深厚软土地基海堤的设计与施工课件

1、软土地基建造大型循环水泵房沉井及取排水盾构隧道 华东电力设计院 2009.41、工程概况 华能玉环电厂建设规模41000MW机组，厂址原始地貌类型主要为海积平原和潮间带浅滩，西面临海侧按200年一遇防洪标准建设海堤，海堤内侧陆域需要回填。 电厂循环水系统采用海水直流循环冷却系统，冷却水水源为乐清湾海水，4台机组循环冷却水总量约为128.8m3/s，循环水取排水构筑物按4台机规模设计建设。 2.1 取排水构筑物布总置图 2、取排水工艺布置2.2 工艺布置要求 （1）根据本工程海域的岸滩稳定性分析、泥沙问题数值模拟和物理模型试验、温排水数值模拟和物理模型试验，循环水取排水采用深取浅排的形式，取水口

2、设置在15.6m等深线附近，距海堤约570m；排水口位于5m等深线附近，距海堤约170m。 （2）循环水泵房和排水井布置在海堤内侧，通过自流引水管和自流排水管与取水口和排水口连接。每台机各设1根自流引水管和1根自流排水管，管道直径为4.20m。2、取排水工艺布置 2.2 工艺布置要求 （3）循环水采用一机两泵单元制供水方案，4台机合用1座循泵房。循泵房按4机8泵要求布置，按照8台泵流道宽度要求，泵房地下结构总的长度达到约76m，按照流道长度要求，泵房地下结构总宽度约47.90m。循泵房区域室外地坪高程为4.10m，进水间运转层标高确定为6.70m，泵房间运转层标高为4.30m，泵房内底标高为1

3、5.00m，泵房地下埋置深度超过20m。 2、取排水工艺布置 3.1 土层分布 层，填土，海堤内侧场地经予处理，回填了电厂南侧高边坡开山的土石方回填，一般厚4.45m。 1层，淤泥。层厚7.5012.60m，一般为10.80m。 2层，淤泥。层厚3.8019.20m，一般在12.40m左右。 层，淤泥质粘土。层厚3.7013.80m，一般为8.90m。 层，粘土。层厚一般为2.2517.30m。层，晶屑熔结凝灰岩，以灰绿色为主，紫红色，强风化到中等风化。3、工程地质 3.2 地质特点 （1）软土地基深厚。地基具有含水量高（一般在51.3%75.1%）、孔隙比大（一般在1.5162.118）、高

4、压缩性、高灵敏度、抗剪强度小（不排水剪强度仅为1015kPa）、承载力低（承载力仅为4050kPa）、固结速度慢等特性。（2）循泵房区域底部的晶屑熔结凝灰岩层埋深较浅，岩面标高变化起伏大，在循泵房小区域100m50m范围内，基岩等高线变化在-27.00m-48.00m之间。（3）厂区临海侧建有海堤，海堤总堆载高度大于10m，陆域普遍回填，回填土平均厚度在 4m左右。回填荷载使场地软土地层产生较大的沉降，由于固结时间不足，预计后期仍会有较大的沉降。 3、工程地质 （1）循泵房地下结构采用“双沉井”的设计施工方案。 （2）取排水管道采用盾构法隧道方案，取水盾构隧道以循环水泵房沉井作为施工工作井，排

5、水盾构隧道以排水井作为施工工作井。 （3）取水口和排水口均采用多点式垂直顶升方案。 4、取排水构筑物总体设计方案5、软土地基循泵房沉井的设计与施工 （1）适应场地及地质条件，利用井壁的支护作用，沉井方案避免了大范围软土地基的深基坑开挖；（2）沉井结构整体性好、结构刚度大，地下结构施工过程中风险较小；（3）沉井刃脚的深度正好位于基岩的上方，未触接到基岩，沉井下沉全部在流塑软塑的粘性土层进行，下沉比较容易，施工速度快；（4）有大型沉井施工经验； （5）沉井方案综合造价较低。5.1 沉井设计方案 5.1.1 沉井方案的优越性1、超长超宽的平面尺寸，如何解决混凝土结构裂缝问题；2、下沉到位后，沉井刃脚

6、悬在软土地层中，如何解决循泵房使用过程中地基承载力不足和后期沉降问题；3、在沉井制作过程中，如何解决软土地基承载力严重不足的问题；4、软土地基承载力低，下沉系数和下沉稳定系数偏大，下沉过程中和封底过程中的稳定控制问题；5、在沉井下沉过程和封底过程中如何对沉井桩基进行保护。5.1 沉井设计方案 5.1.2 沉井设计施工需要解决的问题 针对循泵房的平面布置特点以及工程地质条件，设计将循泵房地下结构分成两个完全相同的钢筋混凝土沉井，分别供#1、#2机和#3、#4机用，两沉井左右分开，之间留有17m的距离，作为循泵房检修场地。泵房上部建筑总长度约96m，上部结构沿纵向分为三个结构单元，左右两个单元直接

7、建筑在地下结构上，以沉井结构为基础，中间检修间则单独设桩基础，三个单元之间设沉降缝。 5.1 沉井设计方案 5.1.3 双沉井方案解决超限问题 5.1 沉井设计方案 5.1.3 双沉井方案解决超限问题 5.1 沉井设计方案 5.1.3 双沉井方案解决超限问题 5.1.4 沉井底部设桩基设计特点 沉井下沉到位后，沉井刃脚仍然位于淤泥质软土地基中，软土地基承载力特征值仅5070kPa，天然地基承载力不能满足要求和后期沉降控制要求，根据地基特点，沉井底部地基础力设计采用桩基础方案。 5.1 沉井设计方案（1）桩型 每个沉井底部设104根1000钻孔灌注桩。 5.1.4 沉井底部桩基设计特点（2）负摩

8、阻力的影响 场地上面普遍回填厚度35米的塘渣，大面积回填荷载的作用造成长时间的软土地基沉降，势必对循泵房沉井井壁和桩身产生负摩阻力作用，因此在桩基设计时，除需要考虑循泵房的正常使用荷载和结构自重外，还要考虑地层负摩阻产生的附加下拉荷载。 土层负摩阻力计算初了考虑桩身负摩阻力外，还要计算井壁的负摩阻力，负摩阻力计算中性点取至基岩面。 5.1.4 沉井底部桩基设计特点 5.2 软土地基沉井施工措施5.2.1.1 分节制作高度 循泵房沉井总高度22.6m，分三级制作，三节接高制作高度如下：第一节：底梁和刃脚部分，制作高度4.90m，标高-19.9-15.0m；第二节：制作高度8.50m，标高-15.

9、0-6.50m；第三节：制作高度9.20m，标高-6.50+2.70m。 5.2.1 沉井制作过程的地基稳定5.2.1.2 第一节制作前的处理（1）砂桩补强预加固地基 （2）加厚砂垫层 （3）钢筋混凝土垫层 5.2.1 沉井制作过程的地基稳定5.2.1.3 第二节接高制作地基处理沉井持力层为1、2，地基承载力较低，故沉井接高制作前，沉井所有格仓进行回填砂及及灌水稳定。 回填至标高-17.0m，刃脚下为2.0m4.9m，底梁下为3.2m； 5.2.1 沉井制作过程的地基稳定5.2.1.4 第二、三节接高地基稳定分析根据太沙基（K.Terzaghi）公式进行计算，安全系数取2.0。1）地基极限承载

10、力计算根据实际施工经验，沉井第二节允许下沉，假设下沉量为0.5m，求出：pj34.4 t/m2 R17.2t/m22）第二节接高制作时下卧层承载力计算下卧层承载力验算： 下=16.55t/m2R=17.2 t/m2下卧层满足沉井第二节接高制作的要求。3）第三节接高制作时下卧层承载力计算下卧层承载力验算： 下=26.31t/m2R=17.2 t/m2可知，下卧层不能满足第三节接高制作要求。 5.2.1 沉井制作过程的地基稳定5.2.1.5 二次下沉解决第三节接高满足地基稳定 由前面验算可知，如果采用一次下沉方案，第三节接高制作时，地基承载力远远不能满足要求，因此必须采用二次下沉的施工方案，即沉井

11、在第二次接高制作后，先进行第一次下沉（下沉深度9.1m），然后再进行第三节接高制作。 5.2.1 沉井制作过程的地基稳定5.2.1.5 二次下沉解决第三节接高满足地基稳定 沉井在进行第三节接高，必须满足接高砼浇筑时，在考虑刃脚、底梁反力及井周摩阻力的情况下，下沉系数K1才能确保接高稳定，本工程K取0.90。 本工程采用向井内灌水并回填砂土的措施来满足K=0.90，根据太沙基公式推算回填深度，在回填砂的基础上向井内灌水，灌至与地下水位平，深度约为10m（以刃脚底标高起算）。根据太沙基公式推算出回填深度D5.15m，即回填至刃脚顶面以上0.65m处。 5.2.1 沉井制作过程的地基稳定5.2.2.

12、1 下沉方案选择 根据以往施工经验有两种施工方式可供选择，一种是排水下沉，另一种是不排水下沉。不排水下沉的优点主要在于下沉过程中对土体的扰动较小，当沉井下部存在桩基时对其保护较好。但缺点是工期可预见性差、投入大、施工难度大等。相比较而言，排水下沉具有施工周期短、施工成本低、出现不利情况时便于采取措施等优点。但主要缺点是下沉过程中土体扰动大，不利于保护桩，而且在超软土地基中，下沉系数大，下沉过程中必须采取相应的措施来控制沉井下沉系数。综合考虑工程的工期和成本控制因素，采用排水下沉方法施工。 5.2.2 沉井下沉施工5.2.2.2 排水下沉措施1、安排好取土工艺，保证井内足够的土塞高度，充分利用井

13、内土塞的稳定作用。 2、分阶段下沉，分阶段控制：分为起始下沉阶段、 监控下沉阶段 、终沉阶段 。起始下沉阶段，即刃脚标高-15.0m以上。监控下沉阶段，即对钻孔灌注桩桩影响较大阶段，即刃脚标高在-15.0m-18.9m。终沉阶段，即最后1m的下沉施工。 5.2.2 沉井下沉施工5.2.2.3 下沉纠偏#1、#2循泵房沉井之间采用堆土加载的方式来防止两沉井靠拢。 5.2.2 沉井下沉施工沉井下沉至设计标高，经观测在8小时内累计下沉量为8mm，随即进行了封底施工。由于沉井座落于层淤泥质粘土层上，地基软弱，承载力差，下沉系数较大，不利于沉井一次性封底，为了保证干封底及干封底施工质量，并结合沉井下部钻

14、孔灌注桩的保护情况，采用了如下施工流程分次进行封底：中央六格仓 18#、19#格仓 9#、12#、13#及16#格仓 17#、20#格仓 5#、8#格仓 1#、2#、3#及4#格仓 5.2.3 沉井干封底施工分仓图 5.2.3 沉井干封底施工 沉井底板下布置了钻孔灌注桩，沉井下沉需要“套桩”。随着沉井下沉，井内、井外土面出现高差，造成井内、井外土压力的不平衡。当井内外土面高差过大，压力不平衡超过土的抗剪强度时，处于高位的沉井外土体就会通过刃脚底部，向沉井内挤压，并带动井体四周桩头位移，发生偏桩，甚至断桩。因此在下沉施工时，必须采取措施，避免这种情况发生。 5.2.4 桩基保护措施1、尽量减少井

15、外土体向井内挤压，在下沉过程中既要做到周围格仓内留存一定土塞，又要使沉井有一个平稳快速下沉的过程，所以，在沉井制作时做好空气幕助沉的一切工作 。2、调整取土顺序，形成“反锅底”，减小外部土体对桩的挤压作用 。3、当桩顶暴露出后，除对部分要截除桩头之外，及时采取保护措施，具体方法：任何格仓灌注桩只要冒出一定高度，就采用20#槽钢连接各桩，使之相互牵连固定为一个整体，增强抗剪能力。 5.2.4 桩基保护措施 6 软土地基盾构隧道设计6.1.1 盾构法隧道方案选择本工程取排水管特点： 1、距离长、口径大，可选择的管道施工手段不多；2、管线穿越的场地条件复杂，兼具陆上及水下施工的特点；3、管道施工方案

16、必须确保海堤的防护能力不受影响；4、管线埋深大，埋深大造成埋管基槽开挖困难；5、管线经过的地基土层为软土，若采用埋管，基槽开挖对地基扰动大，管道地基处理工程量大；6、地下不存在影响隧道施工的障碍。 6.1 取排水管道设计方案6.1.1 盾构法隧道方案选择适应场地、地质特点，盾构法隧道方案具有显著的优越性： 1、避免了管道基槽的大范围开挖，避免了管道基槽开挖对场地和海堤的破坏；2、管道适应纵向变形能力强，适应软土地基条件；3、不需要开挖和回填施工，施工过程中对软土地基的扰动小，地基处理简单，地基处理工程量小；4、管道施工工艺独特，适应各种场地条件；5、施工技术成熟可靠。 6.1 取排水管道设计方

17、案6.1.2 隧道轴线设计 平面上采用曲线布置。 根据地层特点，在竖向布置上，隧道 “适当深埋” 。隧道竖剖面的设计考虑了以下几个因素：1、避开欠固结的1层淤泥，并尽量放在层淤泥质粘土和层粘土层中；2、垂直顶升段隧道要求避开1和2淤泥层；3、确保垂直顶升段隧道顶部覆土厚度不小于1.5D；4、控制斜坡段斜率不超出施工允许范围。 6.1 取排水管道设计方案6.1.2 隧道轴线设计 6.1 取排水管道设计方案6.1.3 隧道衬砌设计 隧道衬砌设计有三种类型，即钢筋混凝土标准衬砌环、钢筋混凝土楔形衬砌环、特殊段钢-钢筋混凝土复合衬砌环。 标准衬砌环采用C50高强高精度钢筋混凝土预制管片拼装而成，管片宽

18、度均为0.9m，厚度0.3m，环向分为6块。楔形衬砌环是为曲线段隧道而设计，在标准衬砌环的基础上采用“加法”设置一定的楔入量而得到，一定数量的标准衬砌环间夹一定数量的楔形衬砌环可以模拟不同曲线要素的圆弧曲线，本工程楔形环楔入量为20mm，每三环标准环夹一环楔形环，模拟的圆弧直径为866.415m。 衬砌环管片均采用纵向通缝拼装，纵向和环向均采用单排直螺栓联结，管片纵缝和环缝止水均采用橡胶带止水。 6.1 取排水管道设计方案6.1.3 隧道衬砌设计 标准衬砌圆环构造图 6.1 取排水管道设计方案 取排水头采用多点式方案，包括取排水口和竖管。在每根隧道顶端垂直顶升段上，沿轴线并列布置7根方形竖管。

19、 6.2 取排水头设计方案 软土地基对隧道设计的影响主要表现为过大的工后沉降。 场地陆域回填、海堤堆载、海堤外侧潮汐的涨落、施工的扰动都会引起隧道较大的工后沉降，其中陆域回填和海堤堆载引起的地基固结压缩沉降是导致隧道下沉的主要原因。 由于堆载沿隧道纵向不均匀，以及井接头的影响，隧道的纵向沉降也是不均匀的，需要确定隧道纵向沉降曲线作为设计依据。 6.3 软土地基隧道工后沉降及设计对策数值模拟模型 对本工程而言主要是确定在回填和海堤荷载作用下隧道的工后沉降量随时间的发展以及沿纵向的分布。 对海堤堆载影响下隧道工后纵向沉降的分析采用了数值模拟的方法来实现。 土体采用莫尔库仑弹塑性模型来模拟，并耦合固

20、结理论来模拟超孔隙水压力的产生和消散。 由于海堤在堆填过程中发生了较大的沉降，因此在数值模拟中采用了大变形理论，以提高数值模拟的合理性和可靠性。 6.3.1 隧道纵向沉降预测数值模拟模型 1、2取水隧道综向沉降计算模型网格划分 以1、2取水隧道为例，数值模拟中计算模型的范围在水平方向取为700m，竖向取为70m。模型左侧边界取为取水泵房所在位置，并将该位置作为隧道纵向坐标的零点。 6.3.1 隧道纵向沉降预测边界条件（1）位移边界条件数值计算中自由地表及海堤表面为自由边界条件；模型左右两侧边界的侧向位移限制为零，垂直方向可以自由变形；模型底部边界的竖向位移和水平位移均限制为零。对于隧道而言，考

21、虑到隧道建成后，泵房及排水工作井沉降很小隧道与工作井连接处取为固端，隧道取排水口一端考虑为视为自由端。但计算中没有考虑隧道刚度对隧道纵向沉降的影响。（2）排水边界条件模型左右两侧边界及底部边界均为不排水边界，也就是超孔隙水压力只能通过自由表面排出。 6.3.1 隧道纵向沉降预测数值模拟工况根据工程项目部提供的坝体加载记录，进行施工工况模拟。工况1：土体初始应力状态计算，不计初始位移；工况2：22天（2003.8.12003.8.22），海堤加载到1.0m；工况3：3天（2003.8.222003.8.25），海堤土体固结；工况4：26天（2003.8.252003.9.20），海堤加载到2.5

22、m；工况5：5天（2003.9.202003.9.25），海堤土体固结；工况6：20天（2003.9.252003.10.15），海堤加载到4.2m；工况7：5天（2003.10.152003.10.20），海堤土体固结；工况8：61天（2003.10.202003.12.20），海堤加载到5.5m；工况9：102天（2003.12.202004.4.1），海堤土体固结；工况10：25天（2004.4.12004.4.25），海堤加载到6.5m；工况11：96天（2004.4.252004.8.1），海堤土体固结；工况12：40天（2004.8.12004.9.10），海堤加载到7.5m；工况

23、13：隧道开挖前土体固结（根据隧道施工时间具体确定）；工况14：隧道开挖（根据隧道施工时间具体确定）；工况15：土体固结，固结结束的控制指标为超孔隙水压力消散到1kPa。在分工况连续计算中，位移和应力是逐次累加的，上一工况的位移和应力将作为下一工况的初始应力和位移状态。 6.3.1 隧道纵向沉降预测计算参数1、土体的分层情况按照其实际的分层状态来模拟，土体的应力应变关系采用莫尔库仑弹塑性模型来模拟。土体的物理力学参数参照 地质报告；2、海堤物理力学参数根据设计资料；3、海堤地基下的排水板，根据固结度等效的计算理论，将塑料插板桩简化为排水复合地基来处理，排水板区域渗透系数按等效渗透系数 。 6.

24、3.1 隧道纵向沉降预测模拟验证 首先根据海堤的实际施工工况模拟海堤堆载过程，将计算得到的由于海堤堆载产生的地表沉降与相应测点的实测地表沉降进行对比，用以衡量该数值计算方法的可靠性和稳定性。 根据海堤设置的沉降观测点位置，取大堤中心坝附近的两个测点HB03、HB04，将有限元计算结果、实测结果以及经验预测（泊松曲线拟合法）结果进行对比。从沉降对比可以看出，有限元计算结果与实测结果及经验预测结果有所差异，但是从满足工程需要的角度来讲，采用该计算工况对海堤堆载带来的隧道沉降进行计算分析满足工程精度要求。 6.3.1 隧道纵向沉降预测模拟验证 6.3.1 隧道纵向沉降预测HB03测点实测、经验预测及

25、数值模拟结果比较模拟验证 6.3.1 隧道纵向沉降预测HB04测点实测、经验预测及数值模拟结果比较隧道纵向沉降曲线 6.3.1 隧道纵向沉降预测为1、2取水隧道的纵向沉降曲线 隧道纵向沉降曲线 6.3.1 隧道纵向沉降预测为1、2排水隧道的纵向沉降曲线 软土流变性对隧道长期沉降的影响 本工程地基包含深厚的软土层，该土层的特点为含水量高，强度低，在长期荷载作用下具有明显的时效变形特性，表现为地基土在海堤荷载以及隧道内部水压力的长期作用下，会产生由于土体时效性引起的流变变形，进而引起隧道产生长期沉降，因此，考虑土体的时效特性是为了合理的预测隧道的工后沉降。 6.3.1 隧道纵向沉降预测软土流变性对

26、隧道长期沉降的影响 对土体流变特性对隧道长期沉降影响的分析采用数值模拟方法进行，对淤泥、淤泥质粘土和粘土采用软土流变模型（Soft soil creep model）并耦合固结理论来分析隧道的长期沉降，而粉质粘土及凝灰岩仍采用摩尔库仑弹塑性本构模型来表示，但是计算中耦合了孔隙水压力的影响。计算所需的流变参数通过三轴流变试验确定。数值模拟计算中，以1、2排水隧道为例展开研究。 在仅考虑土体固结的条件下，变形稳定时，1、2排水隧道的最大长期沉降为463.3mm，而考虑土体流变影响的条件下，隧道的最大长期沉降达到613mm，最大沉降增加了将近150mm，较不考虑土体流变条件下隧道的最大长期沉降增加了30。 6.3.1 隧道纵向沉降预测（1）数值计算结果显示，在海堤下沉降较大，在海堤中心线沉降最大，海堤范围内沉降曲线曲率小，环缝变形超限，对隧道的安全构成了一定影响。（2） 在隧道与沉井接头处存在较大的差异沉降，在距离沉井接头处3m处，隧道沉降值超过150mm，在10m范围内沉降曲线陡峭，几乎形成突变，对接头的安全影响很大。（3）而在海堤外侧，沉降较小且沉降曲线平缓，对隧道的安全影响不大。 6.3.2 纵向沉降对隧道的影响（一）海堤下隧道预起拱 为了使堤下段隧