管廊建設工程對于海堤結構的安全穩定影響分析

徐華林，劉星樂，江晨鑫

（臺州市水利水電勘測設計院有限公司，浙江 臺州 318000）

近年來，城市基礎設施建設高速發展，在完善水資源配置體系、加大城市水管網建設過程中，出現了一系列輸水管道與海堤相交的問題。管廊工程建設期間，樁基礎的施工與荷載會造成海堤周圍土體的應力和位移變化，這將會影響海堤的安全運行[1]。因此，研究管廊樁基施工對海堤的安全穩定影響是十分有必要的。

本文根據擬建涉堤管廊工程實例，基于Midas GTS NX 有限元軟件構建三維數值模型，分析近距離摩擦樁施工對既有海堤結構的變形影響。同時基于Autobank軟件探討了施工荷載對于海堤的整體穩定影響。通過分析結果提出相應的施工控制措施，以期為今后涉堤管廊建設工程提供參考和積累經驗。

1 工程概況

擬建管廊工程線路途經海堤內鎮壓層，共計長度約2.3km。該段海堤的工程等級為Ⅲ等，設計防潮標準為50 年一遇。堤身結構布置具體如下：堤頂寬度約2.6～3.4m，高程為5.33～6.10m，外海側設置高50cm 的C25 砼防浪墻。沿海堤擋墻外側設置鎮壓平臺，陸域側采用M10 漿砌塊石護坡。

管廊工程采用架空形式布置，下部結構為鋼筋混凝土基礎，使用純摩擦預制樁，上部結構采用縱梁式鋼管架，工程與海堤結構位置的立面關系如圖1 所示。樁基位于海堤內鎮壓層，施工階段將會引起海堤中土體的受力和變形產生一定變化。為此，須計算分析管廊工程樁基礎施工對海堤結構造成的不利影響。

圖1 海堤與擬建管廊位置圖

2 樁基礎施工對海堤的變形影響分析

2.1 計算原理

對于管廊樁基礎施工過程中的海堤變形分析，本文采用Midas GTS 軟件計算。該軟件主要運用領域是巖土隧道領域的結構分析，軟件具備眾多優點，可以快速直觀地進行模型處理及三維建模、智能化生成自動網格、專業化的巖土分析功能，當前在巖土領域越來越多受到歡迎。

變形計算采用非線性彈性分析，即利用模型單元體構成的離散化結構替代海堤本身的連續體結構，以分析海堤整體的結構變形情況。同時進行施工階段結果累加，施工階段只輸入結構或者荷載的變化，通過有限元軟件單元的激活或鈍化、荷載加載來模擬完整過程施工[2]。

2.2 計算模型及參數

為真實地模擬樁基礎施工對于海堤結構的變形影響，根據實際地層結構與參數、樁基礎位置及海堤各部分結構構建三維有限元數值模型，賦予合理的材料參數，劃分合適數目的網格。按照實際施工過程，從地層土體自重固結、樁基礎加載、到施加管廊荷載的整個過程，進行全過程模擬。本次變形計算中，混凝土及樁采用彈性本構，其他土體材料采用摩爾-庫倫本構。模型計算范圍為高50m，寬度為35m，垂直管道軸線方向的長度為200m。模型計算材料參數見表1。

表1 材料參數表

2.3 計算結果

樁基礎施工造成施工區域土體發生擾動，造成水平側向卸載和豎向卸載，進而導致海堤結構發生一定程度的水平側向位移和豎向變形。圖2 及圖3 分別為海堤X向位移圖和Z 向位移圖，其中Z-X 平面為海堤的縱斷面，X 軸方向為海堤橫向斷面，Y 軸的方向為管廊鋪設方向。由圖可知：樁基礎施工導致海堤產生最大水平位移為3.1mm，豎直方向最大位移為 2.1 mm，最大總變形值為 5.0 mm，屬于安全范圍內。綜上所述，可認為管廊工程施工會造成鄰近海堤結構發生一定程度的水平側向位移和豎向位移，但整體位移量較小，在正常施工條件下，該工程樁基礎施工不會危及鄰近海堤的安全運行。

圖2 樁基礎施工期間海堤X 向位移圖

圖3 樁基礎施工期間Z 向位移圖

3 樁基礎施工對海堤的整體穩定分析

3.1 計算方法

本工程樁基礎采用摩擦樁型式，施工期間會產生一定的擠土效應和振動，對海堤結構整體穩定產生不利影響。擠土效應會增大土中的水平應力，導致超空隙水壓力發生急劇變化,破壞土體原有結構。施工振動會對土體造成一定擾動，導致土體抗剪強度降低，不利于結構整體抗滑穩定[3]。本次計算將動態施工過程中的施工荷載進行簡化，用靜力代替施工荷載，均勻地施加至各土層中，求得施工過程中海堤的整體抗滑穩定安全系數[4]。海堤穩定分析采用Autobank 軟件中瑞典圓弧法進行計算。瑞典圓弧法的計算公式如下：

式中：K 為抗滑穩定安全系數；Ti指被滑弧所切割的土工織物的強度；ci、分別為土體的粘結力和摩擦角；bi為土條寬度；αi為土條滑動面中點的切線與水平線的夾角；R 為滑弧半徑；Mi為水平向慣性力對圓心的力矩；Qi為作用于土條重心處的水平地震慣性力；Qi’為作用于土條重心處的豎向地震慣性力，在程序中通過試算確定。

3.2 計算工況

結合海堤的現狀運行情況，綜合考慮結構形式、地質條件、海堤走向等因素，選取三個典型斷面進行安全穩定計算。本次計算分為以下三種工況：

現狀運行期Ⅰ：外側為設計高潮位5.31m，內側護堤河常水位1.6m。

現狀運行期Ⅱ：外側采用地面高程，內側為護堤河20 年一遇設計洪水位2.65m。

施工期Ⅲ：外側設計高潮位5.31m，內側為護堤河常水位1.6m。

3.3 計算成果

由Autobank 軟件計算成果（詳見表2）可知：現狀運行期間，三個典型斷面的最小滑動安全系數值為1.62，大于規范要求值1.20；管廊施工期間，三種典型斷面的最小滑動安全系數值為1.56，大于規范要求值1.10。即海堤在三種工況下，整體穩定均滿足規范要求。管廊施工期間，安全系數比現狀運行工況有所降低，即施工期荷載對于海堤的整體穩定不利，造成安全系數值減少[5]。但整體安全系數降低幅度較小，且均滿足穩定要求。

表2 典型斷面在三種工況下抗滑穩定安全系數

4 結論及建議

結合數值模擬分析結果，管廊施工時，樁加載引起海堤結構的內力和位移變化均處于較低水平，變形影響較小。同時，施工期抗滑安全系數存在降低幅度，對海堤整體穩定存在一定影響，但是在規范要求范圍內。為保障海堤結構的整體安全運行，主要建議如下:

（1）加強對施工區域的觀測。施工階段及運行階段應加強對堤頂位移的監控量測，以及時了解海堤結構的安全狀態。

（2）做好施工期間的安全管理。管廊工程施工過程中，應注意施工車輛尤其是重型機械的通行，實施相關處置措施。

（3）完善施工階段管理。優化施工工期，控制壓樁速率，有效釋放施工區域內土層應力，減輕施工對于土體的擾動，以減少對海堤結構的不利影響。