（岩土工程专业论文）沉管隧道工程干坞及岸壁保护结构稳定性研究.pdf

摘要 沉管法作为一种较先进的水下隧道修建方法，越来越受到各国工程界的重 视。该项技术涉及了岩土工程的许多重要课题，土壤的性质在隧道建设中处于不 断变化的状态，稳定计算模式需要考虑的因素复杂。虽然欧美及日本已经有不少 成功应用该工法的实例，我国上海、广州和宁波等地区也有少量类似工程，但目 前世界各国均无相关规范指导设计施工，国内外工程界对该工法的研究仍处于经 验总结阶段，沉管法中仍然存在一些岩土工程问题需要进一步的研究。本文密切 结合实际工程，主要在以下几个方面进行了研究探索： ( 1 ) 沉管隧道的干坞工程作为管段浇筑的场所具有占地面积大、暴露时间 长等特点，并且在整个沉管工程的过程中需经历开挖、充水、再排水的复杂过程， 其中涉及到土体的卸荷、扰动、浸润、水压力变化、渗流力作用、孔隙水升降等 一系列的复杂作用，其力学特性变化很大，使边坡稳定性分析非常复杂。本文对 干坞工程边坡各个工况下的稳定性进行了祥细的分析，总结出边坡在不同工况下 的稳定性分析方法。 ( 2 ) 沉管法中干坞和水下基槽的开挖会使基底土体处于卸荷状态，其力学 参数与正常加荷试验结果有所不同。本文通过室内试验对土体的卸荷强度参数进 行了测试分析，得出了卸荷比和影响深度，并将试验结果应用于有限元分析，计 算了地基土体在卸荷状态下的承载力和变形情况。 ( 3 ) 岸壁保护结构在施工的过程中将处于多种复杂工况，其受力条件变化 很大，并且格构式地下连续墙的结构形式复杂，空间尺寸差异较大，无法采用常 规的方法进行分析。本文采用规范法与有限元法，分析了格构式地下连续墙在不 同工况下的稳定性及受力变形情况。 ( 4 ) 本文对a b a q u s 软件进行二次开发，采用d u n c a n _ c h a n g 模型模拟地基 土体，对干坞、基槽、岸壁保护结构体系施工对周围环境的影响进行了分析，分 析结果与实测吻合较好，能够较真实的反映工程实际。 ( 5 ) 研究成果已作为天津海河隧道工程的设计和施工的依据，也可为北方 地区的类似工程参考。 关键词：沉管法；边坡稳定；基底承载力；岸壁保护结构；环境影响；三维有限 元分析 a b s t r a c t i n n e r s e dt u b em e t i l o di so n e0 ft h em 0 s ta d v a n c e dc o n s 仃u c t i o nm e t h o d sf o r b 西1 d i n gu n d e 刑a t e rt u n n e l s am m l b e ro fg e o t e c h n i c a le 1 1 9 i 1 1 e e r i i l gp r o b l e m sa r e m 0 1 v e di 1 1s u c hk i l l do fp r o j e c t s t h es o i lp r o p e n i e sa r ec h 锄g e a b l e 枷n gd i 虢r e n t p e r i o d so fc o n s t n l c t i o 玛a n dm a n yc o m p i i c a t e df l a c t o r sm u s tb ec o n s i d e r e d i i l a i l a l y z i n gt 1 1 es t a b i l 毋o ft l l ef o u n d a t i o ns y s t e m a l t h o u 曲s e v e r a lc a i s s o nt 咖e l s h a v eb e e nb u i h ，n oc o d ef o rg u i d i i l gd e s i 萨a n dc o 删【m c t i o nw a sd e v e l o p e d s e v e r a l g e o t e c h l l i c a lp i 、0 b l e r n si i lc a i s s o nn 哪e 1e n g i i l e e 血gs t i l ln e e dt ob e 觚t h e rg t u d i e d t h em a i na c l l i e v 锄e n t so ft l l i sm e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed r y d o c ki sm ef i e l do fc o n s t r u c t 证gt h et u n n e lp i e c e s nu s u a l l yh a sl a 珞e d i m e i l s i o n sa i l dw i ub ee x p o s e df o rs e v e r a ly e a r s d l l l 协gc o n s t l l l c t i o n ，t h ed r y - d o c k w i l lb ee x c a v a t e d ，r e f i l l e dw i mw a t e ra n dr e “e d i i ls u c hp e r i o d s ，t 1 1 es o i lw i l lb e u i l l o a d e da i l dd i s t u r b e d ，t h eg r o u n dw a t e rl e v e l 柚dt h ep o r ew a t e rp r e s s u r ew i l l c h a i l g e ，a n ds e 印a g ew i l lo c c w a l lo fm e s em a y h a v eg r e a ti 1 1 n u e n c eo nt h eb e h a v i o r o fs o i l t h es l o p es t a l ) i l 时o fd r y - d o c ku 1 1 d e rd i 脑e n tc o n d i t i o l l sw a s 趾a l y z e d c o n s i d e 渤g t l l ee n v i r o 姗f l e mi n n u e n c e趾ds o i l p r o p e n i e s a t e v e 巧 d i 虢r e l l t c o n s t m c t i o ns t a t e ( 2 ) 1 1 1 es o i lm a s si 1 1 f o u n d a t i o no fd 科- d o c ka n du i l d 洲a t e r 仃e n c hw i l lb e u l l l o a d e da r e rt h ee x c a v a t i o nw o r k s t h es 仃e n 昏hp a m m e t e r so fs o i lu n l o a d e dw i l l c h a n g es 嘶o u s l yf r o m t l l ei i l i t i a lc o n d i t i o n b a s e do nl a b o r a t o 巧t e s t s ，血ep r o p e r p 龇i l i l e t e r so fu 川o a d e ds o i lw e r ed e t 幽e d 锄dt l l eu l l l o a d i n gr a t i oa l l d 廿l ed e p m a 您t e dw e r ed e r i v e dw i m 钉1 ef ea n a l y s i s u s i l l gm e s er e s u l t s ，霸1 eb e a r i l 唱c 印a c i 够 a n dt h ed e f o r i n a t i o no ft h ef b u n d a t i o nw e r ec a l c u l a t e d ( 3 ) t h e1 a n i c es t y l es o i lr e t a i l l i n gs y s t e mi sak i i l do fc 伽叩l i c a t e ds t n l c t u r e d i f r e r e ms e g m e m sh a v ed i s t i i l c tt 1 1 i c k n e s sa i l dl e n g t h a n dm ee i l v i r d 脚e n t a lf o r c e s a c t i n go ni ta r ec h a n g e a b l e a n a l y z i l l gm es t a b i l i 够a i l ds e c u l i 妙o ft h ed i a p h r a g mw a l l b e c o m e sv e r yc h a l l e n g i i 培c o d em e l o dr e l a t e dt os o i lr e t a i l l i n gw a l la i l df e mw e r e b o t l lu s e di 1 1s u c hk i n do f a i l a l y s i s 。 ( 4 ) i no r d e rt os 讧n u l a t et h eb e h a v i o ro fs o i lm o r ep r e c i s e l y ，吐l ed u n c a n - c h a l l g m o d e lw a si n t r o d u c e d 锄dl i n k e dt 0m e 蠡l i l l o u sf e ms o f h a r ea b a q u sb y d e v e l o p i n gas e c t i o no fp r o 莎a m t h ei n n u e i l c eo fc a i s s o nt l 姗e le n g i i l e 嘶堍o nt h e 蜘h t o u n d i n gc 讹u i l l s t a i l c ew a sp r e d i c t e db yt l l ed e v e l 叩e ds o r w a r e t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa g r e ew e nw i t l lm e a s u r e dd a t a ( 5 ) 1 l l er e s u l t sa c l l i e v e di 1 1m e 吐1 e s i sl l a sb e e na p p l i e df o rt h ed e s i g i la n d c o i l s 仃u c t i o no fm eh a m ec a i s s o nt u l l n e lp r o j e c ti nt i a n j 氓a n da l s oc a i lb er e f 打e d b yt h es i n l i l a rt u l l i l e lp r o j e c ti nn o r t h e ma r e a so f c h i i l a k e y w o r d s ：i i r l i i l e r s e dt u b em e t l l o d ；s l o p es t a b i l i t ) r ；b e a r i n gc a p a c i t ) r ； s o i lr e t a i l l i n gs y s t e m ；i 1 1 f l u e n c eo ns u r r o u i l d i n gc i r c 啪s t a n c e ； 3 df e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 王翠 i 签字日期：脚口罗年j 月胡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 珥 导师签名： 磺k 签字日期：加d 罗年r 月；7 日签字曰期：上叩罗年 月；7 日 第一章绪论 1 1问题的提出 第一章绪论 随着城市化进程的加快，跨越江、河、海峡的桥梁和水下隧道成为城市交通 的重要组成部分。与桥梁方案相比，水下隧道具有一定的优越性，主要体现在可 全天候运营，对航运、航空无干扰，隧道线路短，且两岸拆迁少，保持原有生态 和自然环境不变，抗地震能力好，防战能力强，多用途、易维护、造价相对较低。 目前修建水下隧道的施工方法主要有矿山法、盾构法、沉管法、围堰明挖法、暗 挖法、气压沉箱法、顶推法等。其中矿山法( 如英吉利海峡隧道和日本青函隧道) 、 盾构法( 如日本东京湾海底公路隧道) 和沉管法( 如美国旧金山湾隧道和荷兰鹿 特丹隧道) 得以在世界各国广泛采用u 羽，其它几种施工方法因会受到地质条件 限制，难以推广使用。矿山法要求对隧道沿线的地质情况进行详细的水下钻探， 其困难和成本、在高外水压力下裂隙岩体中进行开挖和衬砌所面临的工程问题以 及施工期的通风排水等问题常成为方案比选时的制约因素。另外，矿山法和盾构 法要求使用大断面的t 跏机械和盾构机械，这些机械的制造和供应亦是必须考虑 的因素。盾构法常用预制管片拼装衬砌，接缝很多，防渗处理任务繁重。而沉管 法与矿山法和盾构法相比存在以下几个方面的优点睁1 5 1 ：断面利用率高，可以有 多个车道满足较大交通流量的需求；覆盖层薄，可以有效地缩短路线长度；管段 长度可逾百米，防水可靠度高；自重小，对地质条件的适应性强；抗震性能优越； 施工质量容易保证，工期短，工程造价合理等。因此，沉管法虽然在管节沉放时 对航道有影响，但总体上优于其它方法，已成为当今世界较为流行的一种隧道施 工方法。 然而，该项技术涉及了岩土工程的许多重要课题，土壤的性质在隧道建设中 处于不断变化的状态，稳定计算模式需要考虑的因素复杂。虽然国内外的应用实 例为沉管法的设计、施工积累了宝贵经验，但目前尚无相关规范，国内外工程界 对该工法的研究尚处于经验总结阶段，尤其是其对环境的影响成为工程人员面对 的新课题。本文针对正在建设中的海河沉管隧道，研究了沉管法中的若干岩土工 程问题。 第一章绪论 1 2 沉管法概述 沉管法是在水底建筑隧道的一种施工方法。沉管隧道就是将若干个预制段分 别浮运到海面( 河面) ，一段段沉放在水中事先开挖好的沟槽中，在水中拼装连 成一体修建的水下隧道。 沉管法的施工顺序是先在船台上或干坞中制作隧道管段( 管段材料为钢板和 混凝土或钢筋混凝土) ，管段两端用临时封墙密封后下水( 滑移或在坞内放水) ， 使其漂浮在水中，再拖运到隧道轴线上的设计位置，然后向管段内加载，使其下 沉至预先挖好的水底沟槽内，管段逐节沉放，并用水力压接法将相邻管段连接， 最后拆除封墙，做内部防水，使各节管段连通成为整体的隧道。在管段安放连接 之后，需在其顶部和外侧用块石或其它回填材料覆盖，以保安全。用沉管法修建 隧道主工工序包括：干坞开挖、管段制作并制作临时封闭结构、基槽浚挖、管段 拖运沉放、管段连接止水及地基处理、回填覆盖。 1 2 1 沉管隧道的发展 沉管隧道的历史可追溯到十九世纪初期。1 8 1 0 年c h a r l e sw y a t t 和j o h n i s a a ch a w k i n s 首次在伦敦泰晤士河上进行了沉管隧道施工试验，1 8 6 5 年，英国 工程师在泰晤士河滑铁卢至白厅间再次尝试修建沉管隧道，这两次尝试虽然都因 经济原因以失败告终，但证实了该方法在技术上的可行性n 61 引。十九世纪末期， 沉管隧道工法得以完善实施。1 8 8 5 年西特奈湾的自来水管工程和1 8 9 4 年美国波 士顿下水管线工程先后建成n 羽，虽然这些工程修建的管线直径较小，但其原理与 如今在沉管隧道施工中采用的一致。1 9 1 0 年7 月美国人成功应用沉管法建成跨 越美国与加拿大之间的底特律河铁路隧道n 引，该隧道被誉为历史上第一条真正的 大型沉管隧道，隧道水下段长度为2 ，6 6 8 英尺，管段直径为2 3 英尺4 英寸，由 3 8 英寸厚的钢板制成。它的成功建成充分证实了沉管隧道的技术可行性，同时 也显示出沉管隧道中所存在的技术难题已被一一克服。此后，沉管旌工技术逐步 成为修建跨越河流和海湾隧道的常用技术。根据国际隧道协会的统计资料，到 1 9 9 4 年，世界各国共有沉管隧道9 3 条，其中，就沉管节制作形式而言，混凝土 隧道5 9 条，钢壳隧道3 4 条；从使用功能上来看，公路隧道6 l 条，铁路隧道2 6 条( 包括地铁隧道) ，公路、铁路两用隧道4 条，人行隧道2 条：就管节横截面 形状来说，矩形截面隧道7 3 条，圆形( 含花篮形、八角形、马蹄形、椭圆形) 截面隧道2 0 条：从规模上看，早期的沉管隧道多为双车道或四车道，从上世纪 6 0 年代中期，陆续建成一些六车道隧道n 副。迄今为止，世界各国修建的沉管隧 道已达1 3 0 余座臼】。在最近的十五年时间内，沉管隧道的数量增加了近4 0 ，沉 2 第一章绪论 管隧道得以快速发展，世界各国，特别是美国、荷兰、日本等几个国家在沉管技 术领域已有了长足的进步。 美国修建的沉管隧道约为3 1 座，居世界首位，包括前文提到的1 9 1 0 年底特 律河双线铁路隧道，1 9 1 4 年哈莱姆河纽约地铁沉管隧道，1 9 2 8 年加利福尼亚奥 克兰和阿拉美达之间沉管公路隧道，1 9 3 0 年美国底特律一加拿大温特索的公路 隧道及世界上最长的沉管隧道一一1 9 7 0 年美国利福尼亚一旧金山快速交通隧道 等。美国的沉管隧道大部分由钢壳管节组成n 副。 荷兰的第一座沉管隧道是1 9 3 7 年1 9 4 2 年在鹿特丹修建的马斯河隧道，这 条隧道是欧洲的第一条沉管隧道。该隧道摒弃了美国近似圆形断面的双层钢壳结 构设计方案，采用自行设计的矩形混凝土结构管节方案。从那时起，该施工方法 在荷兰得到了进一步的运用和发展，至今已建成沉管隧道约2 5 座，居世界第二 位。荷兰的沉管隧道多为钢筋混凝土式的沉管隧道n 引。 日本于1 9 4 4 年在大阪安治川建成了庵治河隧道，该隧道是通过立坑的电梯 而穿越河底的沉埋隧道。继此之后，日本先后修建了2 0 余座沉管隧道，其中大 部分采用钢壳管节，成为亚洲沉管隧道数量最多的国家啪，。 我国修建沉管隧道起步较晚，上海隧道股份公司曾在上个世纪7 0 年代在 国内率先进行沉管隧道的研究硷铂。目前，大陆、香港和台湾地区共修建了8 座沉 管隧道，其中香港地区三座，分别为总长l ，4 0 0 m 、管段长l o o m 的九龙地铁隧道， 总长1 ，2 6 0 m 、管段长1 2 6 m 的西区地铁隧道，总长1 ，3 6 0 m 、管段长1 1 3 5 m 的香 港西区公路沉管隧道瞻羽；台湾地区一座，即总长7 2 0 m 、管段长1 2 0 m 的高雄公路 隧道比；大陆四座，包括有广州珠江隧道、宁波甬江和常洪沉管隧道、上海外环 线沉管隧道乜4 3 别。此外，我国也将沉管技术应用于市政管线的建设中，先后采用 该技术建造嘉兴发电厂的取水口和上海金山石化厂雨水出水口等胫r 捌。 目前在已建成的沉管隧道中，总长最长的沉管隧道是美国旧金山海湾快速交 通隧道，全长5 ，8 2 5 m ，由5 8 节管节组成；单节管节最长的隧道是荷兰海姆斯普 尔隧道，最长一节管节长2 6 8 m ，宽2 1 5 m ，重5 0 ，o o o k n ；值得注意的是，该隧 道所处水域为静水运河，在管段拖运过程中受垂至于管段轴线方向的力和管段内 纵向弯矩较小，因此管段长度较大。管节最宽的隧道是比利时压珀尔隧道，宽达 5 3 1 m ，全长3 3 6 m ；车道数最多的隧道是荷兰的德赫特隧道，该隧道为4 2 车道。 干坞重复使用的最高记录是荷兰的b a r e n d r e c h t 干坞，重复使用达8 次；管节拖 运距离最长的是p i e th e i n 隧道，其拖运距离长达3 2 6 k m ( 其中海上拖运距离约 2 2 2 l ( m ) 。此外，值得一提的还有瑞典的利尔杰霍尔姆斯维肯隧道的最大水深达 5 0 m ，美国纽约东6 3 街隧道环境条件很差，海水流速非常急，达2 7 m s ；比利 时的斯海尔德隧道，河水流速3 o m s ，潮位差很大；以及香港东港跨港隧道， 第一章绪论 是建于繁忙海港附近的沉管隧道广“n 8 。 沉管技术不仅用于穿越水域，修建跨海峡、跨河隧道及市政管线的建设，还 可用于陆域工程。2 0 世纪9 0 年代，荷兰工程技术人员成功将沉管隧道技术应用 于s c h i p h o l 机场铁路隧道的扩建工程( 由双轨扩建成四轨) 及鹿特丹地铁工程n 引， 此类工程中，为实现沉管施工，需挖掘人工运河。 此外，许多发达国家的工程师提出水下悬浮隧道的设想n ，意大利、日本、 挪威等国家的工程师们对悬浮隧道已进行了长期研究。日本于1 9 9 0 年成立了水 下悬浮隧道技术研究协会，并设想在北海道岛修建穿越内浦湾公铁合建悬浮隧 道；挪威设想在赫格峡湾建设公路用悬浮隧道；意大利设想在西西里岛与本土之 间修建悬浮隧道：我国也曾有在浙江省舟山海域、琼州海峡修建悬浮隧道的设想， 并计划与意大利合作在浙江千岛湖建造一个长1 0 0 米、符合环保要求的水下悬浮 隧道。 追溯历史，从英国工程人员的大胆试验，美国人第一次成功建成大规模水下 沉管隧道，到荷兰人大胆启用新的设计方法，进而将该项技术在欧洲乃至全世界 推广，沉管隧道已经历经了近两个世纪的发展进步，该项技术逐步成为国际上修 建隧道的重要方法。 1 2 2 沉管隧道的技术进展 ( 1 ) 管节的选择与制作 就结构型式而言，沉管隧道有钢结构和钢筋混凝土结构两大类，前者一般为 圆形断面，后者一般为矩形断面。随着沉管技术的不断发展，出现了带钢外套的 钢筋混凝土管节，即在管状或者平板状的钢外套内部浇筑混凝土隧道壁及底板。 此种管节的钢外套在岸边制作，继而将外套放入干圬中，完成混凝土的浇筑工作。 沉管隧道形式的选择除了与施工技术及现有设备有关，还取决于设计施工经验。 美国海湾多采用圆形的钢壳或椭圆形钢壳，此种截面的隧道的受力特性优于矩 形，适合美国海湾的深水环境；而荷兰等欧洲国家则多采用矩形断面的沉管，主 要由于矩形断面能更有效的利用空间，且隧道的高度和覆盖层厚度较小，隧道的 长度也比圆形隧道相应减少。此外，荷兰等西欧国家习惯采用普通的钢筋混凝土 管节，而日本多采用钢壳沉管。 钢筋混凝土管段预制一般方法是将管段沿水平方向分段，先浇筑底板，然后 浇筑侧墙、最后浇筑项板，并在管段侧墙布置冷却水管，以降低混凝土的温度并 控制温度梯度，进而达到控制混凝土收缩的目的。在部分输水管道和公共设施管 道的管段制作中，可采用施加预应力连接预制短节段的方法，该方法的典型实例 为荷兰阿姆斯特丹至莱茵河输水管道。预应力管段可以减少裂缝的发生，增加管 4 第一章绪论 段的抗拉强度，减少钢筋用量，同时预应力管段能够采用宽大的内孔尺寸，该方 法是对预制管段施加部分或全部预应力，该技术的的典型实例为荷兰1 9 6 3 年 1 9 6 7 年修建的b e n e l u x 隧道n 9 1 ，古巴1 9 5 8 年建成的完全预应力沉管隧道h 1 ，香 港1 9 9 6 年建成的西区铁路隧道瞳羽。同时，也可采用在混凝土中加入钢纤维或化 学纤维，以控制管节混凝土塑性收缩及离析裂缝，改善管节的抗渗能力眵3 。此 外，沉管隧道的管段也可工厂化生产，1 9 9 5 年2 0 0 0 年修建的丹麦哥本哈根到 瑞典的d r a g d e n 海峡沉管隧道的管节制作就是在工厂的车间内完成的h 1 。 ( 2 ) 止水带的改进 荷兰于2 0 世纪6 0 年代发明了举世闻名的吉那止水带，并在鹿特丹南北地铁 线工程得以成功应用，吉那止水带的采用使得两节管段的防水连接施工所需时间 从几个月减小到一小时左右。虽然设置第二道防水和完成隧道内部连接另需要几 周时间，但均在良好的内部条件下进行的，由此可做成良好的接头。日本的沉管 隧道多位于高水压的深水区以及地震荷载大的地区，止水带将承受更大的外力和 变形，日本工程师在荷兰吉那止水带的基础上研究开发了几种新型的止水带，提 高了沉管隧道的整体性和抗震能力汹3 。 ( 3 )基础处理 在基础处理技术的方面，丹麦于上世纪4 0 年代发明出喷砂法；瑞典于6 0 年 代首先成功采用灌囊法；荷兰在7 0 年代又发明了更为先进的压砂法，而日本在 7 0 年代推出压注混凝土法和压浆法，这些技术都是沉管隧道沉埋技术中的重大 革新删。 ( 4 ) 设计计算 目前，世界各国尚无沉管隧道管节的结构设计专用规范，普遍采用本国相近 行业规范的方法进行设计。但沉管隧道所处的环境及管节间的连接方式与山岭隧 道、盾构隧道相比有很大的差异，因此需根据沉管隧道的特点进行设计计算。 1 3 关键技术和存在问题 我国沉管隧道工程起步较晚，目前大陆、香港和台湾地区共修建了8 座沉管 隧道，且仅限于南方地区。海河隧道为我国北方地区的首座沉管法隧道，由于北 方地区的气候条件和工程地质条件都与南方地区有很大差别，海河隧道的设计采 用的结构形式、施工方法和过程与南方已建隧道有很多不同之处，采用了许多新 技术、新工艺。为了确保高质量建成海河沉管隧道，需要对修建沉管隧道的设计 和施工的各个环节进行深入细致的研究。它的成功将弥补天津乃至北方地区修建 沉管隧道的空白。 第一章绪论 海河沉管隧道采用先在干坞内预制沉管管段，然后拖航到预先开挖的基槽中 就位，再用水力压接法安装的工艺。该工艺存在许多关键性技术，涉及到很多复 杂的岩土工程问题需要深入研究。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 不同工况下干坞边坡及基槽边坡的稳定性 天津滨海新区中央大道的海河沉管隧道采用水力压接法工艺，沉管管段需要 在干坞内预制完成。干坞占地面积达6 万余平米，开挖深度达1 2 m ，采用无内支 撑形式。从干坞的施工、建成使用到回填，期间要经历开挖、充水、再排水和回 填等一系列的复杂工况。这中间边坡土体将经历卸荷、扰动、浸润、水压力变化、 渗流力作用、孔隙水升降等一系列的复杂作用，其力学特性变化很大，使边坡稳 定性分析非常复杂： ( 1 ) 在开挖阶段：需要考虑开挖扰动和渗流对边坡稳定性 的影响；( 2 ) 干坞使用期历时两年左右，蒸发作用使坡面土体由饱和状态变为 非饱和状态；( 3 ) 预制隧道拖航时干坞充水，坡面非饱和土浸水体积增加，毛 细作用区内土体基质吸力丧失，因而抗剪强度降低；( 4 ) 回填前需排干坞内充 水，有利于边坡稳定的坡面水压力消失，不利于边坡稳定的坡体内水力梯度逐渐 增大，渗流力增加，造成干坞边坡的稳定性急剧降低。总之，干坞在开发和工作 过程中存在各种工况的边坡稳定性问题，土的工程性质及荷载条件均处于变化状 态，远较一般的土坡稳定问题复杂，需要进行深入细致的分析。 此外，水下基槽的开挖深度最大为2 5 m ，属水下施工，采用合理的坡率和坡 面形状才能保证基坑开挖的稳定性。 ( 2 ) 干坞及基槽基底承载力及变形 沉管形成隧道时对基底地基土的承载力和变形有很高的要求。由于基坑开挖 深度很大，基底的回弹量也很大，因而基底处的地基土的孔隙比增加，强度降低， 变形模量减小。因此需要通过试验来测试土体回填后的强度降低和变形模量减小 程度，并通过计算模拟地基承载力和沉管的变形。 ( 3 )岸壁保护结构的稳定性 海河近岸侧自河床底需下挖1 7 m 深之多，拟采用格构结构来做岸壁保护。该 支护结构既要保证基槽的安全，又要满足海河防汛的要求，其稳定性关系重大。 由于基槽开挖深度大，支护结构断面复杂，目前尚没有成熟的计算方法来评估其 稳定性，需要采用多种破坏模式和计算方法对其稳定性进行分析计算，确保其在 施工期乃至长期的稳定性。 ( 4 ) 沉管工程对周边环境的影响 海河隧道施工条件非常复杂，需要进行干坞开挖、干坞内小基坑开挖和相邻 的河道基槽浚挖，对相互的稳定性和变形都会产生影响；同时对岸壁支护结构也 会产生不利影响。同时，由于干坞开挖面积大，开挖深度达1 2 m ，且采用无支撑 6 第一章绪论 开挖，河道中基槽的浚挖深度最大达2 5 m ，在施工过程中势必对周围土体和相邻 建筑物产生影响。因此需要对整个系统的整体稳定性和变形特性进行评估。 1 4 本文的研究内容和技术路线 本文针对上述关键技术和存在问题，结合天津地区特殊的工程地质和水文特 点，逐项进行了专门研究。研究成果可为中央大道海河沉管隧道工程及后续类似 工程的设计和施工方案提供依据。具体的研究内容和采取的技术路线如下： ( 1 ) 干坞边坡及基槽边坡稳定性分析 针对干坞不同施工阶段的复杂工况，对干坞边坡在不同工况下的稳定性进行 分析，包含以下内容：采用敏感性分析的方法，研究开挖扰动对边坡稳定性的影 响；进行了坞内充水拖航时的边坡稳定性分析；结合干坞内充水疏干后水位骤降 同时土壤强度发生弱化的情况进行了边坡的稳定性分析。通过综合分析计算，确 定干坞边坡的合理坡率。 针对浚挖基槽水下施工的特点，综合极限平衡法和经验类比法分析基槽边坡 坡面形状以保证基坑开挖的稳定性。 ( 2 ) 卸荷状态下土体的强度变化及地基承载力计算 在干坞和基槽开挖过程中，相对于初始应力场，土中的应力降低，处于卸荷 状态，土的工程性质与加荷状态会有一定差别。为了研究土在卸荷过程中的强度 变化规律，在室内直剪仪中模拟了土体的卸荷过程。具体模拟的应力路径为：固 结一卸荷至不同荷级一不排水剪。土体的前期固结压力取土层上覆土的有效自重 应力，土体卸荷至不同的应力水平，做不排水剪试验，从而可以得到土体卸荷状 态下的强度指标。根据试验结果对干坞和基槽的基底承载力和变形进行有限元分 析计算。 ( 3 ) 岸壁保护结构稳定性研究 分别采用三维有限元分析模式和悬臂支护结构设计的有关规范的模式对格 构式岸壁支护结构的稳定性进行了研究。由于格构结构的不规则性，不能直接套 用规范给出的方法计算支护结构的稳定性，对其适用条件和应用方法进行了研 究；并通过有限元分析模式综合考虑干坞、基槽和支护结构的相互影响，给出格 构结构的整体稳定、受力情况和变形趋势。 ( 4 ) 干坞及基槽开挖对周围环境的影响 采用三维有限元a b a q u s 程序对干坞和基槽开挖对周围土体的影响范围和位 移的大小进行了仿真模拟。在计算中为了采用比较准确的试验参数，对该程序进 行了二次开发，成功地将弹性非线性模型通过接口与其核心程序链接，从而增加 第一章绪论 了该程序的功能。 第二章干坞边坡及基槽边坡稳定性分析及合理坡率的选择 第二章干坞边坡及基槽边坡稳定性分析及合理坡率的选择 2 1问题的提出 沉管隧道的接头技术要求高，施工难度大，造价也相应较高，因此常采用增 加管段长度的办法降低造价，加快施工进度，大规模的干坞工程随之成为沉管隧 道工程的重要组成部分。 沉管隧道的干坞作为沉管管节的预制场所，多为临时工程，考虑到工程造价 和施工难度，在环境条件允许的情况下，多采用放坡法进行开挖。干坞建成后， 即可进行管段的预制工作，在管段预制完成后，需在干坞内充水，将浮起的管段 拖出干坞并运送到到指定位置进行安装。此外，为了减少开挖和回填施工，多数 工程将干坞布置在隧道轴线上，在全部管段拖出干坞后，将干坞排干，进行隧道 陆上部分的施工。因此，从干坞的建成到投入使用阶段，坞体边坡要经历开挖、 充水、再排水等一系列的复杂工况。这一过程中存在着土体在扰动、浸润以及静 水压力和渗流力、孔隙水应力等复杂荷载作用下的力学性质问题，这些问题几乎 涵盖了边坡稳定问题的主要影响因素，影响干坞的稳定性。因此有必要对干坞边 坡在不同工况下的稳定性进行深入研究。 此外，河道内的基槽浚挖深度较大，其边坡高度较大，且属水下边坡，具有 较多的不确定因素，一旦失稳，将对岸上构筑物造成极大威胁，因而需对基槽的 水下边坡稳定性进行分析。 本章基于极限平衡理论，对依托工程进行干坞和基槽边坡的稳定性分析。包 含以下内容： 对干坞的边坡稳定性分别用直快、固快指标，采用简单条分法、简化毕肖普 法和摩根斯坦法分三种工况进行分析： ( 1 ) 开挖状态的边坡稳定性分析 开挖过程中，存在着施工扰动导致土体参数变异的问题，为此，在考虑开挖 扰动造成土体力学参数改变的基础上，进行了干坞的边坡稳定性分析，鉴于缺乏 实际土体开挖扰动后的抗剪强度指标，本文进行了边坡安全系数对矽值的参数敏 感性分析。参数取值范围覆盖了伊值扰动后可能的取值范围，以此分析开挖扰动 对边坡稳定性的影响，并同不考虑开挖扰动的常规分析进行了对比。 9 第二章干坞边坡及基槽边坡稳定性分析及合理坡率的选择 ( 2 ) 充水状态的边坡稳定性分析 充水导致坡体浸水体积增加，使滑面上的有效应力减小或抗滑阻力减少和部 分滑带饱水后强度的降低，另外，粘土遇水软化，抗剪强度参数c 、矽值明显降 低，这一工况要考虑毛细作用区内土体基质吸力的丧失以及土体在浸润作用下抗 剪强度的损失。 ( 3 ) 再排水状态的边坡稳定性分析 通过适当折减土体力学参数考虑土体在经历干湿循环后的弱化作用分析边 坡稳定性。 对基槽的边坡稳定性分别采用极限平衡法和经验类比法进行分析。 2 2 边坡稳定国内外研究现状及发展趋势 土坡稳定性问题一直是岩土力学的一个重要研究内容。人类对土坡稳定性有 意识地进行研究是从1 9 世纪末、2 0 世纪初开始的。其中有两个重要的分支，一 是从如何使用合理的强度指标方面的研究，如改进试验装备以获得更准确的强度 值等，二是计算方法方面的发展与改进，特别是随着数学方法的发展和计算机技 术的进步，土坡稳定性分析方法也取得了一系列成果。 2 2 1 强度指标的选择 沉管隧道的干坞工程一般位于软土地区，其干坞稳定问题属典型的软粘土土 坡的稳定性问题。我国许多港口工程都建在软土上，天津和上海地区的港口工程 为边坡稳定问题的研究提供了丰富的工程背景。 以天津新港来说，其在建港初期采用快剪强度指标，为了找到一个稳定的标 准，选取了己稳定的一码头甲护岸见图2 1 ，验算其圆弧滑动，软粘土的强度指 标取用矽= 4 0 6 。，c = 1 3 4 k p a ，土坡无堆载时，计算结果安全系数为0 7 6 5 。在 以后的工程设计中，土坡稳定的安全系数均以此值作为土坡稳定的标准。后在改 建此护岸时，增加了堆载并采取了打砂井措施，将安全系数提高到o 8 5 ，设计 上认为是安全的。后来由于快剪指标计算的安全系数偏低的缘故，采用了野外十 字板强度指标，用野外十字板强度计算的三港池杂货码头的安全系数为o 9 2 ， 若考虑截桩力，安全系数可提高1 0 9 6 1 5 ，为1 0 2 1 1 1 ，而计算的老三码头 二突堤的安全系数为o 7 6 ，都认为是安全的1 。 同样，上海港区岸坡码头，解放前经历过多次滑坡，解放后，在总结工程经 验的基础上采用了固结快剪强度指标，当安全系数为1 2 1 3 时，土坡是安全 的，使用中没有发生滑坡事故。有学者统计调查的1 9 项上海码头工程，其中9 1 0 第二章干坞边坡及基槽边坡稳定性分析及合理坡率的选择 项高桩码头中安全系数在1 2 1 3 之间的有7 项，板桩码头1 0 项，安全系数在 1 2 1 3 之间的占5 项，其余都是安全系数较大的h 。这些工程土坡在使用期 间都是稳定的，由此可看出并没有一个统一的临界值来界定稳定与不稳定。 图2 一l 一码头甲护岸原有断面 在国内，为了得到更为准确的强度指标，人们还从十字板仪器的改进方面着 手，针对十字板仪器装置的缺点，提出了改进。如针对解决轴杆校正方法的缺点， 对十字板剪力仪进行了相应的改进，将原来十字板与轴杆的固定连接，改为离合 器连接，经过实际验证改进后的十字板剪力仪在精度上符合要求，能得出较为可 靠的接近实际的结果，而且在工效方面也有显著的提高m 1 。还有利用微型十字板 测定强度，经过与机械十字板比较，可以看出微型十字板应用灵活，对土样的扰 动较小，所得的结果更接近实际h 鲥。这些研究都是从如何选择及如何提高抗剪强 度方面着手的。 在国外，土坡稳定中的强度问题也为许多学者所重视。b i s h o p 和b j e r r 岫 就这方面的问题给予讨论，指出在土坡短期稳定设计中由于孔隙水压力来不及消 散，故采用不排水强度指标计算，即秒= 0 1 。最初不排水强度指标用无限抗压试 验确定或用三轴不排水强度，1 9 4 8 年卡德林创造了十字板现场试验方法，获得 了推广应用，认为十字板强度尤其适用于软粘土土坡计算。对施工期的稳定性一 般采用经b j e r r 岫用系数修正了的十字板强度作为不排水强度指标。b j e r r 恤 在收集分析破坏实例基础上，提出破坏土坡的安全系数与土的塑性指数，成近 似直线关系：f 枷= o 8 3 ( 1 + 歹p 1 0 0 ) 。但后来的一些工程表明，此直线关系式 所得值偏大，b j e r r 岫将这归结于测得的抗剪强度较实际为大，为此，他提出抗 剪强度试验值的修正系数对抗剪强度进行修正，这样实际上把问题想得过于简 单。后来，斯开普敦提出应主要考虑峰值强度降落的问题，并提出了可用峰值强 度降低系数y 来解决此问题。l e r o u e i lh 6 1 等人也作了一些研究，但至今未找到一 个能真正解决的方法，所以在软粘土土坡稳定性评估中抗剪强度的取值是一个值 得进一步研究的问题。 第二章干坞边坡及基槽边坡稳定性分析及合理坡率的选择 2 2 2 土坡稳定分析方法 在土坡稳定性分析的初期，其计算方法基本上是采用了材料力学和简单的均 质弹性理论为基础的土力学的原理和方法。伴随着有关数学、力学科学的发展， 出现了以均质弹塑性理论和极限平衡理论的应用为其主要特点的方法h 刀。索科洛 夫斯基根据松散介质极限平衡原理，提出了一种有别于以往任何方法的土坡稳定 性计算方法，这种方法是以通过严格的数学推导来解决土坡极限状态时坡面和滑 动面的形状和位置为主要内容的m 侧。由于这种方法的计算比较复杂和繁琐，在 实际应用中有一定的限制。穆希姆、斯拉戈维奇、戈卢什克维奇和费先科等将这 种方法进行了简化，由于这种简化根据的原理严重的脱离了岩土体的结构特点和 力学状态，其计算结果与实际情况不相符合，从而显露出严重的缺陷咖1 。与此同 时，费先科提出了考虑岩土体中软弱结构面对滑动面的控制作用和根据松散介质 极限平衡原理的一套岩质土坡稳定性的计算方法啼娜引。由于采用了不够合理的静 力学条分法，从而使计算分析结果与实际情况相差较大。 其后，随着计算机的飞速发展，涌现了各种各样的方法，也由此土坡稳定的 计算方法也日趋完善。各方法中，主要有极限平衡法、塑性极限分析法和有限元 法三种。其中极限平衡法发展的较为成熟，广泛应用于土坡稳定分析的工程实践 中。而有限元法近年来随着在工程领域应用技术的逐渐成熟，并且能弥补条分法 假设上的不足，正逐步成为土坡稳定分析的重要方法。 ( 1 ) 极限平衡法 极限平衡法是从实际问题出发，先假定破坏沿土体内某一确定的滑裂面滑 动，再根据滑裂土体的静力平衡条件和摩尔一库仑破坏准则计算沿该滑裂面滑动 的可能性，或是失稳概率的高低，然后选取多个可能的滑动面，用同样的方法计 算稳定安全系数或是失稳概率，安全系数最小或是失稳概率最高的滑动面就是最 可能的滑动面。该理论的发展始于二十世纪初，库仑和朗肯分别提出库仑土压力 和朗肯土压力喳射，假定滑动面为平面，并只考虑土体的内摩擦角。1 9 1 6 年彼德 森提出了只计及土的内摩擦力，不考虑土体内部土条间的相互作用力的圆弧分析 法，这就是最初的瑞典圆弧法。后来经f e l l e n i u s 的修改成为著名的瑞典条分法， 该方法构成了近代土坡稳定分析方法的雏形阻硐。 瑞典条分法没考虑滑动土体内部各土条间的相互作用力，并将滑动面简化为 平面应变问题中的圆弧面，其计算所得的安全系数较实际情况偏低。后来不少学 者致力于改进瑞典圆弧法。一方面探索最危险滑弧的位置，制作数表、曲线以减 少计算工作量，如泰勒、拉姆里和包洛斯等通过研究揭示了最危险滑弧圆心位置 的某些变化规律嘲。另一方面研究滑裂面的形状。太沙基指出：土体破坏时的滑 动面更接近对数螺旋线，这种假设使得计算工作繁琐，计算量大却没有必要，因 1 2 第二章干坞边坡及基槽边坡稳定性分析及合理坡率的选择 为安全系数在真正的最危险滑面附近变化十分迟钝，利用圆弧滑面假设仍然可以 获得满意的结果。以后将研究方向转移到如何在计算中考虑滑动土体内部土条间 的相互作用力以及如何将此法推广应用到任意形状的滑动面阳刀。于是1 9 5 5 年， b i s h o p 在瑞典法的基础上提出一种简化方法旧1 ，依旧保留滑裂面的形状为圆弧 形和通过力矩平衡条件求解的特点，但考虑了条问作用力在法线方向上的贡献， 形成简化b i s h o p 法。后来又出现了适用于非圆弧滑裂面的陆军工程师团法、罗 厄法和简化j a n b u 法，各种简化方法反映了早期人工手算的需要，随着计算机的 出现和普及，一部分研究者致力于建立同时满足力和力矩平衡，对滑裂面形状不 做假定的严格分析方法。摩根斯坦一普赖斯提出了适用于任意形状滑裂面的严格 方法睛钊，s p e n c e r 提出了条间力倾角为常数的方法呻1 ，1 9 7 3 年j a n b u 在其基础上 提出了通过假定土条侧向力作用点求解安全系数的“普遍条分法哺，王复来后 来又对简布法进行了有价值的改进，使得普遍条分法使用起来更方便池1 。沙尔玛 在假定沿相邻土条的垂直分界面，所有平行于土条底面的斜面均处于极限平衡状 态前提下，推导出了切线条间力的分布，从而使超静定问题变成静定的哺引。这些 方法就构成了极限平衡理论。 这些稳定计算方法，都是建立在极限平衡理论的基础上，可以满足