龔瑜
(上海市建工設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海市 200235)
土體擾動(dòng)變形對(duì)河道護(hù)岸的影響研究
龔瑜
(上海市建工設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海市 200235)
據(jù)城市發(fā)展的需要,市政交通設(shè)施包括隧道或管道穿越及沿河的情況成為了河道護(hù)岸加固改造的一個(gè)重要因素。隧道及管道施工時(shí)將引起土體擾動(dòng)變形,對(duì)周邊河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在周邊環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)這種影響可以通過(guò)采取一定的土體加固措施后減少對(duì)護(hù)岸的影響。通過(guò)實(shí)例的數(shù)值模擬的方式預(yù)測(cè)了盾構(gòu)施工期對(duì)河道護(hù)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(dòng)變形;數(shù)值分析;影響;對(duì)策
河道護(hù)岸在長(zhǎng)期使用過(guò)程中受到損壞、對(duì)河道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高及排水方式改變等因素會(huì)引起河道護(hù)岸不同程度的改造,以滿足各種功能的需求。同時(shí)由于城市發(fā)展的需要,各種型式的市政交通設(shè)施不可避免的與河道發(fā)生關(guān)系,隧道或管道穿越及沿河管線敷設(shè)等情況也成為了河道護(hù)岸加固改造的另一個(gè)重要因素。
隧道及管道施工時(shí)會(huì)由于施工引起的地層損失、地層原始應(yīng)力的變化、擾動(dòng)土體的固結(jié)與土體的蠕變或自身工藝等原因引起土體擾動(dòng)變形,對(duì)周邊一定范圍內(nèi)的河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響。土體擾動(dòng)對(duì)河道護(hù)岸影響的程度以及采取加固措施后減少對(duì)護(hù)岸影響的效果的研究顯得尤為重要。
城市中心城區(qū)水系發(fā)達(dá),河道兩側(cè)往往存在大量的建構(gòu)筑物、城市主、次干道、地下管線、市政設(shè)施等致使河道周邊環(huán)境復(fù)雜,加固河道護(hù)岸方案應(yīng)盡量選取對(duì)周邊環(huán)境影響較小的方案實(shí)施。
護(hù)岸工程按形式可分為坡式護(hù)岸、壩式護(hù)岸、墻式護(hù)岸、生態(tài)護(hù)岸以及其他形式護(hù)岸。
(1)坡式護(hù)岸將建筑材料或構(gòu)件直接鋪?zhàn)o(hù)在堤防或?yàn)┌杜R水坡面,形成連續(xù)的覆蓋層,防止水流、風(fēng)浪的侵蝕、沖刷。這種防護(hù)形式順?biāo)鞣较虿贾?,斷面臨水面坡度緩于1∶1.0,對(duì)水流的影響較小,也不影響航運(yùn)。在河勢(shì)比較穩(wěn)定,在水深流急處、險(xiǎn)要堤段、重要城市、港埠碼頭廣泛采用坡式護(hù)岸。湖堤防護(hù)也常采用坡式護(hù)岸。
(2)壩式護(hù)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(dǎo)引水流離岸,防止水流、風(fēng)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(hù)堤防安全。
(3)墻式護(hù)岸靠自重穩(wěn)定,要求地基滿足一定的承載能力??身槹对O(shè)置,具有斷面小,占地少的優(yōu)點(diǎn),常用于河道斷面窄,臨河側(cè)無(wú)灘、又受水流淘刷嚴(yán)重的堤段,海堤防護(hù)多采用坡式、墻式以及這兩者復(fù)式組合形式。
(4)生態(tài)護(hù)岸,主要利用植物或者植物與土工織物相結(jié)合,對(duì)河道坡面進(jìn)行防護(hù)。生態(tài)護(hù)岸集防洪效應(yīng)、生態(tài)效應(yīng)、景觀效應(yīng)和自凈效應(yīng)于一體,使河水與土壤相互滲透,系修復(fù)自然河道防護(hù)功能的有效對(duì)策。
(5)其他護(hù)岸形式如樁式護(hù)岸,通常采用木樁、鋼樁、預(yù)制鋼筋混凝上樁和以板樁為材料構(gòu)成板樁式、樁基承臺(tái)式以及樁石式護(hù)岸。常在軟弱地基上修建防洪墻、港口、碼頭、重要護(hù)岸時(shí)采用[1]。
除了生態(tài)式的柔性護(hù)岸以外,其他具有結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)護(hù)岸對(duì)結(jié)構(gòu)位移均有一定的要求,由于外部邊界條件的改變,硬質(zhì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變化較為敏感。
非開(kāi)挖式隧道及管道的施工對(duì)河道護(hù)岸基礎(chǔ)附近產(chǎn)生土體擾動(dòng),其施工工藝基本以盾構(gòu)及頂管為主。
2.1 盾構(gòu)施工
盾構(gòu)掘進(jìn)引起的土體變形主要成因?yàn)椋壕蜻M(jìn)引起的地層損失、地層原始應(yīng)力的變化、擾動(dòng)土體的固結(jié)與土體的蠕變、襯砌結(jié)構(gòu)的變化等。
(1)掘進(jìn)引起的地層損失:開(kāi)挖面土體移動(dòng)、土體擠入盾尾空隙、改變推進(jìn)方向、盾殼移動(dòng)對(duì)地層的摩擦和剪切、隧道襯砌產(chǎn)生的變形及襯砌沉降等。
(2)地層原始應(yīng)力的變化:盾構(gòu)法施工引起原狀土擠壓、剪切、扭曲,導(dǎo)致土體初始應(yīng)力的改變,產(chǎn)生應(yīng)力重新分布。
(3)土體固結(jié)與蠕變:盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)形成的超空隙水壓力區(qū)發(fā)生排水固結(jié)后引起地層位移以及土體蠕變過(guò)程中的次固結(jié)沉降。
(4)襯砌結(jié)構(gòu)的變化:襯砌結(jié)構(gòu)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(guò)程中以下幾個(gè)方面將引起土體擾動(dòng)變形:
(1)掘進(jìn)機(jī)和管道與周?chē)馏w摩擦帶動(dòng)土體移動(dòng);
(2)土體開(kāi)挖卸載產(chǎn)生的塑性區(qū),掘進(jìn)機(jī)外徑與管道外徑的環(huán)形空隙,盡管采用了注漿填充措施,但仍不可避免會(huì)產(chǎn)生土體損失,引起地面沉降;
(3)鉆進(jìn)糾偏:糾偏引起土體損失,增加對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng);
(4)鉆進(jìn)速度:當(dāng)管道鉆進(jìn)速度過(guò)快將會(huì)增大對(duì)土體的擾動(dòng);
(5)管道埋深:管道埋設(shè)越深對(duì)地表沉降的影響越小[3]。
由于中心城區(qū)河道周邊環(huán)境一般比較復(fù)雜,河道護(hù)岸加固應(yīng)盡量選取對(duì)周邊環(huán)境影響較小的方案實(shí)施,對(duì)于現(xiàn)狀護(hù)岸滿足規(guī)范要求,為了減少土體擾動(dòng)對(duì)河道護(hù)岸的影響,可通過(guò)土體加固減少土體擾動(dòng)對(duì)河道護(hù)岸的影響,增加護(hù)岸的穩(wěn)定性,減少結(jié)構(gòu)變形,同時(shí)護(hù)岸結(jié)構(gòu)改造中作為輔助手段起到抗?jié)B或增加樁基承載力的作用。結(jié)構(gòu)土體加固具有施工時(shí)間短,不進(jìn)行開(kāi)挖施工對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。適用于外部邊界條件變化不大,周邊環(huán)境復(fù)雜的情況。
不同的工程地質(zhì)及環(huán)境條件下,在選擇土體加固方法時(shí)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(jié)法和注漿法等。
(1)攪拌樁法是軟土地基加固和深基坑圍護(hù)中的常用方法,是一種施工機(jī)具簡(jiǎn)單、操作方便、造價(jià)低的隧道洞口加固方法,尤其在施工場(chǎng)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(xué)漿液注入地層進(jìn)行加固的方法,對(duì)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(jīng)常采用的加固方法,比較適用于含水豐富的流沙質(zhì)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(qū)受到一定限制,降水對(duì)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(jié)法是煤炭礦井通過(guò)第四紀(jì)松散表土地層時(shí)常用的一種特殊施工技術(shù),近十幾年來(lái)已逐步引進(jìn)到城市地鐵、路橋基坑等市政工程中。用凍結(jié)法加固盾構(gòu)進(jìn)出潤(rùn)洞口時(shí),一般采用垂直凍結(jié)法。即在后構(gòu)進(jìn)出潤(rùn)口上部的土體內(nèi)布置一定數(shù)量的凍結(jié)孔。經(jīng)凍結(jié)后在洞門(mén)處形成板坡?tīng)顑鐾玲∧粊?lái)抵御盾構(gòu)進(jìn)出洞破壁時(shí)的水土壓力,防止土層塌落和泥水涌入工作井內(nèi)。
對(duì)于河道土體加固一般考慮采用攪拌樁法及注漿法,機(jī)械設(shè)備較小、施工方便、對(duì)周邊影響較小,更適用于對(duì)護(hù)岸基礎(chǔ)周邊的土體加固,可采用河道護(hù)岸墻前及墻后加固兩種方式,但在區(qū)域周邊環(huán)境復(fù)雜,護(hù)岸墻后建構(gòu)筑物較多或者墻后為道路無(wú)法進(jìn)行施工的區(qū)域,采用護(hù)岸墻前即河中土體加固是比較合理的選擇。
以盾構(gòu)法在沿河施工對(duì)河道護(hù)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(yù)測(cè)盾構(gòu)施工期對(duì)河道護(hù)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(shù)值計(jì)算法,其中以有限元單元法為主。
建立二維有限元模型,進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算,預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工引起護(hù)岸的變形并同時(shí)分析加固方案的效果。
有限元模型的建立如下:
(1)土體本構(gòu)模型與參數(shù)
土體采用Hardening-soil模型,該模型在巖土工程中應(yīng)用較多。計(jì)算中土層分布按照地質(zhì)報(bào)告選取。
(2)荷載和地下水位
計(jì)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(wú)厚度Goodman接觸面單元模擬地下結(jié)構(gòu)與土體和加固體之間相互作用。
(4)網(wǎng)格剖分
計(jì)算區(qū)域?yàn)椋荷疃热【嚯x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(cè)各80 m。水平向?yàn)閄向,豎直向?yàn)閅向,且對(duì)X邊界施加X(jué)向位移約束,Y邊界施加Y向約束。采用等三角形六節(jié)點(diǎn)平面單元模擬土體。
(5)模型影響因素
主要影響模擬結(jié)果的因素為盾構(gòu)穿越的位置,包括盾構(gòu)的直徑、深度、與河道護(hù)岸的水平距離等,各影響因素綜合影響模擬結(jié)果,但對(duì)于同一工程,盾構(gòu)的直徑為定值,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)與河道相互影響的區(qū)域內(nèi)盾構(gòu)深度變化也有限,因此本文主要以盾構(gòu)與河道護(hù)岸的水平距離為主要影響因素進(jìn)行分析。
4.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析
4.2.1 模擬設(shè)計(jì)工況
模擬設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表1。
表1 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)工況表
4.2.2 計(jì)算結(jié)果
圖1、圖2顯示盾構(gòu)穿越后防汛墻的變形趨勢(shì)圖,從圖中可以看出,盾構(gòu)正上方沉降最大,然后向兩側(cè)逐漸減小。同時(shí)根據(jù)圖3、圖4的計(jì)算結(jié)果表明,隨著土體損失率增加,河道護(hù)岸的水平與垂直變形逐漸變大,基本上呈線性變化;盾構(gòu)外邊線與河道護(hù)岸的水平距離越近,河道護(hù)岸的變形越大,在一定距離范圍內(nèi)變化呈現(xiàn)陡增趨勢(shì)。
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(hù)岸水平變形圖
圖4 不同土體損失率河道護(hù)岸垂直變形圖
4.3 土體加固方案及效果分析
根據(jù)第4.2節(jié)計(jì)算分析結(jié)論,距離盾構(gòu)越近河道護(hù)岸變形越大,因此加固方案僅計(jì)算盾構(gòu)外側(cè)距河道護(hù)岸外邊線最近處的工況即可,見(jiàn)圖5、圖6及表2。
圖5 加固后護(hù)岸的水平位移(單位:mm)
表2 不同土體損失率對(duì)應(yīng)防汛墻變形統(tǒng)計(jì)表
根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定,河道護(hù)岸變形應(yīng)控制在10 mm以內(nèi)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知在進(jìn)行了土體加固后在土體損失率不大于0.30%時(shí)河道護(hù)岸位移滿足了相關(guān)規(guī)范的要求。土體加固很好的減輕了盾構(gòu)施工對(duì)河道護(hù)岸的影響。但同時(shí)應(yīng)注意在盾構(gòu)等工程施工的過(guò)程控制好土體損失率,才可以達(dá)到土體加固措施的預(yù)期效果。
根據(jù)城市發(fā)展的需要,市政交通設(shè)施包括隧道或管道穿越及沿河的情況成為了河道護(hù)岸加固改造的一個(gè)重要因素。隧道及管道施工時(shí)會(huì)由于施工引起的土體擾動(dòng)變形,對(duì)周邊一定范圍內(nèi)的河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響。在周邊環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)這種影響可以通過(guò)采取一定的土體加固措施后減少對(duì)護(hù)岸的影響。本文通過(guò)實(shí)例的數(shù)值模擬的方式預(yù)測(cè)了盾構(gòu)施工期對(duì)河道護(hù)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。
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1009-7716(2017)09-0181-04
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.055
2017-05-04
龔瑜(1971-),男,江蘇張家港人,高級(jí)工程師,從事水工、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)咨詢工作。