淤泥層中沉管隧道基礎(chǔ)形式選型及沉降數(shù)值分析

陳海軍， 孫志彬， 張聚文

(1.中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州 511458； 2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 合肥 230009)

廣州市南沙區(qū)作為珠三角交通樞紐及大灣區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成，將構(gòu)建由軌道交通、高快速路、水上交通和航空運(yùn)輸有機(jī)結(jié)合的高效綜合交通系統(tǒng)。在軌道及市政交通建設(shè)將不可避免遇到過(guò)江隧道建設(shè)問(wèn)題。由于南沙區(qū)內(nèi)“三水一河兩岸”的濱水道路較多，接線條件苛刻，過(guò)江隧道方案若采用盾構(gòu)法對(duì)地面道路影響較大，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)與地面道路及地下環(huán)路的連接。若采用明挖圍堰法需中斷航運(yùn)，且對(duì)紅樹(shù)林等自然保護(hù)區(qū)與水環(huán)境影響較大；若采用沉管法可縮短隧道長(zhǎng)度，且岸上路段匝道數(shù)量少，距離短，可節(jié)約工程投資。

沉管隧道作為跨越江河湖海的水底隧道工法之一，具有埋置深度靈活、土地利用率高、防水性能好、地層適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前世界上已修建了120多條沉管隧道，但其工后沉降問(wèn)題一直是關(guān)注重點(diǎn)。

王光杰等[1]結(jié)合室內(nèi)回彈試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)平板載荷試驗(yàn)及堆載試驗(yàn)，確定了開(kāi)挖基坑內(nèi)基底土層的再壓縮模量值，并采用數(shù)值計(jì)算分析了沉管隧道的沉降差，得出了沉管隧道地基土在各個(gè)施工工序條件下的沉降變形量，與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，吻合較好。魏綱等[2]收集了國(guó)內(nèi)外19座沉管隧道的沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了施工期間沉降、工后沉降、總沉降的分布規(guī)律及沉降、總沉降引起的管段首尾沉降差和管段之間接頭處沉降差的分布規(guī)律與沉降原因。李劍等[3]利用 ANSYS 有限元計(jì)算軟件建立了沉管隧道二維模型，并對(duì)沉降控制和沉管隧道的沉降機(jī)理進(jìn)行了分析。

由于沉管隧道建設(shè)的基礎(chǔ)圍巖地質(zhì)情況差異很大，對(duì)于某一具體沉管隧道在調(diào)研已有工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，仍需根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行專門研究。本文基于Plaxis 2D軟件對(duì)南沙區(qū)擬采用沉管隧道的施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬，針對(duì)不同基礎(chǔ)施工方案分別模擬該工況下沉管隧道縱橫斷面的沉降，并對(duì)沉降結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

1 工程概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)情況

南沙地區(qū)地處珠江三角洲平原前緣河口地帶，屬珠江I級(jí)階地，地勢(shì)開(kāi)闊低平，由沖積平原及少量丘陵臺(tái)地、海島組成，整體較為平坦。該地區(qū)的地層分布以燕山花崗巖和第四紀(jì)海陸相沉積物為主，其中第四紀(jì)沉積物中分布大量的淤泥、淤泥質(zhì)砂及淤泥質(zhì)黏土。南沙黏土在地層中分布廣泛，且含水率高、壓縮性大、承載強(qiáng)度低。

南沙地區(qū)水網(wǎng)密布，河涌縱橫，屬于平原河流，水流平緩，潮汐明顯，潮差平均 2.4 m，水資源總量約 76.9 m3/s(664萬(wàn)m3/d)。南沙區(qū)潮汐屬不規(guī)則半日潮，由于受徑流影響，年最高潮位多出現(xiàn)在汛期，而年最低潮位則出現(xiàn)在枯水期[4]。

1.2 地基巖土層分布情況

南沙地區(qū)的地質(zhì)勘察資料表明，該地區(qū)軟土主要為淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥混粉細(xì)砂等，一般分布在地表硬殼層之下，大部分地段軟土為單層，局部為雙層，其下臥層多為砂層，部分為黏性土。由于受河道分布、地形影響及地質(zhì)生成環(huán)境的不同，軟土在層理構(gòu)造、展布深度和成層厚度上均有明顯差別，軟土土質(zhì)也復(fù)雜多樣?；鶐r主要為花崗巖，物理力學(xué)性質(zhì)好，多揭露于場(chǎng)區(qū)深部，呈層狀分布。以蕉門水道地質(zhì)縱斷面為例，淤泥層最大厚度達(dá)到24 m以上，下層為粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土，基巖為強(qiáng)-中風(fēng)化花崗巖，如表1所示。

2 沉管隧道鋪設(shè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

在調(diào)研已有沉管隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)南沙地區(qū)不同海相淤泥層厚度提出了5種設(shè)計(jì)方案：

1) 淤泥層厚度小于2 m時(shí)，選擇換填法[6]，換填材料可選取級(jí)配良好的中粗砂，不含植物殘?bào)w、垃圾等雜質(zhì)，含泥量少于5%；

2) 淤泥層厚度為2 m～4 m時(shí)，采用拋石擠淤方法[7]對(duì)淤泥層進(jìn)行處理，拋石擠淤的范圍大約為3 m，當(dāng)淤泥層厚度過(guò)大時(shí)塊石底部會(huì)存在一定范圍的淤泥層而造成沉降過(guò)大，可適當(dāng)進(jìn)行淤泥挖除后進(jìn)行拋石；

3) 當(dāng)淤泥深度為4 m～20 m時(shí)，采用擠密砂樁[8-9]加固；

4) 當(dāng)淤泥深度為15 m～30 m時(shí)，采用水泥攪拌樁[10-11]進(jìn)行加固；

5) 當(dāng)淤泥深度為25 m以上時(shí)，采用PHC樁[12-14]進(jìn)行加固。

3 數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型

為了分析不同淤泥層厚度下所采用的不同沉管隧道基礎(chǔ)鋪設(shè)形式的適宜性，采用Plaxis 2D軟件建模分析。

橫斷面的網(wǎng)格劃分及沉管模型如圖1(a)所示。考慮到數(shù)值計(jì)算的邊界效應(yīng)，橫斷面模型的長(zhǎng)度為200 m。自上而下的土層分別為厚6.0 m素填土，厚6.8 m粉細(xì)砂，淤泥層及基巖(厚度為50 m)，淤泥層厚度隨不同工況變化。模型邊界條件底部為水平和豎向約束；左右兩側(cè)邊界僅為水平方向約束[15-17]。沉管結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，其力學(xué)與幾何參數(shù)按照實(shí)際工況取值。

縱斷面的網(wǎng)格劃分及沉管模型如圖1(b)所示。

表1 蕉門水道典型縱斷面圍巖變化[5]

模型為2節(jié)長(zhǎng)度220 m的沉管，土層分布情況、約束情況與橫斷面模型相同。橫縱斷面的土體本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，沉管結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。

(a) 橫斷面

(b) 縱斷面

根據(jù)已有地質(zhì)和設(shè)計(jì)資料，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，得到各巖土層和樁參數(shù)，如表2所示。

3.2 各方案計(jì)算結(jié)果分析

1) 換填方案

采用換填對(duì)淤泥層進(jìn)行處理，淤泥層厚度為1.6 m，模型深度為60 m。沉管隧道橫斷面位移云圖如圖2(a)所示。由圖2(a)可知，沉管隧道橫斷面的沉降變化沿其左右連接處中心呈對(duì)稱分布，外側(cè)沉降最大，為24.11 mm，其次是左右沉管連接中心部分的沉降，為22.47 mm，行車隧孔底部的沉降相對(duì)較小。單個(gè)沉管底部的沉降變化趨勢(shì)是從兩側(cè)逐漸向沉管中部減小，沉管最小沉降出現(xiàn)在中部，為22.45 mm。

沉管隧道縱斷面位移云圖如圖2(b)所示。由圖2(b)可知，在沉管頂部，土體沉降位移變化較大，最大沉降為43.36 mm。由于沉管頂部土體未受荷載的預(yù)壓，稀疏松散的拋石以及回填土投入后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年累月的固結(jié)土體密實(shí)，位移變化較大。沉管下部土體由于受到沉管重力、荷載等作用，變形從墊層往下依次減小，沉管底部沉降的最大位移為16.64 mm。

表2 巖土層及樁參數(shù)

(a) 橫斷面

(b) 縱斷面

2) 拋石擠淤方案

拋石擠淤縱斷面位移云圖如圖3(b)所示。由圖3(b)可知，沉管頂部的最大沉降為48.03 mm，沉管底部的最大沉降為25.90 mm。拋石擠淤體有人工硬殼層效應(yīng)，置換淤泥層后，塊石之間相互擠密咬合形成一個(gè)強(qiáng)度高、整體性穩(wěn)定的硬土層，增大了地基模量，提高了地基承載能力，同時(shí)拋石擠淤體能有效利用下臥層的承載力，加上其整體性好、強(qiáng)度高，能將荷載傳遞到更大范圍的下臥層中，使下臥層所受應(yīng)力均化，充分利用軟土的承載力，減小沉降。

(a) 橫斷面

(b) 縱斷面

3) 擠密砂樁分析

采用擠密砂樁進(jìn)行加固，淤泥層厚度為11.5 m，模型深度為80 m。擠密砂樁樁徑為1.6 m，砂樁間距為3.4 m×3.4 m，正方形布置，基底樁長(zhǎng)為20 m。擠密砂樁利用擠密作用置換掉部分的淤泥質(zhì)土，使得樁與樁間土一起作用共同承擔(dān)上部荷載。擠密砂樁的橫斷面位移云圖如圖4(a)所示。由圖4(a)可知，沉管隧道的最大沉降為42.13 mm，最小沉降為39.83 mm；另外，2節(jié)沉管連接的中部沉降也較大，為40.84 mm。

擠密砂樁的縱斷面位移云圖如圖4(b)所示。由圖4(b)可知，沉管頂部的最大沉降為52.10 mm，沉管底部沉降的最大位移為25.93 mm。擠密砂樁在水下的置換率可達(dá)到60%～70%，且砂樁在地基中還是一個(gè)很好的豎向排水通道，可促進(jìn)排水固結(jié)，減小工后沉降，但高置換率的擠密砂樁造價(jià)相對(duì)較高。因此，結(jié)合工程實(shí)際情況，合理選擇擠密砂樁[11]。

(a) 橫斷面

(b) 縱斷面

4) 水泥攪拌樁方案

采用深層水泥攪拌樁進(jìn)行加固，淤泥層厚度為23.6 m，模型深度為80 m。其中水泥攪拌樁樁徑為0.7 m，樁間距為2.9 m×3.4 m，矩形布置，基底樁長(zhǎng)為30 m。深層水泥攪拌樁屬于半柔性半剛性樁，可根據(jù)土層強(qiáng)弱，調(diào)整樁身甚至各段的水泥摻量，使樁土強(qiáng)度得到充分發(fā)揮。

水泥攪拌樁的橫斷面位移云圖如圖5(a)所示。由圖5(a)可知，沉管外側(cè)沉降最大為42.72 mm，其次為2節(jié)沉管連接處沉降，為40.24 mm，行車隧孔底部中心的沉降最小，為37.79 mm，沉管差異沉降為4.93 mm。

水泥攪拌樁的縱斷面位移云圖如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，沉管頂部的最大沉降為53.16 mm，沉管底部的最大沉降為29.72 mm。水泥攪拌樁通過(guò)水泥與土的一系列化學(xué)反應(yīng)，可提高地基土的承載力和穩(wěn)定性，能較好地控制工后沉降[17]。

千里黃土塬，坡滿“粉佳人”。在洛水之畔的陜西省白水縣，進(jìn)入上色采摘期的蘋果開(kāi)始抹上收獲的胭脂，而一場(chǎng)聚焦蘋果提質(zhì)增產(chǎn)、水肥一體化技術(shù)的論壇也在這個(gè)時(shí)節(jié)的蘋果最佳優(yōu)生區(qū)拉開(kāi)了帷幕。8月29日，諾貝豐中以水肥一體化技術(shù)高峰論壇在陜西省渭南市白水縣召開(kāi)。國(guó)內(nèi)外專家、經(jīng)銷商代表和當(dāng)?shù)毓r(nóng)等近千人出席活動(dòng)。

(a) 橫斷面

(b) 縱斷面

5) PHC樁方案

采用PHC樁進(jìn)行加固，淤泥層厚度為28.6 m，模型深度為90 m。PHC樁樁徑為0.6 m，樁間距為5.25 m ×5.25 m，正方形布置，基底樁長(zhǎng)為30 m。PHC管樁是采用先張法預(yù)應(yīng)力離心成型工藝，單樁承載力高，與樁周土體共同承擔(dān)上部荷載，可有效控制沉降[13]。

PHC樁的橫斷面位移云圖如圖6(a)所示。由圖6(a)可知，沉管隧道的沉降沿左右沉管連接中心呈對(duì)稱分布，沉管隧道外側(cè)最大沉降為29.19 mm，對(duì)于單個(gè)沉管，沉管底部中心分別到沉管外側(cè)和內(nèi)側(cè)的沉降變形都在增大，行車隧孔底部中心的沉降最小，為22.18 mm，沉管連接中心處的沉降為25.89 mm，沉管總體差異沉降為7.01 mm。

PHC樁的縱斷面位移云圖如圖6(b)所示。由圖6(b)可知，沉管頂部的最大沉降為44.73 mm，沉管底部的最大沉降為22.20 mm。PHC樁的整體抗壓、抗彎剛度都比較大，能夠有效提高地基土的承載力和穩(wěn)定性，從而較好地控制施工后的地基沉降。

(a) 橫斷面

(b) 縱斷面

6) 換填+砂樁沉降差異匹配度分析

縱橫斷面在模型長(zhǎng)度、模型材料(橫斷面沉管由實(shí)體單元構(gòu)建，縱斷面沉管由結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建)等方面存在差異，為了確?？v橫斷面之間的位移差值在允許的誤差范圍內(nèi)，選取不同工況組合進(jìn)行分析。

為了更進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，加強(qiáng)砂樁工況下的地基強(qiáng)度，改變砂樁樁徑為2.6 m×2.6 m，正方形布置，即采取加大樁密度的方法，以便盡可能減小模型中2種工況下的沉降位移差值；在2節(jié)管節(jié)之間使用剪力鍵連接，同時(shí)為了使沉管的沉降位移不受剪力鍵剛度的影響，在模型中將剪力鍵視為柔性材料、抗壓剛度以及抗彎拉剛度的取值較小。采用換填及砂樁組合而成的縱斷面模型的沉降位移云圖如圖7(a)所示。由于換填材料和砂樁的減沉效果不一樣，同時(shí)在剪力鍵處剛度較小，模型中間的土體位移變化發(fā)生了明顯的波動(dòng)，沉管最大沉降位移為27.43 mm，達(dá)到匹配要求，具體參數(shù)如表3所示。

由沉降位移量變化與選取沉管長(zhǎng)度的比值可以看出，加密后，過(guò)渡段沉降位移的變化率有所減小，沉降位移曲線更加平緩。由此可得出結(jié)論，通過(guò)調(diào)整地基置換率的方法，在沉管沉降位移開(kāi)始突變區(qū)域進(jìn)行樁密度改變，可有效控制沉管過(guò)渡段的沉降差異，以達(dá)到地基基礎(chǔ)整體剛度的連續(xù)性[12]。

7) 拋石+砂樁沉降差異匹配度分析

采用拋石擠淤及砂樁組合而成的縱斷面模型的沉降位移云圖如圖7(b)所示。砂樁樁徑為2.6 m×2.6 m，正方形布置，由于拋石材料和砂樁的減沉效果不一樣，模型中間的土體位移變化發(fā)生了明顯的波動(dòng)，沉管最大沉降位移為26.82 mm，滿足匹配要求,具體參數(shù)如表3所示。

(a) 換填砂樁

(b) 拋石砂樁

表3 換填+砂樁與拋石+砂樁沉降差異匹配對(duì)比

加密后，過(guò)渡段沉降位移的變化率有所減小，通過(guò)調(diào)整地基砂樁密度的方法，可有效控制沉管過(guò)渡段的沉降差異，最終實(shí)現(xiàn)沉管縱向剛度的平順過(guò)渡。

4 結(jié)論

結(jié)合南沙區(qū)水文地質(zhì)條件，提出了南沙地區(qū)適用性的沉管隧道鋪設(shè)方案，并利用Plaxis 2D軟件對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模擬，得出如下主要結(jié)論：

1) 針對(duì)南沙區(qū)不同淤泥層厚度，提出5種沉管基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)不同方案進(jìn)行數(shù)值有限元分析。淤泥層厚度小于2 m時(shí)，選擇換填法；淤泥層厚度為3 m～4 m時(shí)，采用拋石擠淤；淤泥層厚度為4 m～20 m時(shí)，采用擠密砂樁；淤泥層厚度為15 m～30 m時(shí)，采用水泥攪拌樁；淤泥層厚度為25 m以上時(shí)，采用PHC樁。

2) 不同設(shè)計(jì)方案下橫斷面沉降變形規(guī)律一致：地基及回填土體的沉降云圖，大致沿左右沉管連接處中心呈軸對(duì)稱分布；沉管底部的最大沉降位于沉管外側(cè)，中心處次之，左右箱室中心處的沉降最小。換填和拋石擠淤下沉管隧道的底板沉降均在30 mm以下，擠密砂樁和水泥攪拌樁下其底板沉降達(dá)到40 mm以上，PHC樁下沉降數(shù)值也為30 mm以下。根據(jù)總沉降在10 cm以內(nèi)的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算所得5種方案的沉降值均滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 縱斷面沉降分析模型結(jié)果表明，沉管隧道周圍土體的變形與沉降規(guī)律較為相近，各工況下的沉管位移沉降均小于50 mm，且不同工況下的沉降位移差值較小。2種不同地基相鄰工況下的地基沉降規(guī)律與均質(zhì)地基情況下較為相似，但剛度較大地基沉降有增大趨勢(shì)，而剛度較小地基有減小趨勢(shì)，差異沉降較均質(zhì)地基結(jié)果較小，總體沉降數(shù)值介于2類均質(zhì)地基的沉降數(shù)值之間。

本文分析結(jié)論可作為淤泥質(zhì)地層中沉管隧道基礎(chǔ)選型及設(shè)計(jì)參考，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合地勘報(bào)告進(jìn)行詳細(xì)方案設(shè)計(jì)。