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第 23 卷 第 7 期 岩石力学与工程学报 23(7)：12231228 2004 年 4 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April，2004 2002 年 5 月 22 日收到初稿，2002 年 7 月 19 日收到修改稿。作者 陈昌祺 简介：男，53 岁，1979 年毕业于同济大学地下建筑专业，现任上海市隧道工程轨道交通设计研究院设计二所主任工程师，主要从事地下建筑设计方面的工作。E-mail：nino_。宁波常洪隧道干坞设计及优化宁波常洪隧道干坞设计及优化 陈昌祺 曲 莹(上海市隧道工程轨道交通设计研究院 上海 200070)摘要摘要 主要从干坞的选址、方案比选、边坡、坞墩和大堤、基底处理以及边坡稳定性计算和基底变形计算等方面，总结了干坞设计的一些方法和经验。关键词关键词 隧道工程，干坞，舾装，边坡，边坡稳定 分类号分类号 U 452 文献标识码文献标识码 A 文章编号文章编号 1000-6915(2004)07-1223-06 DESIGN AND OPTIMIZATION OF DRY DOCK OF IMMERSED CHANGHONG TUNNEL IN NINGBO Chen Changqi，Qu Ying(Shanghai Tunnel Engineering and Rail Transit Design and Research Institute，Shanghai 200070 China)Abstract The location selection is described for dry dock of the immersed Changhong tunnel in Ningbo.Comparison is made for the designs of dock pier，bank，and dock slope.The treatment of dock base is discussed.The stability of dock slope and the deformation of dock base are calculated.The method and experience of dry dock design are also summarized.Key words tunneling engineering，dry dock，outfitting work，dock slope，slope stability 1 概概 况况 1.1 工程概述工程概述 宁波常洪隧道是国内以沉管法建造的第 3 条隧道，是宁波市东外环路中穿越甬江的一个专项工程，见图 1(图中，E1E4 为管节号)。隧道的断面形式为矩形，双孔 4 车道，是城市快速公路隧道，荷载等级为汽超-20、挂-120。常洪隧道全长 3 266.843 m，其中，江中段 395 m，由 4 节管节组成，3 节为 100 m，另外 1 节为 95 m，管节宽 22.8 m，高 8.45 m，是整个工程的核心部分。干坞是管节的预制场地，管节要在干坞内预制、存放、舾装，然后拖运、就位、沉放，以及管节的最终接头，也将在干坞内施工，整个过程历时近 3 a。由此可见，干坞在整个工程中起着举足轻重的作用1。我国已建的宁波甬江沉管隧道和广州珠江沉管 图 1 常洪隧道总平面布置图 Fig.1 Plane sketch of Changhong Immersed Tunnel 隧道均采用每次预制 1 节沉管的小型干坞，从沉管隧道动土兴建到建成分别历时 8 和 5 a。而宁波常洪沉管隧道采用一次预制 5 节沉管的大型干坞，从兴建到建成历时仅 3 a。干坞设计过程中，在参考借鉴国内外同类工程经验的同时，针对具体工程周边的环境和地质条件以及施工情况，运用新技术、新工E1E2E3 E4 甬江北江江南 干坞 1224 岩石力学与工程学报 2004年 艺，在干坞边坡形式、坞口和大堤形式、诱导排水系统以及基底处理等方面，均具有创新之处。在干坞的平面布置和埋置深度以及边坡稳定性计算方面采用新理念进行设计，取得了良好的效果。1.2 干坞地理环境干坞地理环境 干坞建于常洪隧道设计轴线上，临近甬江南岸岸边。该地大部分为农田，江边附近有一个砂石码头。干坞规模按一次制作 4 节管段考虑，坞底面积1.9104 m2，坞顶面积 4.2104 m2。干坞四周设有混凝土搅拌站、施工堆场、施工生活区、施工便道等，总占地面积为 7.6104 m2。1.3 干坞水文地质概述干坞水文地质概述 根据宁波市东外环路常洪隧道工程地质勘察报告(详勘)中所列地质情况，干坞所处地区原地面标高为+2.00 m(黄海高程系，下同)，大堤原堤顶标高约为+4.00 m。干坞主要穿越土层自上而下依次为：灰色填土3、褐黄色灰黄色粘土、灰色淤泥质粘土1、灰色粘质粉土2，其中，2层为透水层。干坞场地浅部地下水属潜水类型，含水介质为填土、粘性土、淤泥质土和粉土；主要补给来源为大气降水、地表径流，其次为甬江潮汐(近甬江地段)；常年平均地下潜水位标高为0.170.37 m。勘察揭示，42.13 m 为浅无承压含水层。2 干坞设计、优化及相应的技术措施干坞设计、优化及相应的技术措施 2.1 坞址的选择坞址的选择 为满足干坞的用途与特性，并结合当地的周边环境，作者和建设单位在干坞的选址上综合考虑了以下几个因素：(1)坞址要靠近隧道，并具备良好的起浮、拖运条件；(2)干坞所在场地的地质条件要好，以适应大开挖的放坡要求，并能满足巨型混凝土管节的制作要求；(3)交通运输及材料来源要方便，并具有良好的外部施工条件；(4)征地拆迁费用低。(5)施工工期短。在综合考虑上述几个因素的前提下，将坞址选在甬江南岸贴近甬江的隧道轴线上。贴近江边建造干坞，一方面，可以减少出坞航道的浚挖，缩短管节的拖运距离和出坞时间，减少对甬江航运的影响；另一方面，可以使最后 1 节沉管与暗埋段之间的接头位置处在干坞内，使最终接头可在坞内采用干法施工，避免最终接头在水下施工的困难，从而使接头工程质量的可靠性得到提高，并能节省费用；另外，原有的砂石码头能够得以充分利用，为本工程提供便利的水上运输条件。2.2 平面布置平面布置 在开挖边坡一定的前提下，干坞的顶、底面积的大小直接影响到土方的开挖量和回填量。所以，在满足管节制作、舾装、拖运等要求的情况下，合理布置坞内管节，是减小坞底面积的直接手段。在设计过程中，曾先后提出多种方案进行比选，见图2，最后，选择了图 3 的设计方案，使管节在坞内达到最合理的布置，所占面积最小，空间利用最为充分，坞底面积最小，从而降低了工程造价。图 2 干坞方案比选 Fig.2 Comparison of design schemes for dry dock 图 3 干坞最终方案 Fig.3 Final scheme of dry dock 在进行坞内管节布置时，综合考虑了管节的制作、设备安装、施工场地、交通运输等多种因素，同时，还要考虑管节拖运时的走向。全面地考虑施工步骤之后，再确定管节在坞内的合理布置，使坞内空间得到充分地利用，减小了不必要的场地浪费。2.3 坞底标高坞底标高 在确定了顶、底面积和开挖边坡的前提下，甬第 23 卷 第 7 期 陈昌祺等.宁波常洪隧道干坞设计及优化 1225 江潮位的选取和坞底标高将直接影响土方的开挖和回填量。而出坞水位无疑是干坞深度的决定因素，设计中必须加以优化。在选取出坞水位的时候，作者根据历年潮位特征值统计表中平均高潮位和平均低潮位的数值，预估一个相对合理的出坞水位，以这个出坞水位为基准，结合国家海洋信息中心预报室提供的潮汐表中未来 2 a 内每个时段的潮位进行统计，得出每月中达到这一水位且持续时间3h(坞内管节平移就位所需时间)的天数，调整出坞水位，最终得到合理的出坞水位为 1.15 m，这一出坞水位在绝大多数月份均可满足管节出坞要求，统计图样式参见图 4。虽然少数几个枯水月份达到这一指标的天数相对较少，但由于出坞时间可以跳过枯水季，故影响不大。为使这一水位的持续时间达到管节出坞所需时间，降低了整个坞底标高。采用坞内局部落低、形成深坑，不失为一个巧妙的办法。深坑采用 700 mm 深层搅拌桩作为围护结构。由于坞口在隧道轴线上，与第 1 节管节预制位置存在偏差，E1管节出坞时需平移至轴线位置，故深坑的宽度相应调整到 38.4 m，见图 5。深坑能满足管节舾装、拖运出坞的要求，而坞内其他区域的深度只需满足管节由预制地点拖运至深坑的时间要求即可。从而可以将坞底抬高，但仍能满足管节出坞的要求，减少了土方的挖填量，缩短了工期，降低了工程造价。E1，E2，E3 管节起浮、横向移至深坑内的设计水位按平均每周 4 次、每次持续 4 h 以上的水位 图 4 潮位统计图样式 Fig.4 Statistics graph of tide height 单位：m 图 5 深坑部位示意图 Fig.5 Deep excavation work of dry dock 考虑，潮位确定为 1.15 m。再考虑管节吃水 8.14 m(管节高 8.45 m)、干舷 0.31 m、管底富裕 0.5 m，确定坞底标高为7.50 m。对于深坑部位(即舾装部位)，由于管节需在此舾装拖运，对水位的要求比较高。为安全起见，以历年最低潮位1.72 m 为依据，考虑管节吃水、管底富裕等因素，反推得到满足 E2，E3，E4 管节出坞要求的坑底标高为10.17 m。考虑到 E2，E3，E4 舾装时可以将深坑内 0.5 m 厚的起浮层除去，所以，坑底标高又可以抬高 0.5 m，故深坑底标高为9.67 m，但由此导致 E1 管节的起浮、拖运对水位的要求有所提高，E1 管节出坞时需侯潮位，其潮位达0.79 m，见图 6。图 6 坞底标高计算示意图 Fig.6 Sketch of elevation at bottom of dry dock 2.4 边坡及坡道边坡及坡道 干坞地面标高为+2.0 m，坞底标高为7.5 m，故干坞的开挖深度为 9.5 m。结合宁波甬江隧道干坞的设计经验，经计算，非临江侧的综合边坡为13.5，分 3 级放坡，设 2 个平台。每级边坡的宽度为 10 m，平台宽度为 1.5 m，并在第一级平台处设 700 mm 深层搅拌桩隔水帷幕，桩底标高15 m，一方面，可隔断1透水层；另一方面，可加强土坡稳定。见图 7。根据宁波当地的实际情况，护坡材料选用资源丰富、价格相对低廉的块石。采用干砌块石护坡，水泥砂浆勾缝，并设有钢筋混凝土梗格，以增加块石护坡的稳定性和牢固性。梗格自身的稳定则有赖于每 1.5 m 间隔一根的 20 mm 钢筋。为了保证坡 单位：m 图 7 边坡示意图 Fig.7 Sketch of earth slope 注：达标天数指潮位达 1.15 m，且持续时间3h 的天数 时间/d 持续时间/h 1234561 4 8 12 2 6 10 14 16 18 20 22 24 26 28 30SMW 工法隧道轴线 临时施工便道 预制管节 E1 E2 700 mm 深层搅拌桩 16.003 6 3 7.25 15.55 3 3 5 1 15.007.509.67 700 mm 深层搅拌桩 管底富余管节吃水干舷坞底标高出坞水位1 2 1101.51.510 10.25 4.58+2.00+4.002 15.00深层搅拌桩隔水帷幕横向弧形钢筋 混凝土梗格 干砌块石，水泥砂浆勾缝 排水管道坡脚墩 平 台 上 排 水1 3.5:1 3.5:1 3.5:1226 岩石力学与工程学报 2004年 脚的稳定性，在干坞第 3 级边坡坡脚处砌筑深 1.5 m、宽 1 m 的浆砌块石坡脚墩，用来阻挡边坡的向下位移，以稳固坡脚，同时与梗格形成一个整体。入坞坡道是沟通坞内与坞外的运输通道，用来运输建筑材料和设备。坡道的关键之处是坡度和转弯半径要满足运输的要求，作者在有限的边坡长度范围内选择了合适的起始点和正确的走向，使交通运输及坞内的材料分配更简洁、方便、合理，同时，还要满足承载能力和稳定性要求，且不影响整个边坡的安全性。坡顶设置防洪子堤，以保证坞口破开后，高潮位时的防汛要求。2.5 坞墩和大堤坞墩和大堤 坞礅设计成“”形，每个坞礅的外围设一排型钢水泥土搅拌桩(SMW 工法1)，其内侧采用水泥土搅拌桩加固，宽度为 6 m，深度分为 4 级，从临江侧面向坞内依次为 27.5 m 深三头水泥土搅拌桩、22 m 深三头水泥土搅拌桩、14.5 m 深 700 mm双头水泥土搅拌桩、10.5 m 深 700 mm 双头水泥土搅拌桩，从大堤向坞内成阶梯形下降。坞礅与大堤的交接处加固成腋状，以增加坞礅的稳定性，并使坞礅与大堤得到更好的连接，防止坞礅与大堤之间出现裂缝。大堤受力复杂，进水前承受干坞外侧水土压力，大堤向干坞内侧变形；坞口浚挖坞内进水后，大堤则向干坞外侧变形。同时，大堤还要有良好的隔水性能，以防止江水渗进坞内影响正常施工。大堤宽 8 m，采用 700 mm 深层搅拌桩加固，靠近坞礅的大堤外侧 14 m 范围内，一隔一插入 400 mm200 mm H 型钢，起到加强大堤稳定的作用。远离坞礅方向，搅拌桩深度成阶梯状抬高，以节省工程量。大堤表面做 200 mm 厚钢筋混凝土面层，起到连接拉结的作用，使得水泥土搅拌桩与面层形成一个整体，从而增加了大堤的整体稳定性。2.6 干坞排水系统干坞排水系统 干坞的排水系统是干坞很重要的一个部分。排水系统的好坏，直接影响到干坞的安全性。干坞相当于一个特大基坑，水的来源主要是雨水和地下水，如不及时将坞内积水排除，将会影响到边坡的稳定性，威胁到干坞的安全。干坞排水系统分为地表排水系统和地下排水系统。地表排水系统主要用来排除流入坞内的地面雨水，分为边坡上排水和坞底表面排水。边坡上设有泄水孔，以减小边坡土体内的水压力，增加边坡的稳定性。二级平台上设有 300 mm200 mm 排水沟，边坡坡率为 3，能及时将泄水孔流出的水以及雨水排到坞底的边沟内，再流入集水井中，这样可以确保边坡的安全。坞底排水明沟设在管节与管节侧向之间，截面尺寸为 500 mm1 000 mm，边坡坡率为 3，能将积水排入集水井中。地下排水系统主要用于排除土层内的地下水，俗称盲沟管。盲沟管在垂直于排水明沟的方向布置，采用 100 mm 打孔 PVC 管，收集坞底结构中的 200 mm 厚中粗砂倒滤层中的水，并将其排入排水明沟，最后流入集水井中。盲沟管约 12 m 一道，双向坡坡率为 3。集水井为小型沉井，直径为 2 m，深 2.7 m。集水井内设有抽水泵，能及时将积水抽出，排到坞外。2.7 基底处理基底处理 干坞的基底要同时满足承载力要求和管节起浮的要求，故采用换填法进行基底处理，并用压路机分层碾压密实，以确保地基的承载力以及减少地基的不均匀沉降量。对于管节布置区，为保证管节起浮以及提高坞底承载能力，换填地基设计成 1.5 m 厚，自上而下依次为：18 mm 厚胶合板、482 mm 碎石(用于减少管段与基础之间的吸力，便于管节起浮)、250 mm厚钢筋混凝土(减小软弱地基的相对沉降差)、100 mm 厚中粗砂倒滤层、250 mm 岩渣、400 mm 厚大石块，见图 8(a)。对于非管节布置区(即管节侧道路)，因该区域受荷不大，故基底处理较为简单，自上而下依次为：300 mm 厚钢筋混凝土路面、150 mm 厚中粗砂倒滤层、400 mm 厚大石块，见图 8(b)。3 结构计算分析结构计算分析 3.1 边坡稳定性边坡稳定性 干坞的边坡稳定性计算包括边坡的整体稳定性和土坡蠕动对边坡的稳定性影响两个方面，主要有工程地质对比法和力学法，其目的在于验算拟建的边坡在确定的条件作用下是否满足安全稳定要求。通过对干坞各种坡度的稳定性分析，确定一个较为合理的边坡值用于工程设计。3.1.1 边坡的整体稳定性计算(圆弧滑动的条分法)干坞边坡整体稳定性分析可用瑞典(Fellenius)圆弧滑动条分法2，见图 9。该法属于极限平衡法，它的基本假设是所假定的破坏面(圆弧面)要满足库仑破坏准则。土的 c，值采用各土层的固结快剪 第 23 卷 第 7 期 陈昌祺等.宁波常洪隧道干坞设计及优化 1227 (a)(b)单位：mm 图 8 基底处理 Fig.8 Treatment of ground basement 图 9 圆弧滑动条分法计算简图 Fig.9 Sketch of slope computation 峰值指标，其数学表达式为 iniiiiiniiiiniiizwbqwbqlcKsin)(tancos)(111=+=由于 Kz是任意假定的一个圆弧情况下计算出的稳定安全参数，但实际上，土坡不一定沿着此圆弧滑动。因此，必须分析几个圆弧，直到确定出最小的安全系数值为止。基于上述原理，在计算中要找出最危险滑弧的圆心和半径。最危险的滑弧圆心位置是通过试算得出的，首先，在已定土坡斜边作中垂线，计算得到不同的半径，从而找出最危险圆心的存在区域；然后，在此区域搜索和优化最危险圆弧的圆心和半径。这里运用了单变量寻优的黄金分割法(0.618 法)，对已定的滑弧区和圆心区不断地缩小、优化，并与要求的精度值比较，直至找出最危险的滑弧及相应的最小稳定安全系数值。由于上述计算工作量大而烦琐，故借助已有的基坑分析软件分别选取 5 个有代表性的边坡进行计算，取得了很好的计算结果。计算得出的各边坡整体稳定安全系数 K 均在 1.7 以上，能满足现行规范的要求2，3。3.1.2 边坡的蠕变分析 宁波常洪隧道干坞位于饱和软粘土层中，干坞的软土边坡在长达近 2 a 的施工暴露期间里，会产生明显的沉降，同时，向干坞深部方向产生一定的水平位移。由于干坞软土边坡的蠕变量与土坡的高度以及土坡的暴露时间有关，上述的边坡整体稳定性计算中又无法体现边坡稳定性与时间的变化规律，因此，设计必须考虑土的蠕变因素并加以分析。干坞内土体的开挖会使边坡软弱土层产生蠕变，土的蠕变随着时间的推移会产生沉降和水平位移，原状土体随着应变的增加，土的抗剪强度将减小，因而影响土坡的稳定性。通过对以往工程的实测与试验研究，发现土的蠕变速率随着土体剪应力大小和时间的长短而变化。在环境条件相同的情况下，土体边坡的沉降和水平位移值随着边坡暴露时间的延长而逐步增大，其蠕变过程大致经历 3 个阶段：第 1 阶段为瞬时弹性变形阶段，此阶段的变形量极小，时间极短；第 2 阶段为非稳定蠕变阶段，此阶段变形量较大，其沉降和位移速率由快而慢，历时较长；第 3 阶段为稳定蠕变阶段，这时的沉降和位移速率基本稳定，接近于某一常数值，且很小，这时边坡仍处于稳定状态，未出现土体剪切破坏的现象，故不存在导致破坏的渐变阶段。作者通过分析以及类似工程实践经验，结合土坡试挖实测的数据，用法恩(Fine)建议的经验公式，对拟定边坡的蠕变破坏时间用下式进行了估算：lg T=0.750.92lg em%式中：lgT 为破坏时间(a)；em为最小蠕变速率，em取 0.33 mm/d。400 400 400 12200 R50 1 500 400 250 250 500 100 400 mm 厚大石块(80 kN 压路机碾压)250 mm 厚岩渣(120 kN 压路机分两层，每层 150 mm 厚，碾压密压)100 mm 打孔 PVC 管 100 mm 厚中粗砂倒滤层 250 mm 厚钢筋混凝土 482 mm 厚中粗砂卵石(120 kN压路机碾压蜜实)倒滤层 18 mm 厚胶合板 管段下基底剖面图(滤管段)O R biwi b qi 锚杆、7 和 12 m 处支撑 管段下基底剖面图(非滤管段)400 mm厚大石块(80 kN压路机碾压)250 mm 厚岩渣(120 kN 压路机分两层，每层 150 mm 厚，碾压密压)100 mm 厚中粗砂倒滤层 250 mm 厚钢筋混凝土 482 mm 厚中粗砂卵石(120 kN压路机碾压蜜实)18 mm 厚胶合板 12200 1 500 400 250 250 500 100 1228 岩石力学与工程学报 2004年 上式的计算结果表明，干坞软弱土坡的破坏时间约为 3 a，作为施工期间的临时边坡，已完全满足要求。实际监测结果也证明了边坡是稳定的。3.2 基底变形计算基底变形计算4，5 干坞在软弱土层中开挖必然会引起基底土体的隆起，本工程基底隆起的主要因素是由于挖除土体荷载的释放而引起，基底土的隆起会使土体内的剪应力产生松弛，导致土的极限承载力衰减和土体变形的加大。这种现象对干坞内的预制管节将产生不利影响，设计中应进行分析计算，并采取措施，使其对工程的影响减少到最小。计算软弱粘土的回弹隆起量和再压缩沉降量的理论方法有许多，设计采用土体卸荷后再加载的分层总和沉降计算公式。土体的隆起量按下式计算：=niiiiEPbS11000)(土体的沉降量按下式计算：=niiiiEbPS11111)(12.1 式中：b为基础宽度；iE0为第i层土体的割线膨胀模量；iE1为第i层土体的割线再压缩模量；P0为挖去的土重荷载反向作用于基底顶面的荷载；P1为作用于基底顶面的荷载(管节重量与施工荷载)；i，i1为各层土的沉降系数。计算中采用的iE0，iE1是通过对干坞基底原位荷载板试验以及缩尺堆载模拟试验后得到的变形模量数据进行整理分析后获取的。此外还用二维有限元分析法来计算干坞基底卸载后再加载的土体竖向与横向位移。计算中视土体为理想弹性体，采用不同的回弹和压缩模量。3.3 坞墩的计算坞墩的计算 坞口是干坞的咽喉，坞口破堤历时长，受环境影响大，坞墩的强度和稳定以及位移需要满足施工期间的使用要求。坞墩为格构结构，坞墩内的加固土体与四周H型钢组合成一体，承受不平衡的水土压力。坞墩内加固土体产生的压力参照谷仓散体压力的分布形式进行计算，见图10。坞墩稳定性分析中将格构结构视为实体进行抗滑移、抗倾覆、整体稳定性等计算。4 结束语结束语 宁波常洪隧道的设计是在同建设单位、施工单位、监测单位的共同协作下，不断深化和不断改进中进行的，总结设计中遇到的工程问题和经验教训对提高今后的设计水平是有很大益处的。图 10 坞墩计算简图 Fig.10 Sketch of dock pier 干坞的设计必须考虑周边环境和施工条件，同时，还应满足沉管隧道的各种工艺要求，以便节省工程造价。通过工程实践的经验，可以证明以下设计方法是有效、可行的：(1)干坞的选址、坞内管节的布置以及坞底标高的确定，都必须反复进行比选优化，以制定出一个既安全又经济合理的设计方法。(2)由于土的不均匀性和各向异性，以及不利条件下土的变化等因素，土体中的本构关系将产生变化，从而影响软土边坡的稳定性分析，计算中稳定性系数的可靠性很大程度上取决于土质参数(c，等值)。同时，还要考虑干坞长期施工软土边坡暴露期间，其变形显示出的蠕变特性。否则，任何精确计算方法都将无济于事。因此，设计后的试挖坑以及土坡的监测是很有必要的。(3)在干坞的边坡设计中，采取一些切实可行的、有利于边坡稳定的技术措施(包括边坡形式、坡面保护、诱导排水系统、护脚坡底等)，并在施工中认真贯彻实施，将到了成效。干坞的边坡经过近2 a的日晒雨淋，无一地方发生滑坡和塌方，安然无恙。致谢致谢 在本文的撰写过程中，得到了孙 钧老师的大力支持与指导，特此感谢。参参 考考 文文 献献 1 刘建航，侯学渊.基坑工程手册S.北京：中国建筑工业出版社，1997 2 温特科恩 H F，方晓阳.基础工程手册S.钱鸿缙、叶书麟译校.北京：中国建筑工业出版社，1983 3 顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊等.地基与基础(第二版)M.北京：中国建筑工业出版社，1993 4 孙更生，郑大同.软土地基与地下工程M.北京：中国建筑工业出版社，1984 5 李希元，陆浩亮，孙 钧.非线性流变问题的有限元解法C.见：廖济川主编.第三届华东地区岩土力学学术讨论会二十一世纪的岩土力学专题讨论会论文集C.武汉：华中理工大学出版社，1995 实际水位坞顶标高 竣挖标高 S 245o