李清华
(厦门水务集团有限公司，福建厦门361008)
摘要：海底管线受到潮汐作用，在波谷经过埋管上方时，土体中的渗透力方向向上，土体的有效重力减小，作用在埋管上的压力也随之减小，在非稳态的孔压作用下，埋管可能失稳，产生上浮。结合厦门海底顶管工程中管线上浮实例，通过对管道及上覆土体的受力分析，建立潮汐作用下抗浮稳定性的安全系数计算方法。考虑潮汐引起的附加浮力作用计算工程实际安全系数，揭示管线上浮机制，提出针对性的解决方法。应用表明，根据抗浮分析结果所采取的措施有效，控制顶管的上浮变形，确保工程安全。
关键词：海底管线；潮汐作用；稳定性；数值分析；受力分析
中图分类号：TU990.3文章编号：1004-4655( 2016) 02-0103-03
随着我国沿海城市海岛开发的兴起、港口码头与临港工业的快速发展，海底管线特别是大直径管线的铺设越来越普遍。海底管道工程中环境最复杂、风险最高的区域主要在水深较大、管线埋深较浅的区域，管线极易因受力不平衡而发生屈曲甚至断裂，直接威胁施工人员的安全。
对于波浪作用下多孔可渗透海床中流体的运动、超静孔压力的分布以及海床土体的有效应力等已有很多研究成果。但如果海床中存在埋置的管线，应用已有的解析法不易求解海床中的孔压分布及土骨架的有效应力，现有的研究均借助数值分析或室内试验来展开。
本文考虑海底浅埋大直径管线在椭圆余弦波作用下的受力情况，结合厦门海底顶管工程，先通过数值模拟，分析潮汐对海底浅埋大直径顶管施工的影响。然后进行理论分析，确定海底顶管的抗浮安全系数。
1厦门海底顶管工程概况
1.1工程背景
厦门高崎海堤原水管道迁改工程（见图1）的新建管道过海段长1 905 m，双管布置，管径2 200 mm，壁厚20 mm，采用顶管法施工。整个过海顶管均位于高集海堤与厦门大桥之间的海域穿越，沿线主要为海水养殖区域，距厦门本岛高崎端约350 m附近为高集海堤现有航道，有过往船只通行，顶管中心标高-8.50~12.80 m。海底管线埋设场地地理概况示意图见图1。
1.2水文条件
顶管全线大部分管道（约1 500 m）位于水面较窄、潮汐作用强烈的海域内，钢管自重轻，施工过程中顶管极易在其它竖向作用力下上浮。航道附近管道上方的覆土约为3.0 m，主要成份为粉砂。厦门海湾潮汐属于正规半日潮型。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。该区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，综合场地水文工程地质特点，顶管上浮与潮汐作用有较大的关系。厦门海湾典型的潮汐水位剖面见图2。
1.3顶管管道上浮现象
针对本工程的场地特点，采用网格式气压泥水平衡顶管工具管。该T程2009年3月开工，同年8月，当顶管施工至航道线附近时，顶管头部出现较大的上浮，施工被迫中断。后续钢顶管管节的最大上浮量超过40cm，给后续施工及工程安全带来巨大困难。
2潮汐作用下海底埋管稳定性分析
2.1管道抗浮受力分析
针对波浪作用下海底管道周边孔压响应的研究表明：当波浪波峰经过埋管上方时，海床中的渗流方向朝下，土体受到向下的渗透力，使作用在埋管上的压力增加，埋管的稳定性加强。但是当波谷经过埋管上方时，土体中的渗透力方向向上，土体的有效重力减小，作用在埋管上的压力随之减小，在非稳态的孔压作用下，埋管可能失稳，产生上浮，影响结构安全使用。因此，本文主要分析当波谷经过时管道的稳定性，分析示意图见图3。
海底埋管受向下的作用力主要是管道和上覆土体的有效重力，向上的作用力是孔隙水沿管壁在垂直向上方向合力。埋管的安全系数s应满足式(1)。
分析图3中的微分土柱，其在y方向为单位长度，沿x方向的长度为d x，由于海床上的非稳定渗流，该微土柱受到的渗透力见式(3)。
2.2潮汐作用附加浮力的简化计算
数值分析研究表明，当潮汐的低水位在管道上方出现时，海床表面表现为负的超静孔压，海底埋管受到向上的作用力，因此埋管抗浮的安全系数变小，不能采用静水条件下的安全系数评估其稳定性。采用无量纲化，以单位长度管线受到静止浮力
图4为采用有限元方法计算得到图2潮汐作用下管线受到额外向上作用力。
可知，最不利孔压向上的作用力约为管线受到静止浮力的0.3倍。
因此，超静孔压作用在埋管上合力的简化计算方法见式(9)。
2.2考虑潮汐作用的抗浮稳定计算
选取单位长度的隔离体，管顶埋深为的埋管上方土楔对管道的有效压力见式(8)。
针对本工程，按最不利孔压工况将计算参数代人式(5)、式(7)、式(8)、式(9)得埋管的安
全系数为0.97。因此，部分管道截面抗浮稳定性不足是海底顶管在施工过程中产生上浮的主要因素。
3工程抗浮措施分析与应用效果
根据工程实际，造成海底管线上浮的主要原因是由于浮力过大而抗力不足。采取的针对性措施有：对埋深较浅的区域采取吹填覆土和地基加固；在顶管内部进行配重；调整顶管机掘进方向，预先使顶管产生一定量的沉降量，减少管内配重材料的重量，节约施工成本。
对覆土较浅的海床，进行抛石边坡施工，中间空腔部分回填抛砂，土质选用优质黄砂。对覆土稍深的海床，采用旋喷桩加固，旋喷加固范围为顶管轴线两侧3～4倍的顶管直径。
对管内配重，根据理论公式计算顶管管节的上浮力，采用砂和型钢作为压重材料（见图5）。其中砂层铺设在管部，型钢放置在砂层两侧，中间留有通道。通道中配置一定重量可移动的机动型钢。当管节浮力变大时，将机动型钢放在该管节处。当管节浮力变小时，移除机动型钢减压。对本工程管线上浮最大处，管底堆砂高0.7 m，平均1.7 t/m，两侧钢材平均3.0 t/m，间距0.8 m作为施工通道。根据最不利孔压工况将压重计入管线自重，得埋管的安全系数为1.41，满足海底顶管抗浮要求。随着管线顶进，管线各处浮力和上浮量随之变化，根据实际情况调整管内配重。
采取上述措施后，管道的上浮变形在后续顶进中逐步得到恢复。以东线上浮段管线测量结果为例，采取上述措施后管道竖向位移的分布见图6，管线最大上浮变形从41.9 cm恢复到14.9 cm。说明工程措施有效抑制管线上浮，使得原上浮管线恢复到设计允许变形范围。
3结语
1)潮汐对海底浅埋大直径管线的施工有一定的影响，厦门过海自来水管线施工过程中的浮起与该海域潮汐作用有关。在潮汐特征强的海域布置海底管线应考虑潮汐对管线的作用。
2)海洋工程的安全性评估应建立在综合分析的基础上。综合判断工程风险后应采取海床加同和管道配重等提高抗浮稳定措施。
3)工程应用表明评估潮汐荷载下的海底管道抗浮稳定性，有效控制上浮变形。
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