水域沉管隧道基础处理方法的对比分析

第24卷增刊2003年10月岩土力学

^00^ 0^(18011 ^00^3^108

乂〇124 8口卯.

〇乩2003

文章编号：1000-7598-增2-0349-04

水域沉管隧道基础处理方法的对比分析

张庆贺，高卫平

(同济大学地下工程系，上海200092^

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。本文对目前国内外沉管隧道基础处理的主要方法进行了对比分析，得出不同方法在解决基槽稳定性、控制隧道沉降中的效果。

关键词：沉管隧道；基础处理；对比分析；压砂法

中图分类号：口 459.5 文献标识码：八

瓜卩311800 3031^818 00 1^631^601 ^61&0^8 ^1^6-810^10^1^00618

況八V。^七6，0X0

仏匕68办，8匕如亦31200092，。他匀

^^81^301：1^6 813^1111^3^1 10^^13110^ 16101^0110^ 0^ ^1^6-81^^！^^ 10^618 36 00^^16^61^ 1111616^1 任0爪 1^086 0^ 8^1^006

1^6 ^01^086 01 100^13110^ 11631^6^1 18 10 801^6 1^6 ^10^16^ 01 ^^6^6^ 100^13110^ ^100^6 030861 6X30110^，80 38 106^801*6 1^6 813^1111^011^6 10！611^ 1^6 00^8^100110^ ^100688 3^1 1^ 10^016 0061*3廿01 1^18 ^1686^1 ^3^6！ 00^100^8 00^^31180^ 3^317818 0玎 1^6爪3』01 ^61^018 31 ^0^6 3^1 3^1031 10！ 100^13110^ 1！631^6^1 01 100^1义

^6^砰0扩过8：^00^61；1！631^6^1，00^^3！180^ 83^1-110^1^^ ^61^01

1综述

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。在沉管隧道沉管段中构筑人工基础，沉降问题一般不会发生。有些国家(如日本)更是明确规定，当地基容许承载力[扣320 ^^/^2，标准贯入度形1时，不必构筑人工沉管基础⑴。在沉管段基槽开挖时，无论采取何种挖泥设备，竣挖后沟槽底面总留有15?50 0^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：①基槽开挖作业所造成的槽底不平整问题；②地基土特别软弱或软硬不均等工况；③考虑施工期间基槽回淤或流砂管涌等问题。

欧洲传统上习惯采用喷砂和压砂法。美国大多数采用刮铺法，压浆法在日本采用最多【2】。我国宁波甬江沉管隧道为压浆基础，广州珠江隧道和上海外环线隧道采用压砂法。宁波常洪隧道采用粧基囊袋法。

2沉管隧道基础处理的主要方法

2.1 一般土层上的基础处理

从沉管隧道基础发展来看，早期采用的是刮铺

收稿日期：2003-06-15

作者简介：张庆贺，男，1944年生，教授，博士生导师，现任同济大学地下工程系教研室主任，中国土木工程协会防护工程学会理事，从事地下工程研究。

350

岩土力学2003 年

法^先铺法^该方法是在疏浚地基沟槽后，在两边打粧并设立导轨，然后在沟槽上投放砂石，用刮铺机进行刮铺。它适用于底宽较小的钢壳圆形、八角形或花篮形管段。美国早期的沉管隧道常用此法⑶。该法有不少缺点，特别是对矩形宽断面隧道不适用，而逐渐被淘汰，取而代之的是后填法。

后填法是将管段先沉放并支承于钢筋砼的临时垫块上，再在管段底面与地基之间垫铺基础。后填法克服了刮铺法在管段底宽较大时施工困难的缺点，并随着沉管隧道的广泛应用，不断得到改进和发展，现有灌砂法、喷砂法、灌囊法和压注法，其中，压注法又分为压浆法和压砂法。对几种后填法的分析对比见表1。

2.2层上的沉管段基础

若沉管管段底面以下的地基土特别软弱，或在隧道轴线方向上基底土层软硬度不均，会造成管段产生不均匀沉降。地震或列车通过时的振动会使砂性基础产生液化的不良后果。此时，基础仅作“垫平“处理是不够的。一般解决的方法是在水下做粧基，即沿沉管隧道纵向每隔一定距离打入若干排钢筋混凝土粧或钢粧。

在沉管段中采用粧基时，首先要考虑如何使粧的水平标高一致，使粧顶吻合在管段的底面。因为水下粧群的粧顶标高在实际施工中不可能达到绝对的水平，而管段又是在干坞预制的，管段沉没后，无法保证所有各粧均与管段底面接触，所以，必须采取措施使各粧均匀受力。为此，通常采用的方法有: (”水下混凝土传力法

粧基打好后，先浇一、二层水下混凝土将粧顶裹住，而后在其上铺一层碎石垫层，使沉管荷载经砂石垫层和水下混凝土均匀传到粧基上。美国亚拉巴马州的班克赫德隧道(只肪^：^6丁皿^61，1940〕曾采用此法。粧头构造形式见图1。

(幻砂浆囊袋传力法

在管段底部与粧顶之间，用大型化纤维囊袋注水泥砂浆加以垫实，使所有粧基能同时受力。5瑞典延斯泰德隧道〔丁丨哗8！；肪4 丁皿^1，1968年)曾米用此法。粧头构造形式见图2。

表1后填法分析对比表

方

法

基本工艺原理优点缺点适用性应用举例

灌砂法管段沉放完毕后，从工程船舶上通 过导管在沉管管段侧面向管段底 部灌填粗砂，构成纵向垫层。

主要是在水面上用砂泵将砂、水混

喷合料通过伸入管段底面的喷管向砂管段底部喷注，以填满其空隙。喷 法砂所筑的垫层厚一般为1爪。

灌囊法

压浆法先在基槽底铺一层砂、石垫层，管

段底事先系扣上囊袋一并下沉。管

段沉放后，从工程船舶上向囊袋内

灌注混合砂浆，直至管段底面以下

的空隙全部充填满为止。

是在灌囊法基础上进一步改

进和发展而来的。

压浆法是从管段内部，用通常

的压浆设备，经预埋在管段底板上

带单向阀的压浆孔，向管段底部空

隙压注混合砂浆。

不需专用设备，施工不能使矩形断面管底宽较小的钢壳

方便。段底面中部充填密圆形、八角形或花

实，故不适用。篮形管段。

在喷砂开始前，可利喷砂台架影响通航，在欧洲用得较多，

用吸砂设备将基槽且设备费用昂贵；对适用于宽度较大

底面上的回淤土清砂子粒径要求较严，的沉管隧道。

除干净。适用于宽度增加了费用。

较大的沉管隧道。

混合砂浆的强度(标囊袋较贵，安装工适用于宽度较大

号)要求不高，适合艺、水上作业和潜水的沉管隧道。

于宽度较大的隧道。作业复杂，现己基本

上被压浆法取代。

不干扰航道；不受水

深、流速和潮汐等水

文条件影响；施工设

备易得，投资少；与

管段的底部结合紧

密，可防止沉降。

对砂浆的强度、流动

性、和易性及泌水性

都有较高要求。

注浆浆液凝固后

不液化，在可能发

生地震或有其他

动载作用的情况

尤为合适。

美国早期的沉管隧道常用此法；阿

根廷？31^皿丨38〉隧道等。

德国2化3河隧道(宽41.5爪〉；比利

时斯海尔德隧道（巧^。），宽

47.85爪；荷兰斯派克瑟地铁隧道

〔3的匕⑶匕把^6饮0 丁口打狀1，1984〉。

瑞典隧道(…^^)，最初使

用；日本的衣浦港水底隧道。

日本东京港第一航道水底道路隧

道(丁。^^。？01！丁仙加]，1976〉；东

京港03匕&010隧道(…六^);东京

多摩川隧道(丁㈣^尺、61~丁㈤^);

中国宁波的甬江隧道。

压砂法

与压浆法相似，是在管段底板

上预先设置压砂孔，沉放后通过压

砂孔向基础压注砂水混合料。

对粒径的要求比喷

砂法低；价格便宜；

不干扰航道；不受水

深、流速、潮汐等水

文条件影响。

对基槽中回淤的要

求严格。

较广泛。荷兰应用

尤其多，是目前先

进的施工方法之

荷兰03匕隧道(…了〗)；中国珠江

隧道(巧^〗)；澳大利亚悉尼港湾隧

道(^^如巧93出0证1^0^61〉，宽

26.1 瓜。

增刊张庆贺等：水域沉管隧道基础处理方法的对比分析

349

⑴桩；⑶水下混凝土；⑶碎石；⑷回填

图1水下混凝土传力法

1^61^0^ 0丨0000^616

1.砂石垫层1.砂浆囊袋

图2砂浆囊袋传力法

丨1运.2 於6也0过0丨81财7 830^

^可调桩顶法

在所有的桩上设一小段预制混凝土活动桩顶。活动桩顶与预制混凝土桩之间，留有一空腔，周围用尼龙布裹住，形成一个囊袋。环节沉放后，向囊袋里灌注水泥砂浆，将活动桩顶升起，使之与管段底面密贴接触。待砂浆强度达到要求后，卸除支承千斤顶，管段荷载便能均匀地传到桩群上去。荷兰鹿特丹地铁隧道(尺0肋『也爪^蚶0 丁仙加1，1986〉、库赫文隧道1^0^61，1989〉、泽比格隧道(&6匕叹红1^0^61，1989〉都曾采用此法。桩头构造形式见图3。

图3活动桩顶法

运.3 ^61^0^ 0^ ^0^10^ 卩116

3压砂法基本原理及应用

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。3.1压砂法基本原理和施工工艺

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，是目前先进的施工方法之一。示意图见图4。图中：（”砂的输入; (之）混合流的形成；口）形成砂积盘；（彳)混合物在水下斜坡上溢出；⑶砂的流失;⑷)砂的沉积和斜坡形成。

I

I

图4压砂法示意图

丨1运.4 8反61也瓜3只0^ 830过乜0外瓜61&0过压砂法的设计和施工中要确定的关键参数有：

(丄）砂积盘大小的确定

砂积盘的大小是确定管段底板压砂孔的孔数、布置方式与压砂压力的决定性因素。其大小的确定一般是建立在喷入砂流试验结果的基础上。

大量压砂试验发现，喷砂时，砂流的冲量与砂积盘内水的质量之比大体上为常数〈用无量纲参数丑。表示〉，砂积盘半径丫8与冲击坑深度^之比值近似为一常数(约为2.5〉。冲击坑深度少可由下式(经验公式〉确定。⑷

1

2二。彳叫“俱13⑴

^0I 4 0忖0」

式中匕二 (仏-口』^；仏为喷入口处体积含砂量；仏)为喷入砂的速度；广8为砂的密度；广&为水的密度；^为重力加速度；义为压入孔直径。

^砂积盘内的水压力

为了保持砂流的流动，冲击坑内的水压必须高于砂积盘外的水压。砂积盘与管段底面间接触面部分离压入孔中心线距离「处的水压力可由达西定律(^&^0^，[^^)得到，即

10厂―10厂

只二奶一~迎^--------口）

10―10厂。

式中‘X为砂积盘半径;八忖为冲击坑内的水压，它决定于喷入砂流高度方向的长度；尺为冲击坑半

352岩土力学2003 年

径，由27； ^^化'顶决定；名为管段底面压砂孔的直径；《为试验常熟；0为基地上高度1处的砂流流量。

具体隧道在采用压砂法基础处理时，都要根据所选压砂材料及自身工况进行基础的模拟试验。3.2压砂法的应用

3.2.1广州珠江隧道

广州珠江隧道采用压砂基础。珠江隧道河中段长457瓜，由5节管段组成，管段宽33瓜。压砂孔与灌浆孔(用以封灌冲击坑和流砂槽〉在管段底面下的布置见图5。

105

图5各管段压砂孔的平面布置图(单位：矶）

卩1廷.5 7^6 13^10^ 01 830过 110评匕016

压砂孔的结构构造主要由中260的压砂灌，两根测管和命180的球阀组成。球阀是由钢壳制成的球外包橡胶组成。砂积盘半径为7.5瓜，压砂孔出口处静压强为0.25 乂?3。压砂材料为清远1号砂，其级配见表2。

表2清远1号砂级配表

73^16 2 7^6 ^^3^3(100 01 ^10^^^30 00.1 830过粒径

细砂中砂粗砂细砾中砾

1⑴印0.10.250.50.50 2.0 5.110

0.25 2.0 5.010.0 20

颗粒

组成1。7。

1325.056.012.5 2.5广州珠江隧道已于1993年年底通车，从实际效果看，该隧道的压砂法基础设计是成功的。

3.2.2上海外环线隧道

上海外环线隧道江中沉管段长724瓜，由7节管段组成，管段宽43瓜，高9.55瓜，采用压砂基础。外环沉管隧道的地基为软弱饱和粘土土层，基底承载力低而且不均匀，江底的回淤量较大，对砂垫层有抗液化的要求。针对工程特点，进行了基础处理模拟试验。压砂孔间距为11瓜，砂积盘半径设计为7.5瓜。压砂设备采用国产8、62-0型砂砾泵。该隧道已顺利竣工，其基础设计是成功的。

3.3常洪隧道

宁波常洪隧道江中段长400瓜，由4节管段构成，管段宽22.8瓜，高8.45瓜。根据甬江是强回淤河流，沉管段基础采用粧基囊袋法，即粧基法加砂浆囊袋传力的辅助手段。具体施工步骤为：先浚挖基槽至粧顶标高下1瓜，然后完成水上粧基施工，待管段沉放完毕对预埋于管底的囊袋灌浆，完成管段与粧顶的连接，最后进行管底充填注浆。

隧道基础由204根方粧和16根钻孔灌注粧组成。204根方粧采用600x600瓜瓜的预应力钢筋混凝土，粧长24?34茁，方粧顶通过法兰连接伞750瓜瓜长3瓜的钢管粧。采用钢接粧的目的是便于粧顶标高高出设计值，可通过水下切割钢接粧修正粧顶标高。

管段内囊袋及充填灌浆孔位布置，根据江中粧基的布置，管段中囊袋灌浆孔共4列，其中每一囊袋位置与江中粧基对应；充填孔3排，呈梅花型布置，孔位穿插于囊袋孔之间。

常洪隧道的粧基囊袋法与采用辅填法的一般沉管隧道基础及同样采用粧基的国外沉管隧道相比，有其独特之处：

(丄）在回淤严重的甬江采用粧基，最大程度地减少了淤积对管段基础的影响。

卩）不需要进行一般的水下垫层施工，整个基础施工无需水下作业。

卩）桩基、囊袋分别制作施工，待囊袋中注浆后共同发挥作用，简化了粧的形式。

从实际施工情况来看，常洪隧道基础采用粧基囊袋法取得了成功。

4结语与展望

(”沉管隧道采用什么类型的基础需要具体情况，具体分析，主要取决于隧址的地质条件、通航情况、施工机械和费用等。

卩）上海等沿海城市修建水下沉管隧道，回淤严重，应首选压砂法。

卩）在水底地基情况变化比较大的南京、武汉等地，宜采用局部粧基，压浆相结合的基础处理方法。

参考文献

⑴陈韶章^沉管隧道设计与施工[蝴.北京：科学出版社，

2002^

冏徐干成，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卬^世界隧道，1995，[习沉管隧道与悬浮隧道卩).隧道译丛，1994，(^):

⑷常洪沉管隧道工程技术研宄[扣.宁波：常洪隧道发展

有限公司，2001.