（岩土工程专业论文）沉管隧道基槽边坡稳定性研究.pdf

j 学位论文版权使用授权书 f i i irf ir l rlri iiji l t iif y 1 7 812 2 3 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 提供阅览服务，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：导师签名： 孑秀花 签字日期：力咖年7 月彦i t签字日期：纠，年7 月多日 导师姓名：王秀英 谭忠盛 学位类别：工学 i m m e r s e d 5 3 3 职称：副教授 教授 学位级别：硕士 学科专业：岩土工程研究方向：地下空间开发 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的研究工作是在导师王秀英副教授和谭忠盛教授的悉心指导和不断鼓 励下完成的。从论文的选题、构思到论文的撰写、定稿，每一个环节无不倾注了 老师大量心血。在两年的硕士学习期间，导师教会了我如何去学习、如何去科研、 如何去思考问题和解决问题、如何去面对困难和挫折、如何去为人处事。特别是 在现场实验的过程中，导师渊博的学识、深邃的科研洞察力、严谨求实的治学态 度、科学的工作方法和废寝忘食的工作热情给了我极大的帮助和影响，这将是我 终生受用的财富。在此论文完成之际，谨向老师致以最崇高的敬意和最衷心的感 谢! 衷心感谢隧岩所各位老师刘维宁老师、贺少辉老师、项彦勇老师、黄明 利老师、李兆平老师、李涛老师和班主任张德华老师等在研究生求学过程中给予 的指导。在完成论文相关实验的过程中还得到毛军老师的指导和中铁隧道集团公 司程晓明总工和马建国、南旭耀等的积极配合，在此表示由衷的感谢。 在实验室工作期间，得到了师兄袁慧、严竞雄、于清浩、程志鹏、倪鲁肃、 李健、柴文书的悉心指导，得到了黄启迪、朱海涛、万飞、何信、唐一丰的鼎力 支持，得到了师弟罗平、李孔明、焦康杰、齐万鹏、刘春阳、迟永利和师妹梁韵 的积极协作，在此向他们表达我的感激之情。 最后，我要感谢我勤劳朴实的父母，是他们用心血和汗水、关心、支持、鼓 励，成就了我的求学之路。 方华 2 0 1 0 年6 月5 日于红果园 中文摘要 中文摘要 摘要：工程界普遍认同跨越航运繁忙河道的第一选择是修建水底隧道。而在现有 的若干水底隧道工法中，沉管法由于其独特的优越性而成为主要的跨江跨海隧道 工法。 本文主要讨论沉管隧道水下基槽边坡合理坡率的问题，该问题影响到工程水 下开挖土方量和管段沉放之后回填的土方量，直接影响工期和工程造价。基槽边 坡坡率采用过缓，基槽开挖量和回填量均较大，工程不经济；边坡坡率采用过陡， 施工中可能引起边坡坍塌，也会带来巨大的经济损失。因此，沉管隧道水下基槽 边坡合理坡率问题的研究具有很重要的意义。 本文通过分析基槽流场的分布，得出在较低的河流流速和较低的管段沉放速 度下，流场中的压强分布与静水中的流场分布相差不大；考虑在较高的河流流速 和较低的管段沉放速度情况下，出现渗流的不利情况。并就上述情况分析了水下 边坡的计算模式，比较了解析计算和数值计算的结果。 在数值计算中主要采用强度折减法，其失稳判据主要有3 种：( 1 ) 数值计算不 收敛；( 2 ) 特征部位的位移突变；( 3 ) 潜在滑移面塑性区贯通。作为强度折减法的关 键技术问题，边坡失稳判据直接影响计算的准确性。文中分别从这三个方面对计 算结果进行了分析，比较其结果，得出用计算不收敛作为水下边坡失稳判据求解 基槽边坡稳定性安全系数是可行的。 通过上述分析，结合工程实际情况，认为洲头咀沉管隧道基槽边坡坡率可以 采用：强风化砂岩层为l ：1 ，亚粘土层为1 ：2 ，砂土层为l ：3 。 全文共计图5 7 幅，表2 5 个，参考文献4 6 篇。 关键词：沉管隧道；水下边坡；强度折减；失稳判据 分类号： 1l】- 、i一 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t u n n e l sa r eg o o ds o l u t i o n st ot r a n s p o r t a t i o np r o b l e m si nl a r g ec i t i e s s e p a r a t e db yl a r g er i v e r s i m m e r s e dt u b et u n n e l ( i t t ) i sap r i n c i p a lc h o i c eb e c a u s eo f i t su n i q u ea d v a n t a g ei nt h ec u r r e n t l ye x i s t i n gc o n s t r u c t i o nw a y t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ei m m e r s e dt u b et u n n e lu n d e r w a t e rs l o p ef o u n d a t i o nt r e n c h s l o p er e a s o n a b l er a t e s ，t h i sp r o b l e m sd i r e c t l ya f f e c tt h eu n d e r w a t e re x c a v a t i o no f e a r t h w o r kp r o j e c ta n da f t e rt h es i n k i n gp i p eb a c k f i l le a r t h w o r k , d i r e c t l ya f f e c tt h e d u r a t i o na n dc o s t s l o p ew i t hs l o ws l o p er a t e ，f o u n d a t i o nt r e n c he x c a v a t i o no fe a r t ha n d b a c k f i l l i n go fe a r t ha r eb o t hr e l a t i v e l yl a r g e ra n dt h ep r o j e c ti sn o te c o n o m i c ；s l o p ew i t h s t e e ps l o p er a t e ，t h e nt h ec o n s t r u c t i o nm a yl e a dt os l o p ec o l l a p s ew i l lb r i n gh u g e e c o n o m i cl o s s e s t h e r e f o r e ，as t u d yo ni m m e r s e dt u b et u n n e lu n d e r w a t e rs l o p eo f r e a s o n a b l ef o u n d a t i o nt r e n c hs l o p eo ft h er a t eh a sv e r yg r e a ts i g n i f i c a n c e a n a l y s i so ft h eu n d e r w a t e rs l o p eo ft h ec o m p u t i n gm o d e lt oc o m p a r e d , h ea n a l y t i c a l c a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a lr e s u l t s ，b a s e do nt h ef o u n d m i o nt r e n c hf l o wf i e l d ，a n a l y s i so f u n d e r w a t e rs l o p es t a b i l i t yw i t hh y d r o s t a t i cc o n d i t i o n sa n da n a l y s i so fu n d e r w a t e rs l o p e s t a b i l i t yw i t hh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n sd r a war e a s o n a b l ef o u n d a t i o nt r e n c hs l o p er a t e a n a l y s i so f t h ed i s t r i b u t i o no ff o u n d a t i o nt r e n c hf l o wi so b t a i n e da tt h el o w e rr i v e rf l o w a n dl o w e rs p e e do fs i n k i n gt u b es e c t i o n s ，t h ef l o wf i e l di nt h eh y d r o s t a t i cp r e s s u r e d i s t r i b u t i o na n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nl i t t l ed i f f e r e n c e ；a s s u m et h a ta tt h eh i g h e rr i v e r f l o wa n dl o w e rs p e e do fs i n k i n gt u b es e c t i o n s ，t h ed o w n s l o p es e e p a g ef l o w e m e r g e s ，c o n s i d e rt h em o s ta d v e r s es i t u a t i o n s a n a l y z e st h eu n d e r w a t e rs l o p ec a l c u l a t i o n m o d e lb a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i sa n dc o m p a r et h er e s u l t so fa n a l y t i c a lc a l c u l a t i o na n d t h en u m e r i c a lr e s u l t s i nt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm a i n l yu s et h es t r e n g t hr e d u c t i o n t h e o r y , t h e r ea r et h r e ef a i l u r ec r i t e r i ai ns l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s ：( 1 ) t h en o n c o n v e r g e n c e o ft h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ；( 2 ) t h ea b r u p t n e s so ft h ed i s p l a c e m e n to rd e f o r m a t i o na ta c e r t a i nc h a r a c t e r i s t i cl o c a t i o n ；( 3 ) t h ec o n n e c t i v i t yo fp l a s t i cz o n eo ns l i ps u r f a c e a sa k e yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o db a s e do ns h e a rs t r e n g t hr e d u c t i o n ，t h es l o p ef a i l u r e c r i t e r i o nw i l la f f e c tt h ea c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t i o n t oa n a l y s i st h ea b o v es e v e r a l i n s t a b i l i t yc r i t e r i o na n dc o m p a r et h er e s u l t t h ec o n c l u s i o ni st h a tu s en o n - c o n v e r g e n c e m e t h o dt oc a l c u l a t es a f e t yf a c t o ro fa n t i - s l i d ep i l es u p p o r ts l o p ei sf e a s i b l e t h r o u g ht h i sa n a l y s i s ，c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n , c o m et ot h es l o p er a t i o o ff o u n d a t i o nt r e n c ho ft h ez h o u t o u z u ii t t ：t h es l o p er a t i oo fh i g h l yw e a t h e r e d l r 【 北京交通人学硕士学位论文 s a n d s t o n el a y e ri s1 ：1 ，t h es l o p er a t i oo f s u b - c l a yl a y e ri s1 ：2 ，a n dt h es l o p er a t i oo fs a n d l a y e ri s1 ：3 t h e r ea r e5 7i l l u s t r a t i o n s ，2 5t a b l e sa n d4 6r e f e r e n c e s k e y w o r d s ：i m m e r s e dt u b et u n n e l ；u n d e r w a t e rs l o p e ；s t r e n g t hr e d u c t i o nt h e o r y ； i n s t a b i l i t yc r i t e r i o n c i a s s n o ： 1， ，1 r 目录 目录 中文摘要v a b s 7 i r a c t v i i 1 引言1 1 1沉管隧道概述1 1 1 1 沉管隧道的定义1 1 1 2 沉管隧道的关键技术2 1 2研究背景及意义2 1 2 1 课题背景2 1 2 2 研究意义5 1 3国内外研究现状6 1 3 1 国外研究现状7 1 3 2 国内研究现状8 1 4本文的研究内容和方法9 1 4 1 研究内容j - 9 1 4 2 研究方法1 0 2 沉管隧道基槽边坡坡率1 1 2 1 概述。1 1 2 2部分沉管隧道基槽边坡坡率1 1 2 3模型隧道与洲头咀隧道的工程对比分析1 3 2 3 1 沉管管段结构比较1 4 2 3 2 工程地质条件比较15 2 3 3 水文地质条件比较1 9 2 - 3 4 河流水文特征比较2 0 2 3 5 气象条件比较2 1 2 4模型隧道基槽边坡坡率2 2 2 4 1 基槽边坡设计2 2 2 4 2 基槽边坡设计调整2 2 2 5本章小结2 3 3 静水边坡稳定性分析2 4 3 1 概述2 4 7 北京交通大学硕十学位论文 3 2边坡稳定性分析方法的选择2 4 3 2 1 边坡稳定性的精确分析2 4 3 2 2 边坡稳定性的近似分析2 5 。 3 3 水下边坡稳定性的计算模式2 7： 3 3 1 水流速度对水下边坡分析的影响2 7 l 3 3 2 静水边坡的分析模式2 8 。 3 4静水边坡稳定性分析解析计算3 0 3 4 1 极限平衡分析方法3 0 3 4 2 解析计算3 3 3 4 3 解析计算结果分析3 6 3 5静水边坡稳定性分析数值计算3 6 3 5 1 强度折减法基本原理3 6 3 5 2 计算模型的建立3 9 3 5 3 数值计算结果分析4 l 3 6本章小结5 2 4动水边坡的稳定性分析5 3 4 1 概j 签5 3 4 2沉放阶段管段对流场分布的影响5 3 4 2 1 管段的沉放过程。5 3 4 2 2 流场分析相关理论5 6 4 。2 3 沉放阶段基槽流场分析数值方法。6 3 4 2 4 流场变化对基槽边坡的影响一7 0 4 3渗流情况下水下边坡稳定性数值计算7 1 4 3 1 渗流场与应力场的相互作用机理7 l 4 3 2 数值计算模型的建立。7 7 4 3 3 数值计算工况7 8 4 3 4 数值计算结果分析7 9 4 4本章小结8 5 5工程实例分析8 6 5 1 概述8 6 5 2基槽施工过程中的回淤问题。8 6 5 2 1 生物岛基槽回淤量计算8 6 5 2 2 淤泥沉积带来的问题8 8 5 2 3 防止淤泥沉积的对策8 8 目录 5 3洲头咀隧道基槽工程概况8 9 5 3 1 工程设计技术标准9 0 5 3 2 基槽开挖流程9 1 5 3 3 施工方法9 l 5 4洲头咀隧道基槽边坡稳定性分析9 5 5 4 1 埋深最深断面地层分布9 5 5 4 2 计算参数选取9 5 5 4 3 计算模型建立9 6 5 4 4 计算结果9 6 5 5本章小结9 8 6结论与展望9 9 6 1主要结论9 9 6 2展望9 9 参考文献10 1 作者简历。1 0 3 独创性声明10 5 学位论文数据集1 0 7 r l l i 引言 1 引言 随着我国社会经济的不断发展，水底隧道因能很好地解决水域的跨越问题， 同时又降低了对周围环境的影响，解决了大面积水域的航运问题，成为一种跨越 江河和海湾( 峡) 的新方式，逐渐在世界范围和我国得到应用。 目前大型水底隧道多采用钻爆法、盾构法和沉管法施工。相对于钻爆法和盾 构法，沉管隧道施工对地层条件要求不高、沉管埋设较浅、断面形式灵活、防水 性能优于盾构法、工序可平行进行、总工程量较小等优势。因此，沉管法已成为 跨越江河( 海) 通道的主要经济技术比选的工法。 沉管法隧道对地基要求较低，特别适用于软基、河床或海床较浅易于用水上 疏浚设施进行基槽开挖的工程地点。由于其埋深小，包括连接段在内的隧道线路 总长较矿山法和盾构法隧道显著缩短。沉管断面形状可圆可方，选择灵活。基槽 开挖、管段预制、浮运沉放和内部铺装等各工序可平行作业，彼此干扰较少。管 段预制质量易于控制。虽然管段沉放时对航道有影响，但总体上优于其他方法【l 】。 随着沉管法隧道设计和施工中关键技术问题的逐步解决和同趋完善，随着沉管法 在世界各国的广泛采用和技术上的交流，沉管隧道受到越来越多国家的重视，逐 渐成为水下大型隧道工程的首选施工方法。 1 1沉管隧道概述 1 1 1沉管隧道的定义 沉管隧道( i m m e r s e dt u b et u n n e l ，简称i t t ) z 程是从上世纪初开始逐步发展 起来的一种大型跨水交通工程。根据国际隧道协会( i t a ) 成立的沉管隧道和悬浮隧 道特别工整组于1 9 9 3 年提供的报告，一种当今被普遍认可的沉管隧道定义为：沉 管隧道是由若干预制的管段，分别浮运到现场，一个接一个地沉放安装，在水下 将其互相连接并正确定位在已经开挖的水下沟槽内，其后辅以相关工程施工，使 这些管段组合体成为连接水体两端陆上交通的隧洞型交通运输载体。 从管段预制至安装的过程包括5 个水中施工工序：管段起浮、出坞与浮运、 管段沉放、水力压接、基础构筑及覆土。在上述工序中，管段的浮运及沉放是沉 管隧道施工过程中的一项重要技术。这是因为管段通常为箱型结构物，体积庞大， 加之河道宽度限制以及沉放时还需精确定位，考虑的因素较多( 包括水流速度与方 广【0 北京交通人学硕十学位论文 向、潮汐的影响、水的密度、波浪、大风等等) 。管段在干坞制作完毕后起浮，进 行必要的施工附件安装后，被拖运至工程建设的施工地点进行沉放定位。 1 1 2沉管隧道的关键技术 沉管隧道的关键技术有基槽浚挖与地基处理、管段预制与浮运沉放技术、接 头设计与管段防水等1 4 j 。结合本论文的研究重点，在后面的章节中将论述管段基槽 的浚挖及其边坡的稳定性问题。 总体而言，沉管隧道是一项技术性较强的重大工程，隧道的设计施工过程中 涉及到多门学科的知识，如土木工程中混凝土结构防水问题，船舶工程中船舶与 管段拖曳与操纵问题，水力学中管段水动力问题，海洋工程中波浪及潮汐作用问 题，水利学中泥沙问题，以及空气动力学中隧道通风及压力波问题等【4 】。 1 2 研究背景及意义 1 2 1课题背景 本文依托的课题背景是“广州市洲头咀隧道工程科研试验项目”。洲头咀越江 工程通过桥隧方案竞赛，结合规划和区域城市景观要求，确定为隧道越江方式。 工程位于广州市西南部地区，三江交界处的白鹅潭南端约8 0 0 m 处的珠江后航道 上，位于珠江隧道和鹤洞大桥之间，是联系海珠区与荔湾区芳村的又一条过江通 道。上游距珠江隧道约1 4 k i n ，下游距鹤洞大桥约2 2 k m 。工程起点为荔湾区芳村 的花地大道一花蕾路交点，往东沿线与芳村大道相交后穿越珠江，与海珠区内环 路洪德路立交通过匝道相接，并穿越洪德路与规划t 1 3 路相接，止点为t 1 3 路与 宝岗路交点，工程地理位置见图1 1 所示。 广州市洲头咀隧道工程全长1 9 3 4 1 2 7 m ( 如图1 2 所示) 。越江段为沉管法隧道， 沉管段总长3 4 呖，双向六车道，钢筋混凝土结构。沉管分成四节，最大管段长8 5 m 。 管段对接采用水力压接法和水下最终接头，最终接头设在e 3 与e 4 管段间。管段 间均采用柔性接头，接头间采用钢索连接。该隧道采用轴线干坞预制管段，干坞 设于西端岸上段( 芳村段) 靠河侧。干坞呈纵向长条形布置，分两次预制、每次预制 两节管段。所有预制管段在干坞内一次试漏并分节起浮，e l 及e 2 管段在干坞内 完成二次舾装后依次移至隧址沉放对接，e 3 及e 4 管段需要临时系泊，等西侧岸 上段主体结构完工后再移至隧址沉放、对接及施工最后接头。 2 引言 图1 1 广州市洲头咀隧道工程 根据洲头咀隧道工程的整体布置及考虑现场环境的限制，隧道沉管管段包括 标准截面管段和渐变截面管段。管段的高度均为9 6 8 m ，标准宽度3 1 4 m ，但e 1 节( 第一节，连接海珠区) 的截面宽度是局部渐变的，宽度由3 1 4 m 过渡到3 9 3 6 m ； e 4 ( 最后一节，连接荔湾区芳村) 的截面宽度也是局部渐变的，宽度由31 4 m 过渡到 3 7 8 2 m 。这一变截面管段情况在国内沉管隧道中是首次出现。由于沉管管段存在 变截面部分，管节不规则，存在纵横向重心，浮心的不对称，不重合，使沉管在 浮运和沉放过程中的受力问题更加复杂，也使管段之间接头受力不同，对接头 g i n a ，o m e g a 以及限位钢束产生影响。因此，变截面管段对施工过程中的控制提 出了更高的要求，增大了管节制作、浮运、沉放及对接等的施工难度和风险。须 结合这一特殊性对整个水中施工过程的特点进行分析研究，采取合理可靠的技术 措施，才能满足变截面管段条件下的使用要求。 “广州市洲头咀隧道工程科研试验项目”的总体思路是：采用工程调研、理 论分析、准1 ：l 模型试验、工程类比、数值计算相结合的方法进行课题相关内容的 研究，具体内容有下面几个方面，整个课题的科研路线如图1 3 所示。 ( 1 ) 选择同样采用沉管法的、目前正在施工的“广州市生物岛大学城隧道 工程( 以下简称生物岛隧道工程) ”作为“广州市洲头咀隧道工程”的模型，进行准 1 ：1 模型试验通过对前者沉管水中施工的全过程进行现场测试和监测，获取大量的 实测工程数据，建立模型沉管水中施工过程的数学物理方程或公式，得到有关的 参数和系数。同时，采用数值模拟方法进行计算和分析，用实测数据对模拟计算 进行验证和修正，使数值模拟与实测数据吻合，确认数值模拟解决沉管水中施工 问题的适用性。由于该两项工程同处广州，水文、气象、地质等各方面的条件非 3 r l 北京交通人学硕十学位论文 常接近，沉管又都是双隧道矩形断面，且尺寸相差不大，因此，具有非常大的可 比性。 羹 ： 蓁 一】4 r m 掣 芳聿重摩上段蔓 水下最终接头2 铀- 、- e , - , 曾事3 a 1 ) 抗警段 量 以 引 i 矗必之 、引 j 图1 2 广州市洲头咀隧道上程沉管段概况 ( 2 ) 选择与洲头咀隧道工程相距不远、环境条件更为相近、同样采用沉管法建 造的珠江隧道作为示例工程进行类比分析，珠江隧道是我国最早建成的沉管隧道， 与本课题依托的洲头咀隧道相毗邻。在建造过程中积累了大量的模型试验数据和 工程实施技术资料。它的沉管管段情况与洲头咀隧道沉管管段的情况比较接近， 在工程地质、水文条件、气象条件方面也更加接近。 另外，珠江隧道沉管的沉放采用的是单起重船( 5 0 0 t 浮吊) 加上一艘2 0 0 0 t 方驳 进行大型管段( 宽度3 3 m ) 的吊沉，而本课题的模型生物岛隧道，其沉管管段拟 采用另一种方法双驳船沉放法进行吊沉。因此，珠江隧道和生物岛隧道工程 能够为洲头咀隧道工程的实施提供很好的经验和借鉴，是非常合适的工程示例， 对优化洲头咀隧道沉管管段的水上施工有重要作用。 ( 3 ) 分析珠江隧道的缩尺模型试验数据及工程施工实测数据，以及生物岛隧道 工程的现场施工实测资料，获取必要的边界条件和验证性数据，对该两隧道管段 的水上施工过程进行数值模拟计算和分析，对计算结果进行验证，对计算模型和 方法进行修正，使数值模拟计算的适用性、准确性和可靠性得到充分的论证，然 后再将经过修正的数值模拟方法应用于原型即广州市洲头咀隧道工程沉管水中施 工过程的模拟计算中。经过实际工程检验和修正的数值模拟计算将具有满足工程 4 ， i 引言 需求的准确性。 资料调研丁程调研| + _ 1 沉管隧道t 程类比分析 图1 3 课题科研路线示意图 一 ( 4 ) 对于基槽边坡的稳定性研究，主要采用理论解析分析、数值计算方法进 行。最后，对1 ：1 模型试验的全部结果以及数值模拟计算的结果进行分析、计算， 归纳总结实用的计算公式，绘制实用的曲线图表等。将模型与原型进行比较分析， 得到关于原型施工过程所需的各类数据和施工工法，直接为洲头咀隧道工程的沉 管施工提供指导。 依托上述科研课题内容，本论文选取其中基槽边坡稳定部分作为本论文所要 研究的对象。具体包括基槽流场分析、静水条件下的基槽边坡稳定性分析和动水 条件下的基槽边坡稳定性分析。该部分内容在整个科研课题中的定位和各部分之 间的相互关系如图1 3 课题科研路线示意图中方框加粗部分所示。 1 2 2研究意义 由于每座隧道所处水文、地质条件不同，隧道尺度及结构型式也不同，设计 施工中遇到的有关问题单纯的根据以往经验是远远不够的，必须要有理论上的指 导。 北京交通人学硕士学位论文 目前，国内外对于标准等截面沉管的模型试验研究成果较多，而对变截面管 段的相关研究成果较少，与本工程类似可直接引用的经验更少。因此，为了解决 沉管变截面管段施工的关键技术问题，需要对其进行管段模型试验研究，搞清变 截面管段在水中施工的力学特点，以验证设计理论计算结果，指导施工操作，确 保施工的安全可靠。同时，考虑到试验研究难以穷尽各种施工条件和受力工况， 在原型与模型的相似变换过程中也存在一定的误差的情况，为了弥补模型试验研 究的不足，尽量使试验与实际工程施工情况吻合，宜结合本课题的特点，探讨应 用计算机数值模拟技术求解“箱形钢筋混凝土结构沉管管段在水中受力问题的 方法，争取在解决“钝体在限制区域的粘性兴波问题的数值求解”这一难题方面 有所突破。 本文所研究的基槽边坡相关为题有着相当的工程和经济意义。沉管隧道水下 基槽边坡合理坡率的确定，直接影响工程水下开挖的土方量和管段沉放之后的回 填土方量，也直接影响工期和造价，坡率采用过缓，基槽开挖量与回填量均较大， 工程不经济；坡率采用过陡，则施工中可能引起边坡坍塌。尤其在浮运沉放工程 中，如果出现基槽边坡稳定性问题，则整个浮运沉放工程将功亏一篑。因此，基 槽边坡的稳定性与合理坡率的确定是设计中必须慎重研究解决的问题。 总之，变截面沉管隧道的研究成果和工程实践很少，随着隧道工程的发展， 变截面沉管隧道的建设仍然会增多。我国现阶段在这方面既无成熟的经验可借鉴， 又无标准规范可参照，积累的设计、施工实践经验也不足。从目前情况看，由于 其本身具有众多复杂的因素，无论是设计、施工方法等诸多方面都面临着许多需 要攻关的前沿研究课题。因此，开展本课题的研究，并将成果直接应用于工程实 际，将对依托工程的顺利建成发挥重大作用和为以后的类似沉管隧道工程积累宝 贵经验。同时，也将大大缩短我国与国外在同类技术上的差距，对提高我国沉管 隧道的技术水平和整个隧道工程建设的发展具有重要意义和实用价值，产生显著 的经济效益与社会效益。 1 3 国内外研究现状 对于水下边坡稳定，无论在国内还是国外进行的研究都很少。这主要是由于 以前水下开挖沟槽的工程并不多见。而现在特别是沉管隧道的迅猛发展，对此问 题进行研究的重要意义越来越显现出来。 6 引言 1 3 1国外研究现状 从美、日、荷的沉管隧道工程发展历史中，大致可以看出世界沉管隧道的技 术发展趋势【5 j ： ( 1 ) 每节管节的长度和横断面面积的增加：最初的沉管隧道总长度7 8 2 m ，单 节长7 8 2 m ，而后来荷兰京斯麦尔隧道仅有4 节管节，每节长度2 6 8 m ，重达5 0 0 0 0 吨。最初的沉管隧道也只有2 车道或4 车道，而现在的沉管隧道能够达到8 车道， 例如荷兰的d r e c h t 隧道，1 9 7 7 年建成，其单节管节横断面8 0 8 m ( 高) 宰4 8 8 0 m ( 宽) ， 共计8 车道，单节管节重达4 7 0 0 0 t 。 ( 2 ) 隧道用途和功能的增加：最初的沉管隧道主要受制于管段横断面积及建造 材料的限制，只能满足于相对功能单一的用途，而现在的沉管隧道由于横断面积 的显著增加，可以将不同种类的道路集成在一个管线内。 ( 3 ) 沉管隧道管段的建造工艺不断提高：过去早期的管段采用的是圆形钢壳混 凝土结构，这种结构形式的优点在于圆形横断面的受力较好，因而在水深大时比 较经济。然而其缺点也很明显，圆形横断面的空间常不能充分利用，在浇注内衬 混凝土时，应力状态复杂，必须加强结构，故用钢量大，管节造价高；同时其防 水性能也相对较差，工程安全隐患较高。而现在采用的管段建造多半采用的是矩 行钢筋混凝土结构，其优点是横断面空间利用率高，建造多车道隧道时尤为突出； 工程量及造价较低，可节省大量钢材，从经济角度上和施工工期上来说都有着很 奸的优势。 ( 4 ) 沉管隧道地基适应性的增加：随着清淤技术和基础处理工艺的不断改进， 沉管技术能够在许多原先无法进行建设的基床上进行应用，例如荷兰d r e c h t 隧道 就是建造在以亚粘土质砂土为沉积物的水底基床上的。世界上己建成的1 0 7 座沉 管隧道中，不少是修建在软弱地基上。 在沉管隧道基槽边坡问题的研究上主要在于边坡稳定性理论的研究。以极限 平衡原理为基础的分析斜坡稳定性的方法应用最为普遍。在其分析过程中，先假 定一系列潜在破裂面，并沿这些破裂面比较为保持平衡所需要的强度与土中可利 用的强度，从而估算出关于斜坡稳定性的安全系数。 极限平衡法将土体视为理想刚塑性材料，土体在破坏之前保持稳定，当滑动 面处达到抗剪强度，就整体发生破坏。由于它简化了土的应力、应变关系。因此 并不能完全反应土体的实际破坏状态。但它在力学上作了一系列的假设，它抓住 了问题的主要方面，只要其运用得当，分析成果可以与实际符合得很好。另外它 有一个其他方法所无法比拟的优点，就是可以提供一个安全系数来表征土坡的稳 定程度，所以在工程中得到了广泛应用。 7 北京交通大学硕十学位论文 自1 9 1 6 年瑞典的p e r e r s o n 发明条分法以来，经过了8 0 年，条分法己在工程 中得到了广泛的应用，而且后人也在不断地完善它。表现在大部分的水利、港工、 交通规范在计算土坡稳定时采用的都是条分法，并且依据大量的工程实践中获得 的经验来修i f 它。因此到目前为止，极限平衡法尤其是条分法仍然是边坡稳定分 析的主要方法【6 1 。 1 3 2国内研究现状 我国在土坡稳定分析方法的改进方面发展较快，并在某些方面上取得了重大 的贡献。7 0 年代，潘家铮提出了滑坡极限分析的两条重要的原理：极大值原理与 极小值原理，并在1 9 8 0 年指出国外的某些文献中将“极大”改为“极小”的错误。他 指出：滑坡体如有可能沿许多滑面滑动，则失稳时它将沿抵抗力最小的那一个滑 面破坏( 极小值原理) ；滑坡体的滑面确定时，则滑面上的反力及滑坡体的内力皆能 自行调整，以发挥最大的抗滑能力( 极大值原理) 。潘家铮并同时指出，这两条原理 是相辅相成的。这两条原理成为了指导滑坡极限分析的理论准绳。 孙君实( 1 9 8 1 ) 在前人的工作墓础之上，利用虚功原理，根据d r u c k e r 公设证明 了潘家铮的极大值定理：利用模糊数学工具，建立了土坡稳定安全系数的棋糊函 数和模糊约束条件，并与传统的安全系数和最小安全系数相对应，提出了安全系 数的模糊解集概念。 张天宝( 19 7 8 ) 通过对按瑞典条分法建立的简单土坡稳定系数函数的数值分析， 全面地归纳了最危险团弧的变化规律。不仅论证了f e l e n i u s 和t a y l o r 等人的部分 研究成果的局部合理性，补充了他们的不足，并在实用方面制成了可供查用的图 表与曲线，提出了在确定最危险滑弧位置时较f e l e n i u s 的m m 线等经验法更为准 确的方法。张天宝( 1 9 8 0 ) 通过对复合土坡稳定系数函数的分析与数值计算研究，阐 明了复合土坡最危险滑面分布的多极值规律。 文献【2 l 】对于潜在破裂面的搜索进行了讨论，列举了常见的5 种滑裂面形状。 特别是对于粘聚力较大的土，在破坏时，首先在坡顶产生竖向裂缝，其破裂面是 既包括直线段又包括曲线段，文中对其潜在破裂面的搜索方法进行了较为全面的 介绍。 文献【2 2 】在非线性破坏准则下应用上限极限分析法讨论土坡稳定，将上限分析 法和极限平衡法结合得到了一个最小上限解，分析中引入了地震系数，对地震条 件下的稳定问题进行了探讨。 文献【lo j 根据极限平衡原理，将土坡稳定问题中的滑楔体模型加以改进，建立 了土坡破坏机制的滑楔分析技术，并将其扩展到地基承载力的求解中。 引言 水下边坡的研究相对较少，文酬2 】研究了管段沉放过程中基柑内的水流流态的 变化以及基槽水流流态对边坡坡角的影响。 文科2 】对京护高速铁路南京长江沉管隧道水下砂边坡稳定性进行了研究，并进 行了土工离心模拟试验研究。认为水下边坡的破坏始于坡脚，这与水上边坡一般 先由坡顶发生开裂从而开始滑移或坍塌不同，所以水下边坡在施工阶段要充分注 意坡脚的稳定；粉砂层水下边坡的极限坡率为l ：l ，而细砂层水下边坡的极限坡率 接近l ：2 ，这与一般的工程认识不同；河流的平均流速小于l m s 时，可以不计水 流在基槽中产生的高压区和低压区。 文献f 8 9 】分析了渗流情况下的水下边坡稳定性问题。认为在水流速度很小的情 况下渗流对水下边坡的稳定性是有利的，也指出水下边坡渗流的复杂性。 从力学分析上来讲，条分法对于水下边坡稳定分析仍然适用，只不过在孔隙 压力上、以及土在水下的工程性质发生了改变。文献【7 】中对边坡中的孔隙压力进行 了讨论。澄清了一些对于孔隙压力的错误认识。并从一般的渗流问题出发，推导 了在渗流问题安全系数的计算公式，指出如果边坡完全浸入水中，无论计算下滑 力还是抗滑力均应采用浮容重。 1 4本文的研究内容和方法 1 4 1研究内容 本文通过查阅大量文献资料，对国内外相关研究成果的归纳总结，并结合广 州市洲头咀隧道工程科研试验项目的需要，主要进行基槽边坡稳定性的研究。 前面得出：沉管隧道水下基槽边坡合理坡率的确定，直接影响工程水下开挖 的土方量和管段沉放之后的回填土方量，也直接影响工期和造价，坡率采用过缓， 基槽开挖量与回填量均较大，工程不经济；坡率采用过陡，则施工中可能引起边 坡坍塌，尤其是在沉放过程中，如果发生边坡坍塌，整个浮运沉放过程将前功尽 弃，会带来巨大的经济损失。因此，基槽边坡的稳定性与合理坡率问题的研究具 有非常重大的意义。 针对上述问题，本文主要研究内容主要有： ( 1 ) 基槽流场分布： ( 2 ) 边坡稳性定研究，基槽边坡的理论分析； ( 3 ) 静水边坡稳定性定研究； ( 4 ) 动水边坡稳定性定研究。 9 北京交通大学硕士学位论文 1 4 2研究方法 本文在进行上述内容的研究中按以下总体思路进行： 1 选择具体的边坡分析计算方法进行基槽边坡稳定性分析，这里分别从解析法 和数值法中选着具体方法。 2 分析具体的基槽流场情况，即开挖阶段和浮运沉放阶段的流场分布情况。 3 根据具体的基槽流场情况，按前面选择的具体分析方法计算静水边坡和动水 边坡两种情况下的基槽边坡稳定性。 4 对比分析上述情况，归纳相关规律，得出基槽稳定性结论。 各步骤关系如图1 4 所示： 图i 4 论文研究思路示意图 在上述研究过程中综合运用以下研究方法： ( 1 ) 查阅相关研究文献，对相关研究成果进行归纳总结。结合具体工程对边坡 稳定性分析进行理论计算。 ( 2 ) 有限元数值计算。 ( 3 ) 理论分析、数值计算与现场实验的对比分析。 1 0 沉管隧道基槽边坡坡率 2 1 概述 2 沉管隧道基槽边坡坡率 在分析沉管隧道基槽边坡的稳定性问题之前，对现已建成或者正在建设的沉 管隧道基槽边坡的坡率采用情况进行调研，这样有助于确定基槽边坡坡率的取值 范围，减少计算量。 另外，对沉管隧道相关资料的调研并进行相应的工程对比也是“广州市洲头 咀隧道工程科研试验项目”的内容之一。 2 2部分沉管隧道基槽边坡坡率 自1 9 1 0 年以来，目前全世界已建成的沉管隧道超过1 0 0 多座，采用钢筋混凝 土结构的沉管的矩形断面隧道的最大宽度达到4 8 8 m 。世界各国，特别是美国、荷