太湖隧道临时大堤设计施工关键工况安全评估研究

顾晓彬，龚济平，胡小波，孟开醒

（1.中交第三航务工程局 南京分公司，江苏 南京 210011；2.中交上海港湾工程设计研究院有限公司，上海 200032）

引 言

明挖法水上公路隧道施工项目，太湖隧道由陆域进入水域后，需将原有十里明珠堤拆除。为了满足施工期内的防汛要求，需要在原大堤外侧，顺接破堤口修筑一道临时大堤，作为陆上与水上施工的交接部位，兼具防洪挡水挡土要求。运用信息化和数值分析的手段，对临时大堤各个关键工况进行模拟与安全评估，对工程质量控制、实现科技信息集成，提升项目整体技术安全储备，强化质量安全意义重大。

1 工程概况

苏锡常南部高速公路常州至无锡段工程路线全长43.90 km，采用隧道方式越过太湖梅梁湖，隧道全长10.79 km。太湖隧道隧址区大部分位于太湖湖荡平原区，地势低洼，水网稠密，由西南向东北微倾，陆域段地面高程为0～3.50 m，湖域段湖底高程在-0.85 m左右。

其中示例工程段长5.6 km，路线自西向东依次跨越六里河、下穿陆马公路、东环堤河和太湖大堤。施工内容包括：路基工程、隧道工程、桥梁工程和房建工程，其中隧道全长 5.4 km，包括太湖隧道敞口段290 m，暗埋段5 120 m。

1.1 工程地质

本标段属太湖湖荡平原区及山间平原亚区，表层局部段落分布1-2层淤泥、淤泥质粉质粘土，上部为2-1层硬可塑粉质粘土和2-2层可塑的粘性土层，其下连续分布2-3层粉土，中上部个别段落揭示2-4层淤泥质粉质粘土，往下依次为3-1层硬可塑状、3-2层软塑状、4-1层硬塑状粘性土层，主要土层的物理力学指标自西向东逐渐变好。其中对工程影响较大的为1-2淤泥质粉质粘土和2-4淤泥质粉质粘土，根据施工现场揭露情况，其原状土具有一定的直立性，扰动后呈现明显的流塑状态，土质均匀，有机质含量较低，干燥后较坚硬。

表1 各地层渗透系数

1.2 水文地质

太湖隧道线路经过的主要河流为太湖，属太湖水网系，地表水系发育，隧道经过太湖梅梁湖段长约10.8 km，太湖梅梁湖区域生态环境敏感，直接影响项目的可实施性。项目区内地下水类型主要为松散岩类孔隙水，主要由第四系全新统冲积～洪积层和湖沼沉积层含水层组。勘察期间陆域钻孔揭示地下水稳定水位埋深0.90～2.30 m，稳定水位高程为1.95～2.80 m。湖区段地表水勘察期间高程为1.65～3.45 m，地下水位与地表水基本一致。据太湖局水文资料显示，太湖防汛水位为3.50 m，多年平均水位在3.05 m。

2 临时大堤设计施工关键工况模拟

太湖隧道穿过十里明珠大堤后进入太湖，需要对原有的大堤进行拆除，为了满足3年施工期内的防汛要求，特在原大堤外侧，顺接破堤口使用钢板桩修筑了一矩形临时大堤，作为陆上与水上施工的交接部位，兼具防洪要求、挡水要求、挡土要求，具有非常重要的功能，是工程的首要安全控制点。平面及纵剖面布置如图1、图2。

图1 临时大堤段平面

图2 临时大堤段断面示意

针对临时大堤段，我部首先深入分析设计施工方案，使用C3D等信息化软件建立主要结构的模型，而后对临时大堤段的主要设计施工方案进行模拟，图 3为根据设计施工方案建立的临时大堤段三维模型。

图3 三维设计施工模型示意

通过对模型的反复推演和分析，结合现场已经开始施工的部分工序情况，得到临时大堤段内部影响施工安全的几个关键部位为：

1）临时大堤段横向基坑开挖：临时大堤段为了形成由水上到路上的施工便道，横向设置了双围堰，内侧围堰距离基坑开挖外边线较近，基坑一旦开挖势必对内侧的围堰产生向内侧倾斜的影响。

2）临时大堤段角点：临时大堤角点受多向应力集中交汇的影响，主要受内外压差作用，容易产生应力集中点，对局部的钢板桩、拉杆和围檩等结构产生不利的影响。

3）十里明珠大堤破堤：十里明珠大堤破堤后，临时大堤和原大堤存在交口，主要由半圆形的裹头围堰进行连接和围护，该部分受力复杂。

图4 关键点三维示意

3 关键工况的安全评估

通过建立三维模型对设计施工方案的分析研究，对临时大堤有了较为全面的认识，在对各个安全点逐一推演分析的过程中发现，临时大堤侧向基坑开挖可能存在较大的风险，因此针对这一点进行详细的理论和有限元模拟分析，力求从计算的角度对该工况进行施工安全稳定性评估。

建立临时大堤侧向基坑开挖有限元模型（图5）。通过有限元模型的变形趋势和强度折减法对最危险工况的整体稳定性分析可看出，临时大堤段二级坡与三级坡之间存在潜在的滑动面且整体稳定性安全储备不足，故而需要对该处设计施工方案进行复核。

图5 临时大堤初步设计方案有限元模型

图6 基坑开挖工况变形趋势

在有限元分析的基础上，使用工程软件建立二维模型，对临时大堤侧向基坑开挖断面进行复核。计算中对围堰-基坑围护体系进行一定程度的简化，建立的计算模型及整体稳定性滑弧如图7所示。二维滑动计算结果显示临时围堰侧有向基坑内整体滑动的趋势，且整体稳定安全系数较低。

图7 理论计算开挖至-21.50 m工况

经过有限元强度折减法和工程软件的理论建模，对基坑边坡及基坑整体进行了计算分析，得到基坑上部放坡处的安全稳定性系数偏低的结论，且内侧围堰滑动面穿过基坑边坡，围堰-基坑存在连锁破坏的可能性，违背了围堰-基坑设计中要求二者之间无大的稳定性滑动联系的原则，给施工带来了较大的隐患。

4 设计施工方案的优化

根据安全评估的结果，对临时大堤侧向基坑开挖的方案重新进行了计算与设计。基坑支护方案断面如图 8：支护由两道改为了三道，放坡由两级改为了一级。并且对内外侧围堰之间的填土进行了削坡处理，以求减小围堰内填土对围堰产生的侧压力影响。

对修改后的临时大堤基坑开挖工况进行有限元分析发现，减少一级放坡增加一道支撑以后，整体滑动趋势线由基坑边坡上穿出的概率大大减小，主要滑出部位位于基坑边便道，由于便道硬化和施工荷载作用，对滑动土体起到反压作用。

图8 修改后的临时大堤有限元计算断面

图9 整体变形趋势

同时使用工程软件，对围护体系的整体稳定性进行复核，分析时对临时围堰-基坑整体结构进行简化，建立计算模型如图10所示。

图10 修改后的临时大堤理论计算断面

通过理论计算结合有限元整体分析，设计方案修改后的临时大堤方案整体稳定性满足规范要求，监测数据及现场均反映良好，围堰-基坑施工关键工况处于安全可控状态。

5 结 语

紧跟信息化施工的大潮，我部在太湖隧道率先开展了针对水上围堰基坑施工关键工况的信息化模拟及安全评估，应用三维信息化建模软件对太湖隧道水上深基坑施工的各个关键工况进行模拟，根据安全评估成果对设计方案进行相应的修改，临时大堤方案调整后整体稳定性系数大幅提升，最新的施工监测和现场状况表明临时大堤段围护结构安全可靠，研究得到结论如下：

1）通过对水上深基坑关键工况进行详细的模拟和推演，可初步分析出工程中的各个主要危险部位为：临时大堤横向深基坑开挖、双排钢围堰角点和原大堤的破除与围护；

2）根据三维模型的推演结果，通过数值和理论计算分析，可评估出各关键施工工况中最为危险的工况为临时大堤横向深基坑的开挖；

3）通过对最危险工况潜在安全风险点的深入研究，修改得到满足设计施工安全要求的方案；

4）施工中结合实时的监测数据，根据修改后的设计施工方案进行实施，可有效避免事故的发生，提升项目整体的施工安全等级。

立足标准化、绿色化、信息化、精细化的管理理念，以信息化技术为主要的安全评估手段，在太湖隧道水上深基坑施工关键工况模拟与安全评估研究中，发挥中交三航局等单位的水上施工优势，定能打造新时代我国领先水平的品质、绿色、安全、舒适工程。