許 昱, 徐國(guó)平, 陳偉樂, 宋神友

(1. 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 北京 100088; 2. 深中通道管理中心, 廣東 中山 528400)

0 引言

沉管隧道是一種重要的水下隧道建造方式,對(duì)于一般的淺埋沉管隧道,附加荷載小、承載力要求低,基礎(chǔ)采用天然地基即可。當(dāng)沉管隧道基底地層條件較差或隧道埋置較深時(shí),需要采用能滿足承載力要求且可有效控制沉降的地基處理方式。沉管隧道地基處理方式主要有樁基礎(chǔ)、大開挖換填、擠密砂樁(SCP)、深層水泥攪拌樁(DCM)等類型。樁基礎(chǔ)在荷蘭、德國(guó)等國(guó)家的沉管隧道應(yīng)用比較普遍,但由于在實(shí)際施工中樁頂標(biāo)高不可能控制得完全一致,需采取輔助措施使樁群頂面與沉管結(jié)構(gòu)連接,如中國(guó)寧波常洪隧道預(yù)制混凝土樁基礎(chǔ)采用了囊袋壓漿法; 韓國(guó)釜山沉管隧道根據(jù)不同的地層條件分別采用擠密砂樁與深層水泥攪拌樁方法成功加固了軟弱地基;港珠澳大橋沉管隧道島隧結(jié)合部過渡段采用了擠密砂樁的地基處理方法。

深中通道西島斜坡段隧道槽底以下淤泥類土(含②1流態(tài)淤泥、②2淤泥、②3淤泥質(zhì)土、②2-4粉砂)厚度為3～18 m,比港珠澳大橋沉管隧道的淤泥層厚,同時(shí)受采砂擾動(dòng)影響,②1層淤泥的原位十字板強(qiáng)度僅有4.3～8.4 kPa,是一種流態(tài)的淤泥,對(duì)基槽開挖有影響,大開挖換填方案開挖深度大,且淤積較為嚴(yán)重,不具備可行性,擠密砂樁在該層的施工成樁難度很大。

深層水泥攪拌樁(DCM)方案在韓國(guó)釜山隧道有成功應(yīng)用案例,隨著國(guó)產(chǎn)設(shè)備的開發(fā)和投入使用,以往限制該方案應(yīng)用的造價(jià)高、設(shè)備缺乏等問題都得到了解決。該方案通過先加固后開挖,對(duì)采砂坑的適應(yīng)性較好,無需堆載預(yù)壓,施工工期短,可消除液化,抗震性能好,因而作為西島斜坡段地基處理的推薦方案[1]。

馮海暴等[2]針對(duì)施工環(huán)境和沉管結(jié)構(gòu)等指標(biāo),提出不同地質(zhì)和工況條件下選取基礎(chǔ)處理方法的原則。張慶賀等[3]對(duì)目前國(guó)內(nèi)外沉管隧道基礎(chǔ)處理的主要方法進(jìn)行對(duì)比分析,得出不同方法在解決基槽穩(wěn)定性、控制隧道沉降中的效果。張志剛等[4]總結(jié)了沉管隧道各種復(fù)合地基處理方法的適用條件,并提出沉管隧道采用復(fù)合地基方案時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)引起高度重視的幾個(gè)關(guān)鍵問題。王延寧等[5]通過將現(xiàn)場(chǎng)原位堆載試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相互比對(duì),以此開展沉管隧道擠密砂樁復(fù)合地基沉降預(yù)測(cè)。李建宇等[6]基于港珠澳大橋島隧工程提出針對(duì)沉管隧道復(fù)合地基建議的沉降計(jì)算方法。何洪濤等[7]針對(duì)港珠澳大橋沉管隧道通過堆載預(yù)壓施工期和下放沉管后的管節(jié)沉降監(jiān)測(cè),得出管節(jié)的總沉降和差異沉降控制指標(biāo)。滕超等[8]基于香港三跑水下DCM施工過程中實(shí)時(shí)記錄的施工數(shù)據(jù),建立了勘察-施工-檢測(cè)的因果關(guān)系,分析了影響不同土在不同深度成樁質(zhì)量的主要因素。劉志軍等[9]結(jié)合海上DCM現(xiàn)場(chǎng)施工工藝流程,以香港沖積層黏土為研究對(duì)象,通過室內(nèi)配合比試驗(yàn)研究了總含水率對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響。

由上可知,水下深層水泥攪拌樁(DCM)地基處理方式在海洋工程中應(yīng)用較多,但作為沉管隧道的地基處理方式系國(guó)內(nèi)首次,其合理布置形式尚未見公開報(bào)道,因此有必要針對(duì)沉管隧道的特點(diǎn)開展系統(tǒng)研究。

1 DCM布置形式

先鋪法沉管隧道施工的過程是先進(jìn)行基槽開挖,然后鋪設(shè)墊層,再將沉管沉放到墊層上。沉管下部地基受力變形過程為卸載再加載,當(dāng)沉管墊層下為均勻土層時(shí),計(jì)算分析得到的管底應(yīng)力呈W形,管底沉降則呈馬鞍形[10]。管節(jié)行車孔中心處應(yīng)力最小,沉降最小,管節(jié)中心次之;管節(jié)兩側(cè)受到回填土負(fù)摩擦力作用,應(yīng)力最大,沉降最大。而回填防撞區(qū)受大范圍回填影響,是基底荷載最大的區(qū)域。深中通道沉管隧道K11+941.20斷面豎向接觸應(yīng)力分布模式及豎向沉降分布模式分別如圖1和圖2所示。

圖1 深中通道沉管隧道K11+941.20斷面豎向接觸應(yīng)力分布模式

圖2 深中通道沉管隧道K11+941.20斷面豎向沉降分布模式

經(jīng)調(diào)研,香港機(jī)場(chǎng)第三跑道采用長(zhǎng)短樁壁式布置方案,韓國(guó)釜山—巨濟(jì)隧道采用單樁式布置方案。根據(jù)沉管隧道管底荷載分布情況及橫向地基剛度分布模式的特點(diǎn),設(shè)計(jì)時(shí)初步確定4種DCM布置方案(縱向間距均為3 m)。1)方案1: 管底采用長(zhǎng)短樁壁式布置,沿縱向每隔6 m在橫向形成一個(gè)壁體,壁體寬度48.3 m,略大于沉管寬度46 m,DCM長(zhǎng)樁進(jìn)入全風(fēng)化層;根據(jù)巖面起伏情況設(shè)置不同的樁長(zhǎng),短樁長(zhǎng)度為3 m,設(shè)置在長(zhǎng)樁中間;沉管兩側(cè)防撞回填區(qū)采用單樁式布置。2)方案2: 管底及兩側(cè)防撞回填區(qū)均采用單樁式布置,橫向間距均采用4 m。3)方案3: 管底及兩側(cè)防撞回填區(qū)均采用單樁式布置,管底橫向間距采用3 m,兩側(cè)防撞回填區(qū)橫向間距采用4 m。4)方案4: 管底及兩側(cè)防撞回填區(qū)均采用單樁式布置,管底中心和端部橫向間距為3 m,行車道雙孔中間橫向間距為4 m,兩側(cè)防撞回填區(qū)自隧道往外鎖定回填部分采用橫向間距3 m,至回填防護(hù)二級(jí)平臺(tái)處采用橫向間距4 m,一級(jí)平臺(tái)及邊坡處采用橫向間距5 m。上述4種方案的布置分別如表1和圖3所示。

表1 4種方案DCM布置

2 數(shù)值計(jì)算及分析

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)沉管隧道對(duì)稱性,選用沉管隧道橫截面的1/2進(jìn)行建模。DCM模擬時(shí)按照面積相等原則簡(jiǎn)化為矩形截面,建立的三維模型如圖4所示。

邊界條件: 四周法向約束,底部完全固定。

根據(jù)沉管隧道實(shí)際的施工工序建立以下施工步驟: 1)初始地應(yīng)力狀態(tài); 2)DCM施工; 3)基槽開挖; 4)施工振密塊石層; 5)施工碎石墊層; 6)沉管下沉及鎖定回填施工; 7)沉管頂部回填施工; 8)運(yùn)營(yíng)通車。

在計(jì)算過程中,三維模型應(yīng)盡可能符合工程實(shí)際,以與計(jì)算斷面最近的鉆孔作為地層輸入條件,在土體、回填材料與隧道結(jié)構(gòu)、DCM樁之間建立界面。PLAXIS 3D軟件可以很好地模擬水位,初始水位取+0.520 m,從沉管下沉及鎖定回填施工工序開始,應(yīng)消除沉管隧道內(nèi)部水壓力,在軟件中將其類組賦值為“干”,各施工步驟完全模擬隧道施工工序,施加相同的荷載。

(b) 方案2

(c) 方案3

表2 計(jì)算參數(shù)

圖4 三維模型

2.2 計(jì)算結(jié)果

采用4種DCM布置方案得到的沉管隧道、回填防撞區(qū)、沉管底部DCM、回填防撞區(qū)底部DCM變形云圖分別如圖5—8所示。

從方案1和方案2結(jié)果對(duì)比可以看出: 二者置換率接近,壁式布置綜合置換率比單樁式布置稍大,但單樁式布置比壁式布置方案計(jì)算得到的沉降小。因此,相同置換率下,單樁式布置方案的沉管隧道沉降、樁基沉降均比壁式布置方案小,主要原因在于單樁式布置時(shí),DCM分布更均勻,樁長(zhǎng)分布更合理。此外,現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)結(jié)果表明: DCM樁淺層成樁質(zhì)量較差、樁身強(qiáng)度較低,采用壁式布置時(shí),短樁大部分位于淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中,短樁部分質(zhì)量難以保證,且強(qiáng)度較低。因此,從控制沉降角度考慮,單樁式布置方案(方案2)較優(yōu)。

方案2、方案3和方案4計(jì)算結(jié)果表明: 方案2及方案3的沉管隧道及DCM沉降均比方案4沉降大。文獻(xiàn)[10]給出了典型沉管隧道管底荷載分布模式,即管節(jié)行車孔中心處應(yīng)力最小、沉降最小,管節(jié)中心次之;管節(jié)兩側(cè)受回填土的負(fù)摩擦作用影響,應(yīng)力最大、沉降最大。對(duì)于沉管隧道來說,沉管底部荷載不大,地基處理應(yīng)綜合考慮沉管隧道總沉降和差異沉降,回填防撞區(qū)對(duì)沉降要求相對(duì)較低,地基處理主要考慮地基承載力及回填防撞區(qū)與沉管隧道差異沉降引起的負(fù)摩擦力。結(jié)合方案2、3、4來看,方案4考慮了沉管隧道管底荷載的分布模式,根據(jù)荷載分布模式合理確定了樁的疏密度,即沉管底部中心和端部DCM橫向間距為3 m,行車道雙孔中間橫向間距為4 m,兩側(cè)防撞回填區(qū)根據(jù)回填材料的高度分別采用3～5 m間距。因此,在相同的置換率條件下,方案4對(duì)于沉管隧道的沉降控制最優(yōu),因此是最合理的DCM布置形式。

3 現(xiàn)場(chǎng)載荷板試驗(yàn)及分析

3.1 試驗(yàn)過程

為驗(yàn)證DCM復(fù)合地基的承載力和沉管隧道DCM布置的合理性,選擇在E3管節(jié)中段南側(cè)對(duì)西島斜坡段DCM復(fù)合地基開展2組原位荷載板試驗(yàn)(見圖9)。實(shí)際設(shè)計(jì)施工過程中,回填防撞區(qū)底部DCM樁要求60 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值達(dá)到1 600 kPa,因此得出4樁3 m×4 m布置目標(biāo)承載力為158.6 kPa,4樁3 m×3 m布置目標(biāo)承載力為211.1 kPa,DCM載荷板試驗(yàn)工況見表3。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

(d) 方案4

(c) 方案3

(d) 方案4

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

(d) 方案4

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

(d) 方案4

圖9 現(xiàn)場(chǎng)載荷板試驗(yàn)

表3 DCM載荷板試驗(yàn)工況

試驗(yàn)系統(tǒng)由荷載塊、承壓板、基準(zhǔn)板、基準(zhǔn)板吊架、測(cè)量系統(tǒng),以及沉箱荷載塊與承壓板之間的吊具組成,采用滿足吊裝要求的起重船進(jìn)行水下吊裝測(cè)試。

荷載塊采用分塊的混凝土,底寬要求8 m(長(zhǎng))×6 m(寬)。承壓板底面尺寸為8 m(長(zhǎng))×6 m(寬)。采用型鋼及鋼板焊接而成,承壓板上設(shè)置安放儀器的測(cè)試臺(tái)座,以及與荷載塊之間的限位裝置。同時(shí),承壓板內(nèi)填充泡沫以減輕承壓板自身重量對(duì)地基沉降造成的影響。吊架安裝在荷載塊兩側(cè),用于懸掛基準(zhǔn)板系統(tǒng)?；鶞?zhǔn)板距離承壓板凈間距6.0 m,滿足規(guī)范3.0倍板寬的要求?；鶞?zhǔn)板上安裝靜力水準(zhǔn)儀作為基準(zhǔn)點(diǎn)。

試驗(yàn)分為4級(jí)加載和卸載,每次加卸載均在變形穩(wěn)定后進(jìn)行,最后1級(jí)荷載與沉管隧道回填施工完成時(shí)荷載相同。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

A1組試驗(yàn)樁土應(yīng)力比、樁土荷載分擔(dān)比、加卸載沉降曲線如圖10所示?？梢钥闯? A1組(縱橫向樁間距3 m×4 m)在各級(jí)荷載作用下,沉降分別為46.1、8.2、9.2、7.0 mm,在總荷載158.3 kPa荷載作用下,總沉降為65.9 mm;各級(jí)荷載卸載回彈量分別為0.13、0.72、0.58、2.05 mm,總回彈量為3.48 mm。樁土應(yīng)力比隨著荷載的增大逐漸增大,且增長(zhǎng)速率逐漸減小,第4級(jí)荷載下的樁土應(yīng)力比為9.01∶1,表明縱橫向樁間距3 m×4 m的復(fù)合地基容許承載力能滿足不小于158.3 kPa的要求。

(a) A1組試驗(yàn)樁土應(yīng)力比

(b) A1組試驗(yàn)樁土荷載分擔(dān)比

(c) A1組試驗(yàn)加/卸載-沉降曲線

A2組試驗(yàn)樁土應(yīng)力比、樁土荷載分擔(dān)比、加卸載沉降曲線如圖11所示?？梢钥闯?A2組(樁間距3 m×3 m)在各級(jí)荷載作用下沉降分別為64.9、19.5、11.6、11.6 mm,在總荷載211.1 kPa荷載作用下,總沉降為107.7 mm,各級(jí)荷載卸載回彈量分別為0、0.10、0.60、1.03 mm,總回彈量為1.73 mm。樁土應(yīng)力比隨著荷載的增大逐漸增大,且增長(zhǎng)速率逐漸減小,第4級(jí)荷載下的樁土應(yīng)力比為7.84∶1,表明縱橫向樁間距3 m×3 m的復(fù)合地基容許承載力能滿足不小于211.1 kPa的要求。

(a) A2組試驗(yàn)樁土應(yīng)力比

(b) A2組試驗(yàn)樁土荷載分擔(dān)比

(c) A2組試驗(yàn)加/卸載-沉降曲線

3.3 計(jì)算和試驗(yàn)的對(duì)比

方案4沉管隧道回填施工工況下DCM樁及樁間土頂部應(yīng)力如圖12和表4所示。

圖12 DCM樁及樁間土頂部應(yīng)力

表4 DCM樁及樁間土頂部應(yīng)力

由圖12可以看出: 應(yīng)力分布呈現(xiàn)鋸齒狀,DCM樁頂部應(yīng)力較大,樁間土應(yīng)力較小,結(jié)合圖3(d)根據(jù)管底荷載情況可分為3個(gè)區(qū)段。區(qū)段1: 距離沉管隧道中心0～23 m沉管隧道段,管底荷載約90 kPa,DCM間距為3～4 m。區(qū)段2: 23～45 m段回填范圍,底部荷載約200 kPa,DCM間距為3 m。區(qū)段3: 45～87 m回填邊坡段底部平均荷載約150 kPa,DCM間距為4～5 m。根據(jù)圖12的計(jì)算,區(qū)段2樁土應(yīng)力比為7.86,區(qū)段3樁土應(yīng)力比為8.17,與載荷試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

方案4沉管隧道回填施工工況下DCM樁及樁間土頂部沉降如圖13所示?？梢钥闯? 根據(jù)沉管隧道基底荷載分布模式確定的不等間距布置的DCM方案,其沉降總體較為均勻,最大沉降為6 cm,數(shù)值計(jì)算和載荷試驗(yàn)較好地驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。

圖13 DCM樁及樁間土頂部沉降

4 結(jié)論與建議

1)根據(jù)沉管隧道基底荷載分布模式確定的不等間距布置的DCM方案是較合理的布置方式。

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)載荷板試驗(yàn),縱橫向樁間距3 m×4 m的復(fù)合地基容許承載力≥158.3 kPa,縱橫向樁間距3 m×3 m的復(fù)合地基容許承載力≥211.1 kPa,與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合,較好地驗(yàn)證了沉管隧道DCM布置方式的合理性。

3)目前深中通道已經(jīng)沉放31個(gè)管節(jié),為驗(yàn)證沉管隧道DCM處理的實(shí)際情況,有必要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析,進(jìn)一步開展理論提升研究。