隧道掘进对堤防整体稳定安全分析

隧道工程穿越堤防时，隧道的外顶标高为- 17.13 m，中心标高为 - 28.05 m。盾构施工对大堤可能会产生一定影响。因此，选取隧道堤段作为典型分析对象开展分析。

图2 空箱结构纵断面图 单位：cm

根据郑钧[2]等人对上海已建轨道交通盾构掘进施工对土体影响的现场实验研究表明，隧道盾构施工对周边土体产生扰动，影响最为严重的是隧道所处的第②2层淤泥和第③1层含细砂黏土，其次则为隧道上方的第②1层含砂淤泥。在盾构盾尾脱离管片时，上述土层的物理力学性质参数将明显下降，下降幅度在15% ～ 50%。在此，将第②2层和第③1层土的c、φ值折减20%，第②1层土的c、φ值折减15%，其余层土的c、φ值折减10%来考虑盾构掘进对大堤整体稳定的影响[3]。各土层物理力学指标建议值见表1，稳定计算水位组合及安全系数要求见表2。

表1 各土层物理力学指标建议值表

表2 稳定计算水位组合及安全系数要求表

表3 盾构掘进前后大堤整体滑移稳定安全系数表

在考虑土体扰动引起土体物理力学性质下降的影响后，复核盾构施工后的大堤边坡整体抗滑稳定，施工前后大堤整体稳定安全系数见表3。

由表3可知，盾构施工前，大堤滑移稳定安全系数满足GB/T 51015 — 2014《海堤工程设计规范》要求，考虑隧道穿越对周边土体扰动影响后，大堤的整体滑移安全系数有所下降，但在规范容许最小安全系数内。

3.2 堤身渗透稳定计算

堤坝的渗流问题通常用平面问题模型[4]来处理，稳定渗流有限元法计算公式：

式中：{h}为渗总水头向量；[K]为向透水系数矩阵；{Q}为数流量向量。

渗透破坏类型，主要依靠土体材料和允许的渗透坡降进行判别。对于允许渗透坡降的确定，按照GB 50487 —2008《水利水电工程地质勘察规范》流土型采用公式：

式中：Jcr为土的临界坡降；GS为土的颗粒密度与水的密度之比；n为土的孔隙率（%）。

渗透破坏一般发生在渗流的逸出处，因此一般情况下只需验算出逸点的渗透坡降即可。经初步估计，出逸点应在②1层淤泥加砂，可能发生渗透破坏的类型为流土型，根据本工程地勘察成果和公式（1）计算得，临界渗透坡降为Jcr= (GS-1)(1-n) = 0.68。安全系数取2.0的情况下，其允许坡降为0.34。

由于本工程围堤内陆侧无水系，地下水位与外海低潮位差值较小，而外海高潮位工况下的顺堤渗流为最不利工可，因此，本次计算堤防外侧水位取50 a一遇潮位5.22 m，内侧取地下0.50 m，计算堤身防渗稳定。顺堤渗流稳定计算流网见图3，渗流稳定计算结果见表4。根据计算结果可知，堤身渗流稳定满足规范要求。

图3 顺堤渗流稳定计算流网图

表4 各断面渗流稳定计算结果统计表

3.3 隧道掘进对标准堤沉降影响分析

本次分析采用plaxis2D有限元软件[5]进行模拟计算，分析隧道施工对隧道穿越堤防段的影响。

3.3.1 模型分析

有限元数值计算中土体采用基于Mohr - Coulomb的HSS高级土体行为模型。盾构管衬砌采用线弹性材料模拟，盾构TBA管采用板材料模拟。隧道建造全过程模拟：通过有限元软件的“单元生死”模拟隧道建设的施工过程，根据地铁隧道工程施工顺序模拟隧道建造全过程。

3.3.2 网格划分

计算采用等三角形十五节点平面单元模拟土体与墙体，该单元提供4阶位移差值，数值积分采用12高斯应力点，对工程问题能得出精度较高的应力计算结果。

模型边界条件是位移边界，两侧水平约束；底部固定约束。

3.3.3 计算结果分析

隧道建造过程后对大堤空箱及地表土体位移的影响结果分析。

通过模型计算，当土体损失率[6]为0.4%时，得到盾构掘进后空箱及土层位移变形图（见图4）、空箱底板的位移变形图（见图5）、盾构掘进后钻孔灌注桩轴力图（见图6）以及隧道正上方堤顶沉降曲线图（见图7）。

图4 盾构掘进后空箱及土层位移变形图（0.4%土层损失）

图5 空箱底板的位移变形图（0.4%土层损失）

图6 盾构掘进后钻孔灌注桩轴力图（0.4%土层损失）

图7 隧道正上方堤顶沉降曲线图（0.4%土层损失）

根据上述分析，当土层损失控制在0.4%时，盾构掘进后引起空箱底出现最大沉降量为22.2 mm，盾构掘进对大堤的影响比较小。

4 结论及建议

从计算结果得出，施工单位需合理组织施工，严格将土层损失控制在0.4%以内。建议加强施工期间原位观测[7]，包括地表沉降、地基分层沉降、水平位移、水位等方面，保证工程安全，控制施工质量；做好结构差异沉降的处理措施，特别是堤后闭气土方区域与桩基筏板框架结构之间的差异沉降。