土體擾動變形對河道護岸的影響研究

龔瑜

（上海市建工設計研究院有限公司，上海市 200235）

土體擾動變形對河道護岸的影響研究

龔瑜

（上海市建工設計研究院有限公司，上海市 200235）

據城市發展的需要，市政交通設施包括隧道或管道穿越及沿河的情況成為了河道護岸加固改造的一個重要因素。隧道及管道施工時將引起土體擾動變形，對周邊河道護岸結構產生影響。在周邊環境復雜的地區這種影響可以通過采取一定的土體加固措施后減少對護岸的影響。通過實例的數值模擬的方式預測了盾構施工期對河道護岸的影響，并分析土體加固后的效果，為今后類似的工程提供參考。

土體擾動變形；數值分析；影響；對策

0 引言

河道護岸在長期使用過程中受到損壞、對河道設計標準的提高及排水方式改變等因素會引起河道護岸不同程度的改造，以滿足各種功能的需求。同時由于城市發展的需要，各種型式的市政交通設施不可避免的與河道發生關系，隧道或管道穿越及沿河管線敷設等情況也成為了河道護岸加固改造的另一個重要因素。

隧道及管道施工時會由于施工引起的地層損失、地層原始應力的變化、擾動土體的固結與土體的蠕變或自身工藝等原因引起土體擾動變形，對周邊一定范圍內的河道護岸結構產生不同程度的影響。土體擾動對河道護岸影響的程度以及采取加固措施后減少對護岸影響的效果的研究顯得尤為重要。

城市中心城區水系發達，河道兩側往往存在大量的建構筑物、城市主、次干道、地下管線、市政設施等致使河道周邊環境復雜，加固河道護岸方案應盡量選取對周邊環境影響較小的方案實施。

1 護岸的類型

護岸工程按形式可分為坡式護岸、壩式護岸、墻式護岸、生態護岸以及其他形式護岸。

（1）坡式護岸將建筑材料或構件直接鋪護在堤防或灘岸臨水坡面，形成連續的覆蓋層，防止水流、風浪的侵蝕、沖刷。這種防護形式順水流方向布置，斷面臨水面坡度緩于1∶1.0，對水流的影響較小，也不影響航運。在河勢比較穩定，在水深流急處、險要堤段、重要城市、港埠碼頭廣泛采用坡式護岸。湖堤防護也常采用坡式護岸。

（2）壩式護岸依托堤防、灘岸修建丁壩、磯頭、順壩以及勾頭T形壩、拐頭形壩，起到導引水流離岸，防止水流、風浪直接侵蝕、沖刷堤岸。江面寬闊的河口段也常用丁壩、順壩保灘促淤、保護堤防安全。

（3）墻式護岸靠自重穩定，要求地基滿足一定的承載能力。可順岸設置，具有斷面小，占地少的優點，常用于河道斷面窄，臨河側無灘、又受水流淘刷嚴重的堤段，海堤防護多采用坡式、墻式以及這兩者復式組合形式。

（4）生態護岸，主要利用植物或者植物與土工織物相結合，對河道坡面進行防護。生態護岸集防洪效應、生態效應、景觀效應和自凈效應于一體，使河水與土壤相互滲透，系修復自然河道防護功能的有效對策。

（5）其他護岸形式如樁式護岸，通常采用木樁、鋼樁、預制鋼筋混凝上樁和以板樁為材料構成板樁式、樁基承臺式以及樁石式護岸。常在軟弱地基上修建防洪墻、港口、碼頭、重要護岸時采用[1]。

除了生態式的柔性護岸以外，其他具有結構的硬質護岸對結構位移均有一定的要求，由于外部邊界條件的改變，硬質護岸結構的穩定性變化較為敏感。

2 土體擾動變形的原因

非開挖式隧道及管道的施工對河道護岸基礎附近產生土體擾動，其施工工藝基本以盾構及頂管為主。

2.1 盾構施工

盾構掘進引起的土體變形主要成因為：掘進引起的地層損失、地層原始應力的變化、擾動土體的固結與土體的蠕變、襯砌結構的變化等。

（1）掘進引起的地層損失：開挖面土體移動、土體擠入盾尾空隙、改變推進方向、盾殼移動對地層的摩擦和剪切、隧道襯砌產生的變形及襯砌沉降等。

（2）地層原始應力的變化：盾構法施工引起原狀土擠壓、剪切、扭曲，導致土體初始應力的改變，產生應力重新分布。

（3）土體固結與蠕變：盾構掘進時形成的超空隙水壓力區發生排水固結后引起地層位移以及土體蠕變過程中的次固結沉降。

（4）襯砌結構的變化：襯砌結構變形所引起的地層位移占地層總位移的比例較小[2]。

2.2 頂管施工

頂管施工過程中以下幾個方面將引起土體擾動變形：

（1）掘進機和管道與周圍土體摩擦帶動土體移動；

（2）土體開挖卸載產生的塑性區，掘進機外徑與管道外徑的環形空隙，盡管采用了注漿填充措施，但仍不可避免會產生土體損失，引起地面沉降；

（3）鉆進糾偏：糾偏引起土體損失，增加對周圍土體的擾動；

（4）鉆進速度：當管道鉆進速度過快將會增大對土體的擾動；

（5）管道埋深：管道埋設越深對地表沉降的影響越小[3]。

3 土體加固方法

由于中心城區河道周邊環境一般比較復雜，河道護岸加固應盡量選取對周邊環境影響較小的方案實施，對于現狀護岸滿足規范要求，為了減少土體擾動對河道護岸的影響，可通過土體加固減少土體擾動對河道護岸的影響，增加護岸的穩定性，減少結構變形，同時護岸結構改造中作為輔助手段起到抗滲或增加樁基承載力的作用。結構土體加固具有施工時間短，不進行開挖施工對周邊環境影響小等優點。適用于外部邊界條件變化不大，周邊環境復雜的情況。

不同的工程地質及環境條件下，在選擇土體加固方法時要因地制宜，每種方法均有一定的適用范圍。常用的有深層攪拌樁法、降水法、凍結法和注漿法等。

（1）攪拌樁法是軟土地基加固和深基坑圍護中的常用方法，是一種施工機具簡單、操作方便、造價低的隧道洞口加固方法，尤其在施工場地較小的地方采用更為合適。

（2）注漿法是將水泥漿液或化學漿液注入地層進行加固的方法，對含水豐富的砂土層較為有效。

（3）降水法也是一種比較有效的、經常采用的加固方法，比較適用于含水豐富的流沙質土體。采用降水法一般為地面向下打井法，故其使用范圍和地區受到一定限制，降水對地面沉降影響較大。故在地面路橋密集的地方不宜采用。

（4）凍結法是煤炭礦井通過第四紀松散表土地層時常用的一種特殊施工技術，近十幾年來已逐步引進到城市地鐵、路橋基坑等市政工程中。用凍結法加固盾構進出潤洞口時，一般采用垂直凍結法。即在后構進出潤口上部的土體內布置一定數量的凍結孔。經凍結后在洞門處形成板坡狀凍土帷幕來抵御盾構進出洞破壁時的水土壓力，防止土層塌落和泥水涌入工作井內。

對于河道土體加固一般考慮采用攪拌樁法及注漿法，機械設備較小、施工方便、對周邊影響較小，更適用于對護岸基礎周邊的土體加固，可采用河道護岸墻前及墻后加固兩種方式，但在區域周邊環境復雜，護岸墻后建構筑物較多或者墻后為道路無法進行施工的區域，采用護岸墻前即河中土體加固是比較合理的選擇。

4 數值模擬及結果分析

以盾構法在沿河施工對河道護岸的影響為例，土體加固方案采用高壓旋噴樁的施工方案，預測盾構施工期對河道護岸的影響以及土體加固后的效果分析。

4.1 有限元分析模型

目前常用的分析方法是數值計算法，其中以有限元單元法為主。

建立二維有限元模型，進行彈塑性有限元計算，預測盾構施工引起護岸的變形并同時分析加固方案的效果。

有限元模型的建立如下：

（1）土體本構模型與參數

土體采用Hardening-soil模型，該模型在巖土工程中應用較多。計算中土層分布按照地質報告選取。

（2）荷載和地下水位

計算中考慮地面荷載為：取5 kN/m2；

地下水位取地面以下1.0 m。

（3）接觸面單元

采用彈塑性無厚度Goodman接觸面單元模擬地下結構與土體和加固體之間相互作用。

（4）網格剖分

計算區域為：深度取距離管道足夠深度，為地面以下約80 m，模型寬度考慮管道穿越范圍以外兩側各80 m。水平向為X向，豎直向為Y向，且對X邊界施加X向位移約束，Y邊界施加Y向約束。采用等三角形六節點平面單元模擬土體。

（5）模型影響因素

主要影響模擬結果的因素為盾構穿越的位置，包括盾構的直徑、深度、與河道護岸的水平距離等，各影響因素綜合影響模擬結果，但對于同一工程，盾構的直徑為定值，根據以往經驗與河道相互影響的區域內盾構深度變化也有限，因此本文主要以盾構與河道護岸的水平距離為主要影響因素進行分析。

4.2 數值模擬結果與分析

4.2.1 模擬設計工況

模擬設計工況見表1。

表1 數值模擬設計工況表

4.2.2 計算結果

圖1、圖2顯示盾構穿越后防汛墻的變形趨勢圖，從圖中可以看出，盾構正上方沉降最大，然后向兩側逐漸減小。同時根據圖3、圖4的計算結果表明，隨著土體損失率增加，河道護岸的水平與垂直變形逐漸變大，基本上呈線性變化；盾構外邊線與河道護岸的水平距離越近，河道護岸的變形越大，在一定距離范圍內變化呈現陡增趨勢。

圖1 垂直位移（單位：mm）

圖2 水平位移（單位：mm）

圖3 不同土體損失率河道護岸水平變形圖

圖4 不同土體損失率河道護岸垂直變形圖

4.3 土體加固方案及效果分析

根據第4.2節計算分析結論，距離盾構越近河道護岸變形越大，因此加固方案僅計算盾構外側距河道護岸外邊線最近處的工況即可，見圖5、圖6及表2。

圖5 加固后護岸的水平位移（單位：mm）

表2 不同土體損失率對應防汛墻變形統計表

根據相關設計技術規定，河道護岸變形應控制在10 mm以內。根據計算結果可知在進行了土體加固后在土體損失率不大于0.30%時河道護岸位移滿足了相關規范的要求。土體加固很好的減輕了盾構施工對河道護岸的影響。但同時應注意在盾構等工程施工的過程控制好土體損失率，才可以達到土體加固措施的預期效果。

5 結語

根據城市發展的需要，市政交通設施包括隧道或管道穿越及沿河的情況成為了河道護岸加固改造的一個重要因素。隧道及管道施工時會由于施工引起的土體擾動變形，對周邊一定范圍內的河道護岸結構產生不同程度的影響。在周邊環境復雜的地區這種影響可以通過采取一定的土體加固措施后減少對護岸的影響。本文通過實例的數值模擬的方式預測了盾構施工期對河道護岸的影響，并分析土體加固后的效果，為類似的工程提供參考。

[1]中國水利百科全書編委會.中國水利百科全書[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[2]黨世偉.盾構掘進地層變形原因分析與施工控制[J].建筑技術, 2007(7):549-550.

[3]魏綱,徐日慶,屠瑋,等.頂管施工引起的土體擾動理論分析及試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2004(3):476-482.

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2017-05-04

龔瑜（1971-），男，江蘇張家港人，高級工程師，從事水工、結構設計咨詢工作。