沉管隧道地基砂流法處理的充滿度試驗及分析*

蔣欽權(quán) 谷任國 鄧 磊 房營光

(1.廣州公路工程集團有限公司， 廣州 510635； 2.華南理工大學土木與交通學院， 廣州 510640)

沉管隧道是一種跨越江、河、海峽的水底交通隧道，具有結(jié)構(gòu)斷面使用率高，建設安全性高，結(jié)構(gòu)防水性能好等優(yōu)勢[1-6]，因此得到了廣泛的應用和發(fā)展。但同時其造價也極其昂貴，每公里造價高達數(shù)億人民幣，目前新建成的中國港珠澳大橋海底沉管隧道，全長5.6 km造價更高達211億人民幣。因此，對沉管隧道的施工及設計參數(shù)的微小優(yōu)化或改進都將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。

沉管隧道建設中，地基處理是其中最重要的部分，其對于保證隧道建設質(zhì)量及安全運營具有關(guān)鍵作用[6]。

砂流法是目前沉管隧道地基處理中較為常用的方法之一，具有施工效率高、設備要求低等優(yōu)點[7-10]。砂流法中砂盤的最終擴展尺寸及基槽間隙填充情況是決定砂流法地基處理質(zhì)量的關(guān)鍵指標，若砂盤擴展半徑未能達到設計要求，則均衡性較差；若基槽間隙存在空洞，充滿度較低，擴展質(zhì)量較差則會導致使用期間基礎(chǔ)應力集中和沉管段不均勻沉降[11]，影響沉管隧道的運營安全，嚴重時將造成巨大的經(jīng)濟損失[12]。因此，有必要深入探索不同施工及設計參數(shù)對砂盤的最終擴展尺寸及基槽間隙填充情況的影響，進一步優(yōu)化設計及施工參數(shù)。

荷蘭Vlake隧道建設時首次采用了砂流法，并采用了大型砂流法模型試驗，驗證了砂流法工藝的可行性，并對砂流法設計及施工參數(shù)進行了初步探索[13]。廣州珠江隧道建設時，通過大比尺模型試驗，研究了砂盤的密實度和充滿度情況[14]。廣州生物島-大學城沉管隧道建造前，建立了縮尺模型，研究了不同水砂比條件下的噴砂壓力及砂盤的各項參數(shù)[15]。

有學者設計了沉管隧道砂流法地基處理足尺試驗模型，通過自行研制的砂盤檢測器獲得了砂盤擴展高度和半徑的實時數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)砂盤平均擴展半徑的擴展趨勢符合二次時程曲線[16]，并測得模型板底處的水壓力-時程典型曲線、砂盤發(fā)展半徑-時程典型曲線以及試驗后砂盤效果圖[17]。同時采用不同模型板底面材質(zhì)探討其對砂盤擴展影響特性，獲得砂盤擴展半徑、壓砂系統(tǒng)水壓力、模型板底水壓力隨時間變化的關(guān)系曲線[18]。

文獻[19]通過對沉管隧道地基砂流法處理的砂盤擴展規(guī)律試驗和分析，發(fā)現(xiàn)改變邊界條件或部分封堵邊界對砂盤的最終尺寸和密實度的影響不大，因而可以不計實際施工中由于不同施工順序造成的“人為邊界封堵”現(xiàn)象對最終砂盤施工質(zhì)量的影響。

前述研究或探索了砂流法的擴展規(guī)律，或驗證了施工方案的可行性，為現(xiàn)場施工提供了有益的指導，但對于砂盤最終擴展均衡性及基槽間隙填充質(zhì)量的影響因素缺乏研究。砂流法地基處理中，由于砂盤堆積及水壓力作用，不可避免的將產(chǎn)生管段上抬現(xiàn)象，而目前工程實踐中以管段上抬作為砂流法施工終止的控制標準，其合理性及對砂盤最終擴展均衡性及質(zhì)量的影響尚無細致研究；為防止混凝土沉管隧道滲漏，常需對底板進行防水處理，底板粗糙度將可能發(fā)生改變，而目前對于底板粗糙度的對砂盤最終尺寸及充滿度的影響尚無細致研究；由于沉管隧道管節(jié)較大，管節(jié)底部一般設計為多排砂盤，先施工砂盤即成為后施工砂盤的封堵邊界，大部分砂盤都會受到邊界封堵的影響，而目前對于邊界封堵對砂盤擴展的影響仍缺少研究。

因此，將通過砂流法足尺模型試驗，得到各參數(shù)下砂盤的半徑、頂面和體積的充滿度；并結(jié)合前人對砂盤擴展規(guī)律的研究，分析研究管段上抬、管節(jié)板底粗糙度及封堵邊界分別對砂盤最終擴展均衡性及基槽間隙填充質(zhì)量的影響，為工程實踐提供參考。

1 砂流法試驗模型及探測方法

模型板采用如圖1所示的現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，以廣州市洲頭咀沉管隧道變截面段為原型，足尺模擬單個噴砂孔等效范圍內(nèi)的沉管隧道變截面底板，其尺寸為15.2 m(長)×8.2 m(寬)×0.1 m(厚)。利用混凝土柱將模型板架設于試驗水池中，水池尺寸為17.2 m(長)×10.5 m(寬)×2.5 m(高)。模型板與水池側(cè)壁間距約為0.8 ～1.3 m，與地面之間的空隙約為0.8～1.0 m，分別模擬沉管隧道側(cè)壁與基槽邊坡的間距及隧道底的基槽間隙，蓄水至板面以上時可模擬水下基槽及水下環(huán)境。

a—試驗模型； b—模型試驗現(xiàn)場。圖1 試驗布置 mFig.1 Arrangements of the test

試驗模型系統(tǒng)具有砂水輸入、比例控制、混合、輸出、系統(tǒng)控制等功能，其性能參數(shù)與施工現(xiàn)場設備完全一致，可模擬沉管隧道砂流法地基處理過程。

模型板X、N、L、Y、M 軸線上各點處布置了砂盤探測器(圖1b)，用于探測砂盤實時擴展數(shù)據(jù)，具體測量方式見文獻[20]。

試驗中通過改變模型板固定情況、模型板底摩擦因數(shù)和設置封堵邊界情況來模擬不同施工條件。模型板上抬模擬噴砂過程中沉管管段上抬現(xiàn)象。粗糙的板底為未處理的現(xiàn)澆混凝土面，摩擦因數(shù)為0.24，對應于沉管隧道混凝土底板；光滑的板底為打磨后涂刷防水層底板，摩擦因數(shù)為0.16，對應于沉管管段底面涂刷防水層工況[21]。圖1a所示的邊界封堵用于模擬實際施工中管節(jié)底部的設計砂盤為多排時，先噴砂形成的砂盤對后噴砂的砂盤形成邊界封堵現(xiàn)象如圖2所示，目前工程中現(xiàn)行的噴砂順序為逐列進行，先中間后兩邊。

圖2 沉管管段砂盤設計示意 cmFig.2 The schematic diagram for sand-deposit design of the immersed tube section

2 充滿度計算式

試驗完成后，排干池水，采用皮尺等，測量砂盤在各方向的擴展情況及最終擴展高度，據(jù)此計算砂盤頂面充滿度、體積充滿度及半徑充滿度。

考慮到?jīng)_擊坑及流縫、流槽在砂流法施工結(jié)束后將被細石混凝土填充，故在文獻[5]對充滿度計算的基礎(chǔ)上，定義砂盤頂面充滿度為忽略砂盤內(nèi)部特征間隙(如沖擊坑、流縫、流槽等)影響的模型板范圍內(nèi)砂盤頂面外輪廓線圍成面積與模型板底面積之比值，表達式為：

(1)

式中：fA為砂盤頂面充滿度；Asd為砂盤有效頂面積；Amb為模型板底面積。

定義砂盤體積充滿度為忽略砂盤盤內(nèi)部特征間隙(如沖擊坑、流縫、流槽等)影響的模型板范圍內(nèi)砂盤體積與模型板下部空間體積之比值，表達式為：

(2)

式中：fV為砂盤體積充滿度；Vsd為砂盤有效體積；Vmb為模型板下部空間體積。

此外，考慮到最終砂盤的不規(guī)則形狀，有必要給出能描述其形狀的參數(shù)。基于此，定義砂盤的“半徑充滿度”為不同方向的模型板邊距噴口的距離(理論半徑值)與對應方向?qū)嶋H砂盤半徑值的比值，表達式為：

(3)

式中：fR為砂盤半徑充滿度；Rsd為砂盤有效半徑；Rmb為模型板底面理論半徑值。

3 試驗結(jié)果及分析

采用足尺試驗模型共進行了5次砂流法地基處理試驗，試驗參數(shù)設計詳見表1。下文中符號“SFMT-X”表示第X次砂流法試驗。

表1 試驗參數(shù)Table 1 Test parameters

根據(jù)測量砂盤最終擴展情況，繪制了砂盤最終擴展圖，俯視圖輪廓線為砂盤頂面外輪廓線見圖3。

a—SFMT-1砂盤； b—SFMT-2砂盤； c—SFMT-3砂盤； d—SFMT-4砂盤； e—SFMT-5砂盤。圖3 砂盤最終擴展情況 mFig.3 The final expansion of sand-deposit

各方向設計標準半徑見表2，模型板面積為125.9 m2。根據(jù)式(1)計算得到各次試驗的砂盤頂面充滿度，結(jié)果見圖4；根據(jù)式(2)計算得到各次試驗的砂盤體積充滿度，結(jié)果見圖5；根據(jù)式(3)計算得到各次試驗的各方向砂盤半徑充滿度，結(jié)果見圖6。由圖6可見：

圖4 試驗砂盤頂面充滿度Fig.4 The filling degrees for top surfaces of the test sand-deposit

圖5 試驗模型板底體積充滿度Fig.5 The volume filling degrees for the bottom plates of test model

圖6 砂盤各方向砂盤半徑充滿度對比Fig.6 Contrasts of filling degrees for radii of sand-deposit from different directions

表2 砂盤各方向設計標準半徑Table 2 The design standard radii of sand-deposit in each direction m

1)從SFMT-1和SFMT-2的試驗結(jié)果可以看出：管節(jié)模型上抬對砂盤半徑的擴展極為不利，SFMT-1大多數(shù)方向半徑充滿度較低，小于模型板固定的SFMT-2試驗約4%～20%，砂盤擴展均衡性差，且頂面充滿度及體積充滿度均小于SFMT-2試驗的10%和6%，基槽間隙填充質(zhì)量較差。

分析認為：試驗開始后，砂盤在模型板底不斷擴展，與管節(jié)模型之間圍合成半封閉空間，且其密閉性隨砂盤擴展而提高，從而使板底水壓上升，當砂盤中心處填滿板底間隙后，砂盤與水壓力共同承擔模型板重力。模型板逐步壓在砂盤表面，使得砂盤頂面的流縫范圍逐漸縮小，流縫、流槽厚度逐漸變薄，初期砂水流外輸過程尚且順暢，砂盤不斷擴展，少部分砂顆粒因流槽厚度變薄，流動阻力增大等原因而被“壓積”于模型板底，使得管段不斷上抬。后期砂盤各處的流槽和流縫變得薄且窄，使得砂水流外輸不通暢，通過流縫、流槽輸送的砂顆粒被壓積于砂盤頂面，砂盤難以繼續(xù)向外緣擴展，從而導致砂盤擴展半徑難以到達設計要求，砂盤充滿度較低。

2)對比SFMT-2與SFMT-3的試驗結(jié)果可以看出：粗糙的模型板試驗中，砂盤半徑未充滿方向較多，占40%，擴展均衡性較光滑板底差，后者未充滿方向占12.5%；砂盤頂面充滿度及體積充滿也低于光滑的模型板，砂盤擴展質(zhì)量也較光滑模型板底差。表明光滑的模型底板有利于提高砂盤擴展均衡性及質(zhì)量。

分析認為：粗糙的模型板其凹凸起伏面及蜂窩麻面在流槽中起到了徑向渦發(fā)生器[22]的作用,成為天然的擾流元件，對砂水流輸送具有一定的阻礙作用。光滑的模型板底使得形成徑向渦的概率較小，減小了對砂水流的阻礙作用，提高了砂盤擴展速度，從而使得砂盤的半徑充滿度、頂面充滿度及體積充滿度高于在粗糙的模型板底下形成的砂盤。

3)對比SFMT-2與SFMT-4和SFMT-5的試驗結(jié)果可以看出：單側(cè)封堵邊界條件下砂盤半徑充滿度最好，砂盤頂面充滿度積及體積充滿度最高，擴展均衡性及質(zhì)量最好，雙側(cè)封堵條件下次之。表明適當?shù)倪吔绶舛驴商岣呱氨P擴展均衡性及基槽間隙填充質(zhì)量，對砂盤擴展無不利影響。

分析認為：當砂盤擴展接近封堵邊界時，其離砂盤中心較遠的砂盤頂部區(qū)域已形成流槽，砂水流通過流槽外輸，并在封堵側(cè)的流槽口迅速沉積，砂盤在該方向的尺寸繼續(xù)擴展。當封堵側(cè)的砂盤堆積充滿后，流槽受封堵邊界的影響而自動轉(zhuǎn)向，形成眾多蜿蜒的流槽，其總體走向順著封堵邊界流向封堵邊界出口方向。砂水流向未封堵側(cè)流動，加快了砂盤在其他方向的擴展，從而使得各方向砂盤半徑充滿度、砂盤頂面充滿度及體積充滿度明顯提高。但隨著封堵邊界增多，邊界對基槽底的流場擾動增大，使得各軸向的砂盤擴展速度不一致，從而造成部分方向擴展速度減慢，砂盤半徑充滿度減小，砂盤頂面充滿度和體積充滿度略微減小。

4 結(jié)束語

通過沉管隧道砂流法地基的充滿度足尺模型試驗研究及分析，得到如下主要結(jié)論：

1)管節(jié)模型上抬對砂盤半徑的擴展極為不利，其大多數(shù)方向半徑充滿度較低，砂盤擴展均衡性差，且頂面充滿度及體積充滿度均有所降低，基槽間隙填充質(zhì)量較差。與模型板固定工況對比，上述參量降低范圍約為4%～20%。因此，在工程實踐中僅以管節(jié)開始上抬作為砂流法施工終止的控制標準值得斟酌。

2)管節(jié)底面粗糙度對砂盤的充滿度有影響，對沉管底板進行光滑處理可有效提高砂盤半徑充滿度，未充滿的方向從40.0%降低到12.5%，有利于提高砂盤擴展均衡性及基槽間隙填充質(zhì)量。

3)適當?shù)倪吔绶舛驴商岣呱氨P擴展均衡性及基槽間隙填充質(zhì)量，單側(cè)邊界封堵效果相對較好。