隧道穿越段長江大堤滲流穩定性分析

孔慶宇，馬希磊，王婷婷

(1.交通部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

近年來我國修建的大型過江過河隧道越來越多，采用泥水盾構法在軟土地區修筑水底隧道時，不可避免地要穿越堤防。穿越堤防時，由于盾構隧道技術存在盾尾空隙及壁后注漿體具有收縮的特性，會出現不同程度的沉降[1]，嚴重時會影響大堤穩定性、滲流形態及防洪功能等[2-3]。滲流性態好壞是評價堤防滲流是否穩定的重要特征之一。目前關于堤防滲流性態的研究較多[4-6]，但對于隧道穿越后堤防的滲流性態的研究較少。有限元方法目前在堤防滲流、邊坡穩定、基坑支護及隧道開挖等工程領域的數值模擬中應用較為廣泛[7-9]，但是在盾構隧道穿越后的大堤的滲流穩定性分析研究較少。本文采用三維飽和-非飽和滲流有限元法對某長江隧道盾構機穿越段大堤加固后的滲流性態進行研究，評價其滲流穩定性。

1 工程概況

長江防洪堤為我國重要防洪工程，堤防工程等級為一等1級，其滲流穩定性對大堤的穩定和防洪的安全性至關重要。某長江隧道在施工過程中，采用兩臺盾構機穿越長江大堤地基。穿越地層為淤泥質粉質黏土夾粉土，大堤為素填土，大堤覆土厚度為11.5 m(坡腳)～16.21 m(堤頂)之間。右線(R線)隧道、左線(L線)隧道先后掘進至大堤背水面坡腳(即 K3+735處)，通過迎水面坡腳(即 K3+783.001)，在L線穿越期間，觀測發現大堤頂部地面出現兩道細小裂紋，同時大堤累計沉降最大達141.9 mm。

根據工程實際情況，在現場調查和分析研究的基礎上，該工程采用深層攪拌樁對堤身進行加固。在大堤上游側建造防滲帷幕，采用SJB-2型深層攪拌樁，為保證樁身可靠鏈搭接，樁長超過10 m時須采用2排，具體布置如圖1所示。本工程采用江北距大堤面10 m以上范圍內單排，10 m以下雙排的方案。深層攪拌樁的參數指標按河漫灘相淤泥質粘土設計，固化劑漿液采用525(P42.5)號水泥，水泥摻量為15%，相應水泥土28 d無側限抗壓強度值達到0.5 MPa以上。

圖1 深層攪拌樁的布置位置和范圍(單位:cm)

由于在長江北岸大堤城東圩隧道穿越段未設測壓管、量水堰等滲流觀測設施，無滲流觀測資料。大量的算例及一些工程實踐表明[1]，在沒有實測資料的情況下，按照初始邊界條件，首先計算穩定滲流場，第1次初始值的飽和區部分按穩定滲流場計算結果給定，非飽和區部分按經驗值給出。然后結合第1次初始值和初始邊界條件，按非穩定飽和-非飽和滲流場計算足夠長的時間獲取第2次初始值，最終將第2次初始值作為非穩定飽和-非飽和滲流場的初始滲流場。因此，本文根據地質勘探提供的資料，采用有限元方法計算并分析加固后大堤的滲流性態。

2 計算原理與計算模型

2.1 計算原理

非飽和滲流是一個非常復雜的問題，從物理特性考慮是一個多因素互相耦合的過程，其影響因素包括固、液、氣三相的體積比、空氣壓力、土骨架體變、可溶鹽含量、溫度等。非飽和滲流基本微分方程是在假定達西定律同樣適用于非飽和滲流情況的前提下通過與飽和滲流相同的方法推導出來的[10]。非穩定飽和-非飽和滲流基本微分方程如下:

其中:hc為壓力水頭為飽和滲透系數張量；ki3為飽和滲透系數張量中僅和第3坐標軸有關的滲透系數值；kr為相對透水率，為非飽和土的滲透系數與同一種土飽和時的滲透系數的比值，在非飽和區0＜kr＜1，在飽和區kr=1；C為比容水度，在正壓區C=0；β為飽和-非飽和選擇常數，在非飽和區等于0，在飽和區等于1；Ss為彈性貯水率，飽和土體的Ss為一個常數，在非飽和土體中為0，當忽略土體骨架及水的壓縮性時對于飽和區其值也為0；Q為源匯項。

2.2 計算軟件與計算模型

根據上述有限元計算原理、收斂準則以及邊界條件的處理方法，用Visual C++開發了三維非穩定飽和-非飽和滲流有限元計算分析程序CNPM3D。

本工程的計算坐標系作如下規定:取X軸垂直于大堤軸線方向，以大堤背水面指向迎水面為正；Y軸為大堤軸線方向，以隧道 R線指向L線方向為正；Z軸為垂直方向，向上為正，與高程一致。計算模型的截取范圍如下:X方向，分別以防浪墻靠近迎水面側為基準，向迎水面和背水面方向各截取55.7 m和64.3 m；Y方向，取大堤段長120 m；Z方向，底部截至高程為-30 m，堤頂高程為11.70 m。該模型保留大堤的詳細結構，并且根據材料滲透性進行分區，詳細模擬地層地質結構。計算模型范圍如圖2所示。

采用控制斷面超單元法生成有限元網格。在綜合分析計算區域內的地形、土層等特征的基礎上，在上述計算區域內切取控制剖面22個，并據此形成三維超單元網格。加密細分后形成三維有限元網格，計算模型的整體有限元網格如圖3所示。有限元模型的邊界條件選取如下:大堤迎、背水兩側截取邊界為地面高程以下部分(x=0和x=120 m)、垂直于隧道軸線的截取邊界(y=0和y=120 m)以及模型底部(z=-30 m)，取為不透水邊界。大堤背水坡面地下水位以上的部分為出滲邊界。由于灌漿帷幕與隧道襯砌外側固結在一起，阻斷了土體可能發生接觸沖刷的通道，可以認為土體和隧道襯砌之間不會發生接觸滲透破壞。

圖2 計算模型范圍示意圖(cm)

圖3 計算模型的有限元網格

3 計算參數及計算工況

由于盾構機穿越大堤地基，大堤經歷了沉降、開裂等過程，大堤內部土體可能已出現微裂紋，甚至較大裂縫，因此，大堤沉降較大范圍內的土體的滲透性將會增大，局部甚至顯著增大。為了考慮大堤最危險的情況，現選取歷史最高水位10.22 m工況，變化大堤沉降范圍內土體的滲透系數進行計算，對比分析大堤內部裂縫和深層攪拌樁對堤身滲流性態的影響。計算分為三種工況:SL-1——歷史最高水位，大堤及地基各土料的滲透系數見表1；SL-2——歷史最高水位，大堤沉降范圍內素填土和地基土滲透系數增大5倍，其余土料滲透系數同SL-1；SL-3——歷史最高水位，大堤沉降范圍內素填土和地基土滲透系數增大10倍，其余土料滲透系數同SL-1。

4 計算結果分析

對于每一種工況，分別選取垂直大堤軸線8個剖面、平行大堤軸線2個剖面分析其地下水水位和位勢分布。垂直大堤軸線的剖面和平行大堤軸線方向選取的斷面如圖4所示。

表1 大堤及地基各土料滲透系數

圖4 計算剖面位置示意圖

大堤滲流出逸點高程、堤身最大滲透坡降、攪拌樁體最大滲透坡降、大堤單寬滲流量等成果如表2所示。其中，攪拌樁體最大滲透坡降是指在攪拌樁體段滲透水力梯度的最大降低值，堤身單寬滲流量是指計算模型深度范圍內沿大堤軸線單位寬度的平均流量。圖5為三種工況中剖面⑤(y=60 m)大堤位勢分布圖，再結合其他相應的地下水水位等值線圖及各剖面等勢線圖，對計算結果分析如下。

(1)穿越段大堤的滲流位勢分布——盾構隧道穿越段的滲流場變化規律較為明確，各種工況下堤身地下水位等值線的分布規律明確。三種工況下深層攪拌樁內的位勢等值線密集程度明顯遞增。在工況3情況下，深層攪拌樁內的位勢等值線最為密集，其消減水頭的作用也最明顯。

(2)滲透坡降和滲透穩定——根據計算結果，在各種工況下，堤身與堤基土層的最大滲透坡降均不超過0.3，因此，堤身與堤基的滲透坡降均小于相應土體的允許滲透坡降，可以滿足要求。

表2 大堤滲流分析計算結果

圖5 三種工況剖面⑤(y=60m)位勢分布圖

(3)滲透流量——工況1的大堤單寬滲流量為3.618 m3/(d?m)，工況2和工況3的大堤單寬滲流量分別為 5.250 m3/(d?m)、7.142 m3/(d?m)，對比工況1明顯增大，分別增大了45%、97%。這說明土體滲透性對滲流量的影響很大。

(4)深層攪拌樁的作用——從工況1的計算結果上來看，浸潤面在通過深層攪拌樁后下降較為明顯；且攪拌樁內的最大滲透坡降很小，不超過1.8，可以滿足要求。在工況2和工況3，深層攪拌樁內的最大滲透坡降明顯增大，分別為2.440和3.360。這是因為土體的滲透系數變化后攪拌樁的阻水作用亦發生變化。當土體滲透系數增大時，深層攪拌樁的阻水作用明顯增大，通過深層攪拌樁的水頭損失增大。

5 結 論

通過以上分析，可以得到如下結論:

(1)深層攪拌樁消減水頭的作用明顯，在各種工況下，深層攪拌樁內、堤身與堤基的最大滲透坡降均較小，小于相應土體的允許滲透坡降，滿足要求。

(2)當土體的滲透系數變化后，攪拌樁的阻水作用亦發生變化。當土體滲透系數增大時，深層攪拌樁的阻水作用明顯增大，通過深層攪拌樁的水頭損失增大。

(3)應急處理后，深層攪拌樁對于降低大堤浸潤面有明顯的作用，在各種工況下，隧道穿越段大堤的滲流性態均是正常的，滿足大堤滲流安全要求。

[1]謝文斌，吳為義.大直徑泥水盾構下穿錢塘江大堤引起地層沉降的實測分析[J].現代隧道技術，2011，48(4):142-147.

[2]吳雅峰，吳興龍，梁明陽.錢江通道盾構施工對北岸地表沉降的影響分析[J].人民長江，2007，38(6):135-137.

[3]肖龍鴿，王超峰，趙運臣.大直徑泥水盾構施工引起的地表沉降分析和對策[J].現代隧道技術，2008，45(5):50-53.

[4]盧有清，彭 虹.石門拱壩壩基滲流性態分析[J].水利學報 ，2001 ，32(1):28-34.

[5]張運芳，喬利國.某尾礦庫穩定性分析評價[J].勘察科學技術 ，2011，(6):29-31.

[6]李兆煒，胡再強.基于滲流理論的尾礦壩壩體穩定性分析研究[J].水利與建筑工程學報，2010，8(1):56-59.

[7]侯俊平，郭 煒.有限元計算方法在大壩滲流分析中的應用[J].武漢大學學報(工學版)，2005，38(5):63-66.

[8]田春亮，趙宏斌，郭 娟，等.某尾礦壩三維有限元滲流分析[J].水利與建筑工程學報，2010，8(5):121-123.

[9]馬博恒，王曉明，李森林，等.路塹邊坡滲流場的有限差分分析與工程實例[J].勘察科學技術，2010，(2):42-45，53.

[10]韋立德，黃 威，陳從新.飽和-非飽和滲流下膨脹土坡穩定性評估的有限元法[J].水利與建筑工程學報，2010 ，8(4):21-23 ，36.