摘要：海洋工程装备制造行业根据其自身的专业性与独特性，建造基地基本上是坐落于海况较好、自然水深较深以及岸线较长的临海区域，其产品由陆域建造完成到出海安装基本上是离不开码头岸线支持的。在重力式码头岸线施工中，主要涉及到的就是水下深基槽开挖，本文着重介绍一下数值模拟与实时监测在水下深基槽开挖中的研究与应用。
关键词：海洋工程；数值模拟；实时监测；水下深基槽开挖
1、当前国内同类研究的现状
目前国内的深基槽开挖工作采用以下两种手段：
1.1理论分析研究
通过土坡稳定性验算，得到理论支持。迈达斯MIDAS/GTS（岩土与隧道分析系统）可以广泛应用于地下结构、岩土、水工、地质、矿山、隧道等方面的分析及科研，但在水下深基槽开挖中的研究及应用方向不明确。本文介绍迈达斯GTS主要是对水下基槽边坡进行仿真模拟，对可能影响工程安全稳定的因素进行一一验算、校核。
1.2布设监测点，通过监测结果指导施工过程
通过在基槽开挖范围内及护岸边坡布设沉降观测点及测斜管，依据周围环境，确定预警值，通过监测的结果指导基槽开挖施工。
但是，目前国内并未在水工领域形成系统性的深基槽开挖施工技术，尤其是当岸坡为安全风险高的油罐时，如何通过科学监测，研究确定基槽分层厚度、安全开挖距离、岸坡沉降及其稳定性之间的关系，以保证岸坡沉降及其稳定性符合相关要求，来实现基槽开挖的顺利完成。
2、设计指导思想
本研究旨在通过由设计院获取的迈达斯有限元分析软件，通过对最不利波浪、潮汐、圆弧滑动面的模拟研究，核定基槽开挖的安全系数，安全系数不满足的情况下，提交设计优化图纸，核定设计变更后图纸的安全系数，通过软件计算出不同深度的最大变形值，与监测相结合，合理的分层、分段施工，确定施工过程控制重点，使整个基槽开挖过程具有可预见性，最终达到指导施工的目的。
2.1收集波浪、潮汐、地质、护岸、油罐重量、油罐安全变形值、基槽开挖安全系数等资料，通过原设计图纸及实测得出开挖环境现状，使用迈达斯有限元分析软件分析最终断面的安全开挖系数，参照规范安全系数，在分析结果不满足规范安全系数的情况下，提交油罐安全位移值及分析过程至设计，优化图纸，核定变更后图纸的安全开挖系数，确保基槽开挖满足规范中的安全系数。
2.2根据优化后的设计断面，计算出不同深度的最大变形值，选择合适的监测预警值，在护岸边坡布设水平及深层沉降观测点，通过已计算出的不同深度最大变形值得出监测预警值，直接以监测结果指导施工。
2.3根据优化后的设计断面，选择波浪、潮汐较小的工况，合理的分层分段施工，控制边坡坡度保证断面的完整性，校核各层土质保证安全系数，控制最不利圆弧滑动面开挖进度，加强监测频率，使整个开挖过程具有可预见性，保证施工安全、进度、质量的可控。
2.4开挖过程各参建单位全程参与，及时验收，减少完整断面的存在时间，使抛石与基槽开挖形成无缝连接。
3、研究过程
3.1建立迈达斯GTS边坡模型
做好前期数据收集工作，包括施工区域范围、地形地质资料、水文资料、影响边坡分析的其他因素等工作。再将收集到的数据编码成相应参数导入迈达斯模型中，使模型能最真实的反应相应边坡状态。
3.1.1导入地质参数。查《工程地质报告-土的物理力学性指标统计成果表》将边坡地质参数输入模型材料属性中，导入强风化凝灰岩参数。
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3.1.2生成地层网格组。利用CAD建立边坡剖面图，剖面图中应包括每层地质分界线。再将画好的剖面图（保证绘图的精确性）导入迈达斯软件，用不同的网格组填充每层地质，再赋予相对应模型材料属性，最终达到用网格组代替土体的目的。
3.1.3添加荷载、边界约束。在模型中添加相应荷载（如自重荷载、波浪荷载、油罐荷载等），潮位则通过改变土体有效重度来实现，最后对模型边界进行约束。
3.1.4边坡稳定（SRM）工况分析。边坡稳定（SRM）工况分析可以得到边坡稳定安全系数和潜在滑动面云图，通过安全系数与标准值的对比，分析边坡是否稳定。
标准值的确定：由于国内外对水下基槽开挖和边坡稳定性分析较少，没有相应安全系数取值规范。这里我们根据《建筑边坡工程技术规范GB50330-2013)中有关边坡稳定安全系数规定,考虑到水下边坡的不确定因素太多，所以取表格中安全系数最大值1.35作为分析的标准值。
3.1.5通过研究，我们能及时发现了一些问题，比如原设计断面的边坡稳定安全系数不足，如何通过软件分析结果指导监测，如何通过理论计算及监测结果指导施工等。
4技术关键与技术创新点
4.1项目关键技术
迈达斯MIDAS/GTS（岩土与隧道分析系统）可以广泛应用于地下结构、岩土、水工、地质、矿山、隧道等方面的分析及科研。本项目运用迈达斯GTS主要是对水下基槽边坡进行仿真模拟，对可能影响工程安全稳定的因素进行一一验算、校核。同时对不同的工况进行分析以得到边坡沉降位移、水平位移，为施工提供参考数据。
4.2项目主要技术创新点
对于水上边坡的稳定性分析已经比较成熟，但是到目前为止关于水下边坡稳定性方面的分析研究还很少。本项目不仅考虑到边坡自身的稳定性，而且考虑了水（水位、潮汐、波浪等）对边坡的影响，将原本用于陆地上的迈达斯技术分析延伸至水下深基槽开挖领域。
4.3主要技术指标或经济指标
4.3.1技术方面：根据迈达斯软件的建模分析所暴露的边坡安全系数问题，及时联系设计单位，尽早解决问题，有效的规避了安全风险，加快了开挖速度；同时，利用SRM工况分析得出的最大水平位移及沉降位移，指导监测，再通过监测结果指导施工，使得基槽开挖的整个过程具有可预见性，能高效、安全的完成施工任务。
4.3.2经济方面：减少了基槽开挖过程中可能产生的经济损失，能满足安全、质量要求，有效的推动了项目建设。
5应用和推广情况
基槽开挖施工前，使用迈达斯有限元分析软件，通过对最不利波浪、潮汐、圆弧滑动面的模拟研究，核定基槽开挖的安全系数，安全系数不满足的情况下，提交设计优化图纸，核定设计变更后图纸的安全系数，通过软件计算出不同深度的最大变形值，与监测相结合，合理的分层、分段施工，确定施工过程控制重点。尽可能的将施工过程中可能会遇到的问题暴露出来，提前解决，使整个基槽开挖过程具有可预见性；节约开挖时间，控制工期，节约成本。
如今，海洋工程建设越来越受到重视，市场竞争压力非常大，在此情况下，重力式码头深基槽开挖与边坡稳定性研究，通过迈达斯软件与监测的有效结合，成功的规避基槽开挖过程护岸滑移的风险，预先解决问题并为施工提供最优工况及最佳分层分段距离，在施工效率、工程质量工程项目成本控制上，都突显出优越性，解决了深基槽开挖边坡稳定性的施工难题，通过反馈的开挖信息，保证安全、高质、快速完成基槽开挖施工，值得在水工领域类似项目推广与应用。同时提供了一种创新的施工研究方法，使得项目得以顺利进行，节省了项目投资，取得了显著的社会效益。
参考文献
[1]江宁.市政工程深基坑施工中的问题与应对措施[J].江西建材，2015（22）：124～125.
[2]程瀛，邵泉，蔡科.复杂市政环境下深基坑工程施工关键技术[J].施工技术，2015，44（18）：105～109.
论文作者:张攀1,龙钦松2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/13
标签：安全系数论文; 水下论文; 稳定性论文; 工况论文; 断面论文; 迈达斯论文; 荷载论文; 《基层建设》2019年第4期论文;