港珠澳大桥沉管隧道基础处理方案沉降分析 (1).pdf

铁道勘测与设计RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2011（6）9港珠澳大桥沉管隧道基础处理方案沉降分析隗建波宁茂权莫阳春黄胜【摘要】沉管隧道的地基稳定、基础沉浮问题与一般地面建筑的情况截然不同，其基础处理的目的是解决基槽开挖作业所造成的槽底不平整问题，保证隧道在施工、使用阶段变形稳定性。叙述了目前国内外沉管隧道常用的基础处理方法，详细讨论了压砂法的机理。介绍了港珠澳大桥沉管隧道，对沉管隧道基础压砂方案做数值模拟分析。【关键词】港珠澳大桥沉管隧道基础处理沉降数值分析(中铁第四勘察设计院集团有限公司城地院武汉430063)沉管隧道基础设计与处理是沉管隧道，特别是矩形沉管隧道的关键技术之一。沉管隧道的地基、基础沉降问题与一般地面建筑的情况截然不同。沉管隧道在基槽开挖、管段沉放、基础处理和最后回填覆土后，抗浮系数仅 1.1 1.2，作用在沟槽底面的荷载不会因设置沉管而增加，相反却有所减小。在沉管段基槽开挖时，无论采取何种挖泥设备，浚挖后沟槽底面总留有 15 50cm 的不平整度。沟槽底面与管段表面之间存在众多不规则的空隙，导致地基土受力不均匀，引起不均匀沉降，同时，地基受力不均也会使管段结构受到较高的局部应力，以至开裂，因此，必须进行适当的基础处理，以消除这些有害空隙。沉管隧道基础处理主要是解决：基槽开挖作业所造成的槽底不平整问题；地基土特别软弱或软硬不均等工况；考虑施工期间基槽回淤或流砂管涌等问题。1 沉管隧道基础处理的主要方法沉管隧道基础处理的主要方法有灌砂法、喷砂法、灌囊法、压浆法、压砂法。结合我国江河水文地质特点及世界沉管隧道基础处理方法发展，我国沉管隧道多采用压砂法。压砂法(亦称砂流法)是荷兰在 1975 年修建韦斯特谢尔德河沉管隧道时发明的。由于压砂法砂粒粒径要求比喷砂法低，又可避免河上的喷砂台架对航道的影响，并省去喷砂法用的浮吊，20 世纪 70年代后期开始压砂法逐渐为各国采用,是目前常用的施工方法之一（图 1）。图 1 中：(1)砂的输入；(2)混合流的形成；(3)形成砂积盘；(4)混合物在水下斜坡上溢出；(5)砂的流失；(6)砂的沉积和斜坡形成。2 工程概况主体工程采用桥隧组合方案，穿越伶仃西航道和铜鼓航道段约 6.786km采用隧道方案（含沉管段和岛上段）。沉管段方案为：长度从 K6+961 K12+751，全长 5664m。整个沉管段共分为 33 节管节，管节长度自东向西分别为 90m+90m+180m 30+79m（总长 5659m）（图 2、图 3）。图 1压砂法示意图勘 察 设 计港珠澳大桥沉管隧道基础处理方案沉降分析隗建波宁茂权莫阳春黄胜铁道勘测与设计RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2011（6）勘测与设计铁道10本隧道沉管基础置于中等压缩性高压缩性地层上（即淤泥、淤泥质粘土、粉质粘土等）。沉管隧道两端斜坡段，压缩性粘性土层（全新世土）非常厚，达 10 25m，下卧较硬的更新世粘土和中密砂层。中间段埋深较深，隧道基础下为厚度小于 5m的较硬的更新世粘土层或中密砂层。勘察试验结果为：全新世软土是正常固结的，而较硬的更新世土是超固结的，其下的中砂层为超固结的，属于中密至密实状，适合作为沉管隧道地基。标高为-50m至-75m的中砂层为沉管隧道提供了一个均匀、稳定的地基，地基沉降小。中间段由于隧道埋深较深，其隧道顶部回淤量很大，回淤荷载很大，由于砂层地基的刚度大，承载力高，因此，该段隧道地基沉降量在可控范围；由于人工岛上段隧道采用钻孔桩刚性基础，其沉降变形非常小，在可控范围内；而在两端岛隧结合部斜坡段，隧道基础下压缩性地层厚度大，隧道出露既有海床面很多，其附加荷载也大，因此隧道基础下地图 2项目总平面布置图 3沉管隧道纵断面铁道勘测与设计RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2011（6）11层的沉降量大，本方案考虑对该段进行压砂处理，通过数值分析看沉降量是否满足要求。3 基础压砂方案的数值模拟3.1 典型断面的简化处理及模型的建立在建模时，需要对沉管进行简化处理。根据沉管隧道典型断面（图4）建立如图5所示的数值分析模型。3.2 计算参数的确定围岩材料模型采用 GTS 中的弹性模型；开挖采用MidasGTS中的施工阶段分析；沉管采用Mid-asGTS 中的梁单元；本构模型为弹性。岩体的初始地应力场只考虑自重应力。考虑压砂法换填砂加固处理对基础岩性的改善，在模拟时适当的提高加固区围岩的参数。具体围岩和支护材料力学参数如表 1 所示。表 1围岩和支护结构力学参数材料浮容重/(kgm3)弹性模量/MPa泊松比C/(KPa)Fi/()块石层9002000.35内部换填砂900200.45沉管274300000.2淤泥层6001.870.475.32.2黏土层87060.4622.512粗砾砂1200270.45303.3 模拟基槽开挖、沉放沉管、回於模拟过程中，先沿着 y 轴方向基槽开挖。然后对基础进行压砂处理，沉放沉管，最后再回於。每步开挖后，立即对模型进行求解，使其处于应力平衡状态（图 6 图 8）。4 模拟结果与分析图 4沉管隧道典型断面5沉管隧道计算模型图 6基槽开挖图 7基底砂换填并沉放沉管图 8最终回淤图 10基底压砂并沉放沉管后的沉降分布云图图 9基槽开挖后的位移分布云图勘 察 设 计港珠澳大桥沉管隧道基础处理方案沉降分析隗建波宁茂权莫阳春黄胜图铁道勘测与设计RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2011（6）勘测与设计铁道12图 9图 11 为基槽开挖后、基底压砂并沉放沉管后和回於完成后竖直方向位移云图。比较图9图11可以看出：基础开挖后，基底隆起；基槽开挖线底部两侧隆起较大。基底压砂并沉放沉管后，竖向位移：随着开挖断面尺寸由小到大变化，基槽开挖线底部隆起值也相应变大。基槽开挖线基底隆起变大。回於完成后，相对于上一工况，基槽开挖线两侧的隆起量由大变小。基槽开挖线底部与沉管基底隆起现象也出现一定情况缓解，隆起值开始下降。隆起或下沉量：沉管隧道两侧，基槽开挖线底部隆起最大，为 49.2mm。由云图可以看出，沉管周围的下沉量比较大，沉管下方，离沉管越远，下沉量越小。回於完成后，压砂段的下沉量为-32.9mm，压砂段与沉管之间的回於层下沉量为-65mm。基槽开挖线底部隆起值要比其他位置的隆起值要大。另外，随着回於的最后完成，基槽开挖线底部隆起值减小，换填砂及回於层的沉降也相对减小。回於完成后，最大沉降值为-65mm。5 结论(1)基槽开挖后，基槽开挖线底部隆起，沉管隧道周围换填砂区域出现下沉，这些都是较危险的区域。在施工时应要对这些区域进行监控量测。(2)基槽开挖线底部隆起值要比其他位置的隆起值要大。(3)随着回於的最后完成，基槽开挖线基底隆起减小，换填砂及回於层的沉降也相对减小。(4)数值分析结果表明沉管段基础沉降满足设计要求，因此在沉管隧道施工前，可采用数值方法对隧道施工过程进行仿真模拟，这样可以预先掌握开挖过程中围岩的变形规律，对可能发生的现象做到心中有数。参考文献1陈韶章.沉管隧道设计与施工M.北京：科学出版社，2002.2徐干成，李永盛，孙钧等.杨林德沉管隧道的基础处理,基槽淤积和基础沉降问题J.世界隧道，1995.3沉管隧道与悬浮隧道.隧道译丛，1994.4宁茂权.沈家门港海底沉管隧道设计介绍 J.现代隧道技术，2008.5Milligen,P.C.V.&Gursoy,A.et,chapter1 chapter6J,Tunnelling and Undergroun Space Technology,1993，Vol,No.2.6Volbeda,J.H.and G.L.M Schtieck,Trench Siltation:origin,consequences and how to cope with itC,ImmersedTunnel Techniques conference,Manchester,April,1989.7赵宏.沉管隧道的发展J.隧道建设,1995,(02):49-59.8万晓燕,管敏鑫,唐英.沉管隧道段的结构计算和分析J.世界隧道,1999(6):19-22.9常洪沉管隧道工程技术研究R.宁波:常洪隧道发展有限公司，2001.10张冠军,王祺,张志勇,张鹏.外环沉管隧道基础处理技术研究J.上海隧道,2002.收稿日期：2011-6-28图 11回淤完成后的沉降分布云图