沉管隧道基礎形式改變導致地基剛度差異問題的對策研究

■徐 偉 廖子謙 孫 旻

（1.同濟大學建筑工程系，上海 200092）

1 引言

隨著當今社會的工程技術水平不斷提升，人們希望建設通道以連接被海峽所割裂的陸地。而海底隧道的連接方案憑借其獨有的優勢在世界各地被廣泛應用，在日本青涵海峽隧道、英吉利海峽隧道成功修建并良好運營的經驗下，海底隧道建設的相關研究正在如火如荼地展開。

迄今為止，已修建的海底隧道相當一部分是采用沉埋管段法.這種方法被認為是橫穿水域或作為船艦航道的港灣,或者在水底的地質條件不適應于開挖隧道時的一種好方法,最受工程設計人員注意的是沉管隧道能夠成功地提高抗地震破壞能力。盾構開挖法也是一種較為普遍的方法，而在深水區盾構開挖法則更加有利，英吉利海峽隧道則是采用盾構開挖法。而鉆爆法（礦山法）一般在圍巖情況較好時被采用。

沉管隧道基礎位于隧道結構下方，其主要功能是承受來自隧道結構自身、回填、管頂防護層以及回淤、行車等荷載；為隧道結構提供均勻可靠的剛度支撐；并控制基礎總沉降與不均勻沉降。符合工程要求的沉管隧道基礎滿足隧道沉管段、暗埋段及人工島間的協調變形，使隧道結構在設計荷載作用下因地基變形引起的結構內力以及變形在結構設計可承受范圍之內，滿足設計要求。

2 工程實踐

在工程實踐中，常見的沉管隧道基礎包括以下分類：

(1)換填式復合基床是由碎石層、塊石層和下層土體共同構成的。在實際工程中采用換填式復合基床的工程經驗表明，采用該工法時，在荷載作用下，基床土體的沉降明顯減小。該工法具有施工簡單、工藝成熟、工程造價相對較低、施工質量可控性強等特點。

具體的施工工藝包括如下步驟：

①粗挖。粗挖是指開挖自然泥面至離設計底標高約2 m間的泥層,選用大型耙吸船承擔粗挖施工,所選用的耙吸船應具有動力定位及動力跟蹤的功能。

②精挖。精挖是指粗挖完成后至設計底標高間的泥層,選用具有定深和平挖功能的大型抓斗挖泥船,可減少底部擾動和浮泥產生。

③清淤。清淤是指清除粗挖結束后至精挖前基槽淤積的泥沙,以及精挖后基槽底和基床面回淤的浮泥層。選用專用清淤船進行清淤。

④基礎鋪設及處理。基礎處理以消滅不規則空隙為目的,可分為先鋪法(在管段沉設之前,先鋪好砂、石墊層)和后填法 (先將管段沉設在預置在溝槽底上的臨時支座上,隨后再補填墊實)。一般情況下，鋪設的底層為塊石，頂層為碎石。

先鋪法最常被采用，如韓國釜山-巨濟島連接線沉管隧道基礎。隧道基礎的處理方法可采用專用的碎石刮鋪設備進行施工。該設備固定于打入海底的管樁之上,憑借船上行臺車和填料刮鋪筒移動進行碎石刮鋪施工，并可根據GPS系統進行定位。刮鋪筒的填料口可以根據船體標高靈活調整,其深度也可根據不同需要靈活調整。

(2)擠密砂樁法對于加固軟黏土具有良好的工程效果。擠密砂樁法是在軟基上用振動錘把套管沉入到要求的深度，填入中、粗砂并向下擠壓使砂樁擴徑，使其周圍地基發生側向擠壓而使地基密實的一種加固方法，該方法在沿海軟土地基工程中得到較為廣泛的使用，并應用于護岸工程的地基加固等[1]。

擠密砂樁具體的工藝流程如下：

①確定樁位階段：在GPS系統 指導下進行船舶的駐位以及對擠密砂樁進行定位。

②制樁準備階段：在系統指令下，套管沉入海底天然地基土體下利用振動錘的作用接近設計標高，砂傳輸系統同時向套管內提供定量砂料，套管內利用空氣壓縮系統預先設定好一定的氣壓。向套管內加砂和加壓需要一定時間，因此會有部分泥、水、砂等混合物進入套管。等到套管繼續上拔，內部的混合物在氣壓和砂料自重作用下排出。

③制樁階段：在數據演算系統的指令下，操作人員進行套管上拔，形成地基內的孔洞。在氣壓作用下，砂料從套管內落入孔洞后形成松散砂樁。隨后將管內落入的砂達到的高 度與上拔的高度進行對比，控制人員得到系統的指令后停止上拔，然后將套管回壓至一定深度。內部松散砂樁經過搗實后擴徑形成擠密砂樁，在數據演算系統的指令下，操作人員分段制作砂樁，不斷重復直至完成整根擠密砂樁。輸砂系統在制樁過程中按砂存量向套管內添加砂料。

(3)樁基礎在西歐國家應用較普遍,用于地基土特別軟弱，在隧道軸線方向上基底土層硬度變化大，會使管段產生不均勻沉降的場合，或列車通過時的振動會使砂性基礎液化的場合，此時基礎僅作墊平處理不足以解決問題。樁基礎通常分為端承樁和摩擦樁兩種類型[2]。樁基礎剛度較大，沉降控制效果非常好，一般沉降可以控制在1cm以內。

具體施工做法如下：

①航運管理。為保證沉樁施工期間不影響航道的正常通航，對主航道的南北兩側分別進行拓寬，作為施工期間船舶通行的輔助航道（即在江南沉樁時，江北輔助航道通航；而江北沉樁時，江南輔助航道通航）。

②沉樁設備。首先，將打樁船的固定樁架改裝成可轉動的平放架，為確保樁船能從沿路上的大橋下順利通過，將較高的樁架降低；其次，為確保樁身的垂直度和防止下樁時因樁身的自由長度過長而發生樁位移，將樁架下端部位水下龍口接長，并裝1塊可滑動的小背板，以使樁身在水下的自由長度部分得到固定。

送樁器由鋼管樁改裝而成，鋼管樁周圍用肋板加強。

③沉樁定位。施工時，采用多臺經緯儀進行交匯定位，用全站儀坐標法進行校核。樁身垂直度偏差需滿足設計要求。因此，在定位前采取由排架軸線上的全站儀指揮樁船的左右壓艙水進行平衡，以防止樁架因左右偏差而造成樁軸線的偏離；隨后，用全站儀測出樁的角坐標，并進行校核，當達到設計要求后即下樁。在穩樁過程中，用經緯儀觀察樁身的位置，一旦樁身出現偏差，立即通知施工人員進行調整。

④沉樁。沉樁前需先開挖基槽，由于采用抓斗船挖泥，基槽底部會凹凸不平（特別是靠近岸的兩側），因此，在樁基定位過程中，可能造成樁尖的滑移，其滑移量可使施工精度受到嚴重影響。因此，為避免樁尖發生滑移，在送樁前采用1節長鋼管樁先進行沖孔，并嚴格控制樁的沖孔定位，以免在下樁時其樁尖隨孔壁下滑而難以調整樁基的定位。沉樁時，先將樁頂施打到水面以上幾米左右，再用送樁器將樁送到設計樁頂標高，然后采用重錘輕擊的方式沉樁，以減少沉樁過程中對基槽邊坡的影響。

(4)剛性樁復合地基方案則通過布設剛性較大的樁（如PHC樁、鋼管樁、鉆孔灌注樁等），并在樁上鋪設可傳力的褥墊層（如碎石墊層），把上部荷載傳遞到樁間土和樁上的地基處理形式。剛性復合地基的樁土應力比很大（10～100）、置換率很小（1%～10%）。 剛性復合地基通過樁長和間距的調節，使隧道縱橫向荷載分布相適應，這種地基處理方案能有效的控制因上部荷載較大而產生的地基沉降問題，并且能充分的發揮原始地層的承載作用，受地質條件的限制也較小，尤其適用于下臥層軟弱的地基基礎加固[3]。

具體施工工藝為先進行海底樁基礎施工，再施工換填式復合基床，在此不再贅述。

(5)柔性復合地基通過固化劑與軟土的強制攪拌，利用固化劑和軟土之間的一系列物理化學反應，使軟土得到加固，形成復合地基。如深層水泥攪拌及高壓旋噴等。柔性復合地基的強度主要取決于固化劑與土體的接觸程度，攪拌越充分，地基強度越高。通常，柔性復合地基樁土應力比在5～10左右，控沉能力很強，其置換率的變化范圍較大，可適應沉管隧道縱橫向荷載的變化要求，且比較容易與墊層匹配[4]。

以深層水泥攪拌樁舉例，施工工藝流程如下：

①樁機就位。利用起重機或開動絞車移動深層攪拌機到達指定樁位對中。為保證樁位準確,必須使用定位卡,樁位對中誤差需滿足設計要求,導向架和攪拌軸應與地面垂直,垂直度的偏離也應符合設計要求。

②噴漿攪拌。開動灰漿泵,證實漿液從噴嘴噴出時,啟動樁機向下旋轉鉆進,鉆進速度、噴漿壓力及噴漿量均應控制在合理范圍內,

鉆進噴漿成樁到設計樁長或層位后,原地噴漿半分鐘,再反轉勻速提升,深度誤差不得大于0.5m。

③提升攪拌。攪拌頭自樁底反轉勻速攪拌提升,直到地面。攪拌頭如被軟粘土包裹時,應及時清除。

④重復鉆進攪拌。按上述②操作要求進行,如噴漿量已達到設計要求時,只需復攪不再送漿。

⑤重復攪拌提升。按照上述③操作步驟進行,將攪拌頭提升到地面。

⑥成樁完畢。連同③④⑤共進行3次復攪,即可完成1根攪拌樁作業,開動灰槳泵清洗管路中殘存的水泥漿,樁機移至另一樁位施工另一根攪拌樁。

⑦與換填式復合基床類似，在樁頂鋪填塊石層和碎石層。

在復雜地質條件下的沉管隧道往往對多種基礎形式進行組合使用，以滿足工程要求。由于某些位置的基礎形式發生變化，盡管過渡段一般有特殊構造處理，仍有可能導致地基剛度不連續，在使用過程中發生不均勻沉降，對隧道基礎產生不利影響。傳統的解析方法或相關的規范方法[5-7]都難以合理地分析沉管隧道基礎形式改變處對周邊可能造成差異沉降的影響。有限元分析方法由于其能考慮土層的分層情況、土的性質、土層開挖和基礎的施工過程以及周圍(如水、土等)的介質進行了相互作用關系等復雜因素，并且能夠對復雜的邊界條件進行分析，已成為隧道工程分析的最有效方法之一。本文主要采用有限元分析方法對進行探究。

以某擬建沉管隧道為例，在隧道入海處過渡到平整段因存在不同種類的基礎結構，可能導致基礎剛度不連續，發生差異沉降、影響隧道安全的危險。對此，本文通過對兩個分別處于過渡段，不同地基處理形式及不同沉管埋深的典型斷面：A斷面 （土層擠密砂樁復合地基）、B斷面（天然地基上設置塊石+碎石墊層），并選用一個離過渡段較遠、埋深差異較大的C斷面進行對照，進行考慮土－結構相互作用的二維有限元分析，對該問題進行深入探討。

3 平面二維有限元分析

3.1 計算方法

為真實反映施工過程中隧道地基隨施工工序的變化規律而得到合理的地基剛度結果,本章節擬采用土層-結構平面分析法,選取典型斷面進行施工過程的地基變形分析。而土層-結構平面分析法能否真實反應施工中土層的變化規律則很大程度上取決于所采用的土體本構關系。

為達到這一目的，下述分析采用Plaxis軟件內置的Hardening Soil Model（HS模型）。該模型由SChanz提出，為雙屈服面等向硬化彈塑性模型，既可適用于軟土也適用于較硬土層[8]。其基本思想與Duncan-Chang模型相似，即假設三軸排水試驗的剪應力q與軸向應變呈雙曲線關系，但前者用彈塑性來表達，而不是像Duncan-Chang模型那樣采用非線性彈性來表達。另外模型考慮了土體的剪脹性（主要針對砂土）和中性加載（靜水壓力作用下產生塑性應變），因而克服了DC模型的不足。與理想彈塑性模型不同，HS模型的屈服面隨塑性應變而擴張。該模型采用雙屈服面，因而可以同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用摩爾-庫倫破壞準則。經過實踐證明，HS模型對于基坑開挖分析有較好的精度，近年來在工程中得到很大的應用。

3.2 荷載參數

荷載——結構模式認為圍巖對結構的作用只是作為產生在結構上的荷載，包括主動的圍巖壓力和被動的彈性抗力,從而來計算結構在荷載作用下產生的內力和變形。該方法套用地面結構的計算模式,用傳統的結構力學方法計算,適用于淺埋情況及圍巖塌落而出現松動壓力的情況。沉管隧道上覆土較淺，故采用該方法計算。

對于沉管結構自重，由于各處截面配筋率不一，均偏于安全考慮為26.20kN/m3；回填材料中粗砂的水下重度取12.00kN/m3，扭工字塊的水下重度取18.84kN/m3；根據現行規范，汽車荷載在車道上的均布荷載為8.40kPa；碎石墊層水下重度取11.00kN/m3；而附加荷載中路面鋪裝為1.60kPa,隧道設施取7.22kN/m；回淤重量取15kN/m3[9-12]。

3.3 基本參數

根據當地地質勘探報告，土層自上而下分別為淤泥-淤泥質土，中砂，粘土，粉細砂，粘土，粘土夾砂，粉細砂，中砂，粘土，粉細砂，含礫細砂，中砂，含礫粗砂，全風化混合片巖，強風化混合片巖，中風化混合片巖，全風化混合花崗巖，強風化混合花崗巖，中風化混合花崗巖。隔層深度略。

且考慮到室內實驗取土對土體的擾動影響，粘性土壓縮模量為實驗值的2～3倍。依據現行的地基處理技術規范7.2.9條規定，擠密砂樁復合地基壓縮模量根據下式確定：

其中樁土應力比n取為3～5。

回填材料參數取值參照相關設計資料有限元計算中的參數，如表1所示。

表1 回填材料參數取值

3.4 有限元計算

為探究沉管隧道基礎形式改變導致地基剛度差異問題，對某擬建隧道進行研究。該隧道入海段采用兩種不同的地基處理形式：土層擠密砂樁復合地基及天然地基上設置塊石+碎石墊層。為研究其地基基礎形式改變處的剛度情況，選擇靠近過渡段兩個不同地基處理形式及不同沉管埋深的典型斷面：A（靠近過渡段，采用土層擠密砂樁復合地基）、B（靠近過渡段，采用天然地基上換填塊石+碎石墊層），并選擇遠離過渡段的C斷面（遠離過渡段且位于較深區域，采用天然地基上換填塊石+碎石墊層）進行對照。對上述三個斷面進行有限元計算。A、B截面下基礎均作用于淤泥層上，C截面下基礎作用于中砂層上。

在最終工況下 （管節兩側及頂部覆土回填），A斷面計算結果見圖1～3。沉管底部最終超靜孔隙水壓力已經基本消散完畢。沉管管底最大豎向沉降為61.34mm。

圖1 A斷面土體豎向位移

圖2 A斷面坑底豎向位移

圖3 A斷面土體豎向有效應力

而在最終工況下（管節兩側及頂部覆土回填），B斷面計算結果見圖4～6。沉管底部最終超靜孔隙水壓力已經基本消散完畢。沉管管底最大豎向沉降為52.09mm。

圖4 B斷面土體豎向位移

圖5 B斷面坑底豎向位移

圖6 B斷面土體豎向有效應力

兩個斷面的地基剛度可通過沉管底部有效應力/底部豎向位移得到，見圖7～8。

根據計算結果中的兩個截面的結構彎矩圖，如圖9～10，可發現，彎矩差異并不明顯。即通過設計手段可使地基剛度平順過渡，從而使上部結構的縱向內力也趨于連續。

圖7 A斷面地基剛度

圖8 B斷面地基剛度

圖9 A斷面結構彎矩圖

圖10 B斷面結構彎矩圖

對于遠離過渡段且位于較深區域；基礎作用于中砂層；采用天然地基上換填塊石+碎石墊層的C斷面，進行有限元分析，根據土體及坑底豎向位移、土體豎向有效應力，得到C斷面的地基剛度如圖11，結構彎矩圖如圖12。

圖11 C斷面地基剛度

可發現A斷面經過擠密砂樁加固后，剛度仍低于采用換填法的B斷面，但差異在15%左右，實現地基剛度的平順過渡。根據相關設計材料，設計過程已考慮該問題，即微小的差異沉降而產生的附加應力對截面最大抗力 （包括正常使用極限狀態和承載能力極限狀態下）而言，影響較小。

圖12 C斷面結構彎矩圖

而通過對C截面的研究分析發現，換填的塊石+碎石墊層作用于剛度較大的中砂層時，地基剛度得到顯著提升。因此，也證明了埋深增大，使基礎直接作用于較深的土層，對地基剛度影響更為明顯。

4 常用對策

設計者可通過優化基礎設計的方式使基礎形式改變處的過渡段剛度更為連續，具體包括以下對策。

(1)加厚塊石墊層

對于擠密砂樁段與天然地基段的過渡區域，為控制基礎沉降量，避免產生過大的差異沉降，實現地基剛度的平順過渡，該區段基底軟土全部挖除后采用塊石換填，基礎塊石厚度均進行合理加厚。處理段落范圍和塊石拋填厚度結合實際開挖揭露的地質情況進行動態調整。

(2)布樁方式

布樁方式主要取決于基礎類型、底面尺寸及兩側回填范圍，平面上可采用等邊三角形、方形、矩形等布置型式，不同的布樁方式可獲得相同的置換率，但對樁間土的擠密作用存在差異。

(3)置換率、樁徑與樁距的確定

復合地基的置換率主要與樁徑和樁距有關，計算時先根據天然土的指標和加固后要達到的復合地基沉降控制目標，計算出所需的置換率，然后根據施工要求換算出相應的樁距和樁徑[13]。并根據縱橫向荷載與地層的變化，分區調整置換率，實現隧道縱橫向沉降過渡協調。

(4)樁長的確定

復合地基加固體長度的選擇應根據土層分布、隧道沉降控制目標要求等因素確定；當相對較硬土層的埋深較大時，應按地基的變形量確定樁長；在可液化地基中，樁長應考慮抗震處理深度要求。

5 結論

對于沉管隧道而言，選擇合適的基礎形式的主要目標是控制差異沉降，實現縱橫向剛度平順過渡。本文研究了沉管隧道基礎的常用形式，詳細地闡述了相應的具體施工工藝與流程。嘗試通過某擬建隧道的兩個不同地基處理形式及不同沉管埋深的典型斷面，并選用一個離過渡段較遠、埋深差異較大的斷面進行對照，展開分析。過渡段的兩個斷面分別采用土層擠密砂樁復合地基，和天然地基上設置塊石+碎石墊層的斷面，而遠處的對照斷面也采用天然地基上設置塊石+碎石墊層。最終，發現過渡段因基礎形式改變而產生的地基剛度差異在15%以內，上部沉管結構的縱向內力也趨于連續，可以在荷載作用下正常工作。而增大埋深，使基礎作用于較深的土層對于地基剛度提升更為明顯。

在設計階段，往往會根據縱向天然地基的剛度，在剛度開始突變的區域進行基礎形式改變，以達到基礎整體剛度的連續性，故該過渡范圍控制沉管隧道的基礎設計。隨后，提出了基礎優化設計的相應方法，包括加大墊層厚度、布樁方式、置換率、樁徑與樁距、樁長的確定等，以供參考。不斷優化基礎設計，可使基礎剛度更為趨于連續，以達到縱向沉降趨于協調的理想狀態。

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