港珠澳大橋海底沉管隧道基礎(chǔ)墊層選型與總體設(shè)計(jì)

張志剛，付佰勇，劉曉東，劉亞平，劉洪洲

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門(mén)特別行政區(qū)的大型跨海通道，是國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲地區(qū)環(huán)線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關(guān)鍵性工程。港珠澳大橋主體工程是由海中橋梁、海底隧道及人工島組成的集群公路交通工程。

隧道采用沉管方案，隧道全長(zhǎng)6.704 km，沉管段總長(zhǎng)5 664 m，共33節(jié)，其中曲線段管節(jié)5節(jié)，半徑5 500 m，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180 m，采用分節(jié)段預(yù)制的半剛性縱向結(jié)構(gòu)體系，由8節(jié)長(zhǎng)22.5 m、寬37.95 m、高11.4 m的節(jié)段組成，重約7.8萬(wàn)t，基槽底標(biāo)高最深處約-47.2 m，最大沉放水深45 m。

該海底隧道為目前世界上唯一的深埋沉管，隧道頂板至原始海床的回淤厚度達(dá)23 m的縱向長(zhǎng)度約3 km，隧道兩端均位于海中離岸人工島上，縱向穿越5種地層，建成后是世界上最長(zhǎng)的公路沉管隧道，也是我國(guó)首條于外海修建的海底沉管隧道[1-2]。

由于水下沉管基槽施工控制的難度大、水流條件復(fù)雜，槽底處理后表層的施工精度難以達(dá)到隧道結(jié)構(gòu)的剛度支撐要求，因而沉管隧道無(wú)論是采用天然地基還是經(jīng)過(guò)特殊措施改良后的人工地基均需要在地基與隧道管節(jié)之間充填墊層材料[3]。墊層的主要功能是充填管節(jié)底部與基槽底之間的空隙，保證上部荷載均勻傳遞到下部地基，避免由于地基受力不均導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部破壞或者產(chǎn)生較大的不均勻沉降。基礎(chǔ)墊層的工程規(guī)模不大，多數(shù)設(shè)計(jì)為1 m左右的厚度，但在沉管隧道工程中起的作用卻是至關(guān)重要的，墊層選擇或設(shè)計(jì)的合適與否，直接關(guān)系到沉管隧道工程的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全。港珠澳海底沉管隧道管節(jié)數(shù)量多、工程區(qū)域航運(yùn)繁忙、水流條件復(fù)雜、下覆地層種類(lèi)多，再加上項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)控制要求高、工期緊張，基礎(chǔ)墊層的選擇是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

近年來(lái)，我國(guó)沉管隧道建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，江西紅谷最長(zhǎng)內(nèi)河沉管隧道已經(jīng)合龍，深圳至中山過(guò)江通道工程與大連灣海底隧道工程已相繼啟動(dòng)。本文以在建港珠澳沉管隧道工程為研究對(duì)象，從基礎(chǔ)墊層選型思路、總體方案設(shè)計(jì)、支撐試驗(yàn)的研究成果、工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況等幾個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，以便為類(lèi)似工程提供借鑒。

2 基礎(chǔ)墊層選型

從沉管隧道墊層設(shè)計(jì)的發(fā)展及實(shí)例調(diào)查來(lái)看，按處理方法大致可分為先鋪法和后鋪法兩大類(lèi)，先鋪法指先鋪碎石墊層，后鋪法包括噴砂、砂流與壓漿3種方法[4]。

從國(guó)際上的應(yīng)用情況來(lái)看，每種方法均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，具體采用哪種方法，需要根據(jù)工程條件、承包商施工經(jīng)驗(yàn)、風(fēng)險(xiǎn)控制、工期及經(jīng)濟(jì)性等因素，結(jié)合相應(yīng)的地基處理方案或天然地基現(xiàn)狀綜合確定。表1中所列為港珠澳海底沉管隧道基礎(chǔ)墊層比選情況。

表1 沉管隧道墊層對(duì)比Table1 Comparison of immersed tunnel bedding

2.1 先鋪碎石墊層

先鋪碎石墊層是采用一個(gè)固定在指定位置上的簡(jiǎn)單開(kāi)口鋼箱來(lái)實(shí)現(xiàn)，一邊沿隧道軸線方向移動(dòng)鋼箱，一邊向箱內(nèi)補(bǔ)充碎石，形成隧道基礎(chǔ)墊層，是最早使用的沉管基礎(chǔ)方式。早期美國(guó)修建的沉管隧道，不論規(guī)模大小均采用這種方式。這種方法對(duì)于基礎(chǔ)寬度較大的隧道，需要將鋼箱的規(guī)模與牽引力設(shè)計(jì)的很大，經(jīng)濟(jì)性差。在20世紀(jì)末的厄勒海峽隧道建設(shè)期間，承包商首次將全覆蓋滿鋪碎石墊層更改為壟溝相間的碎石基礎(chǔ)墊層形式，取得了良好的工程效果。

2.2 噴砂墊層

噴砂法是用砂泵把砂水混合填料通過(guò)管節(jié)外部管道噴入沉管管段底部和基槽之間的空隙中。噴砂前，管節(jié)放在臨時(shí)支座上，噴砂結(jié)束后可卸開(kāi)支座上的千斤頂，管節(jié)重量從而全部作用到砂墊層基礎(chǔ)。噴砂基礎(chǔ)可用于寬度較大的沉管隧道，在早期歐洲修建的多座沉管隧道中應(yīng)用，如德國(guó)的Elbe隧道、比利時(shí)的Scheldt E3隧道、荷蘭的Spij-kenisse隧道。

2.3 壓砂墊層

壓砂基礎(chǔ)也稱(chēng)為砂流基礎(chǔ)或灌砂基礎(chǔ)，是在噴砂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新方法，依靠水流作用將砂通過(guò)預(yù)埋在管段底板（豎向或橫向）上的注料孔注入管段與基底間的空隙，其既可在管節(jié)外部施工，也可在管節(jié)內(nèi)充填。壓砂法不需專(zhuān)門(mén)的噴砂臺(tái)架，對(duì)砂粒徑的要求也較低，因此從20世紀(jì)70年代后期，壓砂基礎(chǔ)逐漸在世界各地的沉管隧道中采用，如荷蘭Vlake隧道、澳大利亞悉尼跨港隧道，我國(guó)廣州珠江沉管隧道、上海外環(huán)越江隧道及臺(tái)灣高雄跨港隧道等。

2.4 壓漿墊層

壓漿基礎(chǔ)是在管段沉放到位后，即沿管段邊墻及后封端墻邊拋堆高1 m的砂石混合料，封閉管底空間。接著從管段里面通過(guò)預(yù)埋在管段底板上的壓漿孔向管底空隙壓注混合砂漿，充填管段底部與碎石墊層間的空隙。此法在日本廣泛應(yīng)用，如Tokyo港隧道的中間區(qū)段、Dainikoro隧道、Kawasaki隧道，可避免“強(qiáng)震區(qū)”中常規(guī)砂基礎(chǔ)的液化問(wèn)題。

經(jīng)綜合比選，港珠澳海底沉管隧道推薦采用先鋪碎石墊層方式。

3 基礎(chǔ)墊層設(shè)計(jì)

港珠澳海底沉管隧道采用壟溝相間的碎石墊層設(shè)計(jì)理念，呈S形布設(shè)，如圖1所示。碎石壟用于支撐管節(jié)及外部荷載作用，碎石溝提供臨空面，用于消除硬點(diǎn)、少量納淤，并可作為管節(jié)安裝觸底時(shí)重要的水力通道。

圖1 沉管隧道基礎(chǔ)碎石墊層構(gòu)造Fig.1 Structureof gravel bedding for immersed tunnel

橫向上，根據(jù)管節(jié)寬度尺寸37.95 m，結(jié)合碎石整平形狀及墊層擴(kuò)散角作用范圍，碎石墊層寬度設(shè)計(jì)為41.95 m。縱向上，首先按照設(shè)備下料管直徑，確定出碎石墊層壟頂面理論寬度為1.80 m，然后根據(jù)隧道管節(jié)長(zhǎng)度劃分以及整平船機(jī)設(shè)備施工安全控制需要，按壟寬1.80 m與溝寬0.8～1.2 m的多種壟溝組合方式進(jìn)行比選，以碎石壟與管節(jié)結(jié)構(gòu)接觸面積所能達(dá)到的承載能力與結(jié)構(gòu)沉降控制為標(biāo)準(zhǔn)，確定標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)采用碎石壟寬1.80 m+碎石溝寬1.05 m的組合。豎向上，根據(jù)工程區(qū)水域內(nèi)基槽底的施工偏差控制及槽底地基剛度情況，結(jié)合沉降控制需要確定碎石墊層厚度為1.30 m，設(shè)計(jì)理論坡度為1∶1.5，接近水下碎石的休止角。本項(xiàng)目因地制宜地確定了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，與國(guó)際上3座典型沉管隧道的類(lèi)似墊層參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 典型參數(shù)對(duì)比表Table2 Comparison of typical parameters

先鋪碎石墊層在設(shè)計(jì)時(shí)除了制定常規(guī)的幾何參數(shù)外，還需要根據(jù)管節(jié)在加載工況下的可能沉降，考慮一定的預(yù)抬量數(shù)值，結(jié)合管節(jié)施工期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)再進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，用以調(diào)節(jié)施工期相鄰管節(jié)之間的差異沉降，同時(shí)為運(yùn)營(yíng)期管節(jié)內(nèi)部空間所需的限界高度提供保障。

4 試驗(yàn)及驗(yàn)證

港珠澳沉管隧道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用了先鋪碎石墊層，該基礎(chǔ)方案的工程案例較少，在我國(guó)尚屬首次采用，碎石墊層傳力的機(jī)理、理論分析資料，設(shè)計(jì)規(guī)范及依據(jù)資料缺乏，同時(shí)沉管隧道碎石墊層在水中作業(yè)時(shí)存在平整度、夾淤泥等諸多不確定性需要分析，為此設(shè)計(jì)之初開(kāi)展了典型的物理模型試驗(yàn)，如圖2所示為碎石墊層物理模型試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)包括了天然地基段剛性場(chǎng)地?zé)o側(cè)限陸上試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)情況下大試驗(yàn)槽有側(cè)限水中試驗(yàn)、不同壟溝構(gòu)造小試驗(yàn)槽完全側(cè)限水中試驗(yàn)，以及不同碎石級(jí)配、落管預(yù)壓、回淤情況下小試驗(yàn)槽完全側(cè)限水中試驗(yàn)共計(jì)4類(lèi)23組試驗(yàn)。

通過(guò)試驗(yàn)確定了沉管隧道基礎(chǔ)碎石墊層的合理碎石級(jí)配及組成（最大粒徑63 mm），以及碎石墊層的合理厚度，并獲得基礎(chǔ)碎石墊層沉降量、?等效壓縮模量等設(shè)計(jì)參數(shù)與指標(biāo)。

圖2 碎石墊層物理模型試驗(yàn)Fig.2 Physical model testing of gravel bedding

港珠澳沉管隧道基礎(chǔ)墊層施工歷時(shí)約4 a，完成了全部33個(gè)管節(jié)，從墊層鋪設(shè)的工后檢驗(yàn)及管節(jié)安裝后總體沉降情況來(lái)看，先鋪碎石墊層達(dá)到了預(yù)期效果。圖3所示為單個(gè)深水整平船位碎石墊層的典型檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)水下聲吶測(cè)試碎石層頂面的標(biāo)高95%以上介于設(shè)計(jì)允許上下限區(qū)間之內(nèi)[5-6]，保證率大于設(shè)計(jì)要求的85%。通過(guò)對(duì)多管節(jié)的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，碎石整平墊層的分布符合正態(tài)分布規(guī)律，均值位于設(shè)計(jì)標(biāo)高±2 cm附近。

圖3 單船位碎石墊層檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Testing result of gravel bedding for a ship position

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)港珠澳海底沉管隧道基礎(chǔ)墊層方案選型及總體設(shè)計(jì)的分析，以及在工程實(shí)施過(guò)程中的再思考，得出以下結(jié)論與體會(huì)：

1）基于工程條件分析，經(jīng)過(guò)對(duì)各種沉管墊層方案進(jìn)行綜合比選，提出港珠澳超長(zhǎng)海底沉管隧道選用先鋪碎石墊層的方案，并結(jié)合管節(jié)結(jié)構(gòu)、模型試驗(yàn)與工程類(lèi)比進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)。工程實(shí)踐證明，先鋪碎石墊層方案是合適的，先鋪法不用預(yù)設(shè)臨時(shí)支撐，管節(jié)安裝完成并確認(rèn)平縱線形指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求后即可進(jìn)入回填防護(hù)工序，避免了管節(jié)就位后在設(shè)定小負(fù)浮力條件下的壓砂與壓漿過(guò)程，降低了外海深水深槽的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2）港珠澳海底沉管隧道地層復(fù)雜，為降低差異沉降，達(dá)到沉降控制的總體協(xié)調(diào)，縱向地基采用了擠密砂樁等不同的處理方式。先鋪碎石墊層是介于地基與結(jié)構(gòu)之間的褥墊層，起到了承上啟下的重要作用。在每個(gè)沉管隧道中，基礎(chǔ)墊層的工程規(guī)模所占比重不大，但也應(yīng)下大力氣去研究比選，因地制宜，不可盲目效仿，在自然回淤較大的水域，應(yīng)慎重選用先鋪墊層方式。

3）先鋪碎石墊層的施工質(zhì)量控制參數(shù)制定應(yīng)科學(xué)合理，不宜只強(qiáng)調(diào)某一項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值高低，而降低方案整體的設(shè)計(jì)效果。港珠澳沉管隧道在墊層正式實(shí)施之前，開(kāi)展了典型施工試驗(yàn)，結(jié)合施工裝備能力與檢測(cè)驗(yàn)收手段，通過(guò)參數(shù)敏感性分析，提出了一套適用于項(xiàng)目的施工質(zhì)量驗(yàn)收管理辦法。

4）壟溝相間碎石墊層在港珠澳海底沉管隧道中首次采用并取得了良好效果，豐富了我國(guó)沉管隧道墊層的可選方案，可作為類(lèi)似長(zhǎng)大沉管隧道的重要參考。

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