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潮汐作用對(duì)廈門海底頂管抗浮穩(wěn)定性的影響分析

2016-05-26 11:04:44 安裝信息網(wǎng)

李清華

(廈門水務(wù)集團(tuán)有限公司，福建廈門361008)

摘要：海底管線受到潮汐作用，在波谷經(jīng)過(guò)埋管上方時(shí)，土體中的滲透力方向向上，土體的有效重力減小，作用在埋管上的壓力也隨之減小，在非穩(wěn)態(tài)的孔壓作用下，埋管可能失穩(wěn)，產(chǎn)生上浮。結(jié)合廈門海底頂管工程中管線上浮實(shí)例，通過(guò)對(duì)管道及上覆土體的受力分析，建立潮汐作用下抗浮穩(wěn)定性的安全系數(shù)計(jì)算方法�？紤]潮汐引起的附加浮力作用計(jì)算工程實(shí)際安全系數(shù)，揭示管線上浮機(jī)制，提出針對(duì)性的解決方法。應(yīng)用表明，根據(jù)抗浮分析結(jié)果所采取的措施有效，控制頂管的上浮變形，確保工程安全。

關(guān)鍵詞：海底管線；潮汐作用；穩(wěn)定性；數(shù)值分析；受力分析

中圖分類號(hào)：TU990.3文章編號(hào)：1004-4655( 2016) 02-0103-03

隨著我國(guó)沿海城市海島開(kāi)發(fā)的興起、港口碼頭與臨港工業(yè)的快速發(fā)展，海底管線特別是大直徑管線的鋪設(shè)越來(lái)越普遍。海底管道工程中環(huán)境最復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域主要在水深較大、管線埋深較淺的區(qū)域，管線極易因受力不平衡而發(fā)生屈曲甚至斷裂，直接威脅施工人員的安全。

對(duì)于波浪作用下多孔可滲透海床中流體的運(yùn)動(dòng)、超靜孔壓力的分布以及海床土體的有效應(yīng)力等已有很多研究成果。但如果海床中存在埋置的管線，應(yīng)用已有的解析法不易求解海床中的孔壓分布及土骨架的有效應(yīng)力，現(xiàn)有的研究均借助數(shù)值分析或室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)展開(kāi)。

本文考慮海底淺埋大直徑管線在橢圓余弦波作用下的受力情況，結(jié)合廈門海底頂管工程，先通過(guò)數(shù)值模擬，分析潮汐對(duì)海底淺埋大直徑頂管施工的影響。然后進(jìn)行理論分析，確定海底頂管的抗浮安全系數(shù)。

1廈門海底頂管工程概況

1.1工程背景

廈門高崎海堤原水管道遷改工程（見(jiàn)圖1）的新建管道過(guò)海段長(zhǎng)1 905 m，雙管布置，管徑2 200 mm，壁厚20 mm，采用頂管法施工。整個(gè)過(guò)海頂管均位于高集海堤與廈門大橋之間的海域穿越，沿線主要為海水養(yǎng)殖區(qū)域，距廈門本島高崎端約350 m附近為高集海堤現(xiàn)有航道，有過(guò)往船只通行，頂管中心標(biāo)高-8.50~12.80 m。海底管線埋設(shè)場(chǎng)地地理概況示意圖見(jiàn)圖1。

1.2水文條件

頂管全線大部分管道（約1 500 m）位于水面較窄、潮汐作用強(qiáng)烈的海域內(nèi)，鋼管自重輕，施工過(guò)程中頂管極易在其它豎向作用力下上浮。航道附近管道上方的覆土約為3.0 m，主要成份為粉砂。廈門海灣潮汐屬于正規(guī)半日潮型。平均水深6.5 m，平均高潮位2.411 m．平均低潮位-1.579 m，平均潮差3.99 m。該區(qū)1a遇最高潮位3.49 m，10 a遇最高潮位4.02 m，50 a遇最高潮位4.36 m，綜合場(chǎng)地水文工程地質(zhì)特點(diǎn)，頂管上浮與潮汐作用有較大的關(guān)系。廈門海灣典型的潮汐水位剖面見(jiàn)圖2。

1.3頂管管道上浮現(xiàn)象

針對(duì)本工程的場(chǎng)地特點(diǎn)，采用網(wǎng)格式氣壓泥水平衡頂管工具管。該T程2009年3月開(kāi)工，同年8月，當(dāng)頂管施工至航道線附近時(shí)，頂管頭部出現(xiàn)較大的上浮，施工被迫中斷。后續(xù)鋼頂管管節(jié)的最大上浮量超過(guò)40cm，給后續(xù)施工及工程安全帶來(lái)巨大困難。

2潮汐作用下海底埋管穩(wěn)定性分析

2.1管道抗浮受力分析

針對(duì)波浪作用下海底管道周邊孔壓響應(yīng)的研究表明：當(dāng)波浪波峰經(jīng)過(guò)埋管上方時(shí)，海床中的滲流方向朝下，土體受到向下的滲透力，使作用在埋管上的壓力增加，埋管的穩(wěn)定性加強(qiáng)。但是當(dāng)波谷經(jīng)過(guò)埋管上方時(shí)，土體中的滲透力方向向上，土體的有效重力減小，作用在埋管上的壓力隨之減小，在非穩(wěn)態(tài)的孔壓作用下，埋管可能失穩(wěn)，產(chǎn)生上浮，影響結(jié)構(gòu)安全使用。因此，本文主要分析當(dāng)波谷經(jīng)過(guò)時(shí)管道的穩(wěn)定性，分析示意圖見(jiàn)圖3。

海底埋管受向下的作用力主要是管道和上覆土體的有效重力，向上的作用力是孔隙水沿管壁在垂直向上方向合力。埋管的安全系數(shù)s應(yīng)滿足式(1)。

分析圖3中的微分土柱，其在y方向?yàn)閱挝婚L(zhǎng)度，沿x方向的長(zhǎng)度為d x，由于海床上的非穩(wěn)定滲流，該微土柱受到的滲透力見(jiàn)式(3)。

2.2潮汐作用附加浮力的簡(jiǎn)化計(jì)算

數(shù)值分析研究表明，當(dāng)潮汐的低水位在管道上方出現(xiàn)時(shí)，海床表面表現(xiàn)為負(fù)的超靜孔壓，海底埋管受到向上的作用力，因此埋管抗浮的安全系數(shù)變小，不能采用靜水條件下的安全系數(shù)評(píng)估其穩(wěn)定性。采用無(wú)量綱化，以單位長(zhǎng)度管線受到靜止浮力

圖4為采用有限元方法計(jì)算得到圖2潮汐作用下管線受到額外向上作用力。

可知，最不利孔壓向上的作用力約為管線受到靜止浮力的0.3倍。

因此，超靜孔壓作用在埋管上合力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法見(jiàn)式(9)。

2.2考慮潮汐作用的抗浮穩(wěn)定計(jì)算

選取單位長(zhǎng)度的隔離體，管頂埋深為的埋管上方土楔對(duì)管道的有效壓力見(jiàn)式(8)。

針對(duì)本工程，按最不利孔壓工況將計(jì)算參數(shù)代人式(5)、式(7)、式(8)、式(9)得埋管的安

全系數(shù)為0.97。因此，部分管道截面抗浮穩(wěn)定性不足是海底頂管在施工過(guò)程中產(chǎn)生上浮的主要因素。

3工程抗浮措施分析與應(yīng)用效果

根據(jù)工程實(shí)際，造成海底管線上浮的主要原因是由于浮力過(guò)大而抗力不足。采取的針對(duì)性措施有：對(duì)埋深較淺的區(qū)域采取吹填覆土和地基加固；在頂管內(nèi)部進(jìn)行配重；調(diào)整頂管機(jī)掘進(jìn)方向，預(yù)先使頂管產(chǎn)生一定量的沉降量，減少管內(nèi)配重材料的重量，節(jié)約施工成本。

對(duì)覆土較淺的海床，進(jìn)行拋石邊坡施工，中間空腔部分回填拋砂，土質(zhì)選用優(yōu)質(zhì)黃砂。對(duì)覆土稍深的海床，采用旋噴樁加固，旋噴加固范圍為頂管軸線兩側(cè)3～4倍的頂管直徑。

對(duì)管內(nèi)配重，根據(jù)理論公式計(jì)算頂管管節(jié)的上浮力，采用砂和型鋼作為壓重材料（見(jiàn)圖5）。其中砂層鋪設(shè)在管部，型鋼放置在砂層兩側(cè)，中間留有通道。通道中配置一定重量可移動(dòng)的機(jī)動(dòng)型鋼。當(dāng)管節(jié)浮力變大時(shí)，將機(jī)動(dòng)型鋼放在該管節(jié)處。當(dāng)管節(jié)浮力變小時(shí)，移除機(jī)動(dòng)型鋼減壓。對(duì)本工程管線上浮最大處，管底堆砂高0.7 m，平均1.7 t/m，兩側(cè)鋼材平均3.0 t/m，間距0.8 m作為施工通道。根據(jù)最不利孔壓工況將壓重計(jì)入管線自重，得埋管的安全系數(shù)為1.41，滿足海底頂管抗浮要求。隨著管線頂進(jìn)，管線各處浮力和上浮量隨之變化，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整管內(nèi)配重。

采取上述措施后，管道的上浮變形在后續(xù)頂進(jìn)中逐步得到恢復(fù)。以東線上浮段管線測(cè)量結(jié)果為例，采取上述措施后管道豎向位移的分布見(jiàn)圖6，管線最大上浮變形從41.9 cm恢復(fù)到14.9 cm。說(shuō)明工程措施有效抑制管線上浮，使得原上浮管線恢復(fù)到設(shè)計(jì)允許變形范圍。