沉管隧道地基回弹与再压缩计算分析

史兴浩，谢 远

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

作为水下隧道的一种，沉管隧道以其独有的优势广泛应用于穿越江河湖海等水下工程建设领域[1]。虽然沉管结构自身较为稳定，但由于其沿纵向所处的海水深度与基底土层物理力学性质的不连续性，使得基础的沉降特征与一般的地面建筑物截然不同。港珠澳大桥沉管隧道由于管节数量多、埋置深度大、上覆回淤荷载大、下卧软弱基础厚，对地基的要求较高，因此，控制基础的回弹与再压缩沉降量就成了工程建设的重中之重。基础的回弹与再压缩问题不仅影响着施工进度而且对工程构筑物的后期安全运营具有显著作用。工程建筑物地基的回弹与沉降控制不仅需要控制最大变形量,而且需要控制整体变形量与回弹再压缩变形量之间的变形差。合理分析和判断工程建筑物在不同阶段下地基的变形量,在保障工程建筑物在使用年限里的安全使用以及保证基础构件之间的连接质量、缩短建设时间等方面具有十分积极的作用[2]，研究沉管隧道在不同阶段的沉降变化规律就显得尤为重要。

目前，国内外学者在研究沉管隧道的沉降问题中已经取得了较为丰富的研究成果。丁文其[3]等通过基于地层-结构法的沉管隧道建模方法得出回淤土荷载对沉降变形的影响范围；陈韶章[4]等对比了先铺法和后填法两类基础垫层处理方法对沉降的影响；谢雄耀[5]等对甬江沉管隧道的长期沉降监测数据进行了分析,提出了基于流-固耦合理论的有限元方法计算沉管隧道的长期沉降；穆保岗[6]等提出根据卸荷比的大小分段考虑回弹模量的参数取值，对再压缩模量取为定值来确定沉管隧道开挖卸荷最大影响深度；隗建波[7]等探讨了压砂法对沉管隧道基础沉降的影响；魏纲[8-9]等采用土体回弹模量计算地基土层的沉降。实际工程地质情况复杂，以上的研究成果在具体分析港珠澳大桥沉管隧道的沉降问题当中具有一定的局限性。因此，以港珠澳大桥沉管隧道天然地基某断面为研究对象，采用有限元计算模型模拟实际施工过程中的基槽开挖、基底压砂、下放沉管、回填及最终回淤等施工阶段，以展现其基槽开挖和回填回淤阶段下基底竖向变形分布情况，为实际施工以及地基处理方案提供理论依据。

1 工程概况

港珠澳大桥主体工程采用桥梁与隧道相结合的设计方案，其中岛隧工程为其控制性工程。海底隧道全长约为6.7 km，施工工艺采用沉管法，沉管段从K6+961～K12+751，由33节巨型沉管和一个合龙段最终接头构成，管节长度自东向西90 m+90 m+180×30 m+79 m(总长5 659 m)，是迄今为止世界上最长的海底隧道，且具有基槽开挖深度大、沉管管节长、水深大、上覆回淤荷载大、下覆地基土层软弱且不均匀、沉管管节接头处受力复杂以及施工困难等特点。地质断面及地理位置如图1、图2所示。

建模所取工程地质断面位于港珠澳大桥沉管隧道天然地基段E12处，土层分布自上而下分别为淤泥13m、粉质黏土6.8 m、黏土夹砂子9.7 m、黏土7.8 m、中砂5.7 m及粗粒砂31.1 m，海床面高程为9.3 m，基槽开挖深度为35.78 m。碎石垫层级配良好，粒度适中且不含杂物，含泥量低于3%，最大粒径小于3 mm[10]。

图1 地质剖面图

2 有限元计算

应用MIDAS软件,对所选取的断面分别建立基槽开挖、铺设砂石垫层、下放沉管、管顶回填回淤等施工模型，并运行工况得到回弹量与再压缩量。

2.1 模型材料及结构参数

依据现场实测资料以及室内土工试验资料，不同土层的物理力学参数见表1。根据工程相应的设计规划资料选择沉管、回填土和砂垫层的计算参数，如表2所示[7]。

图2 地理位置图

土层泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)浮密度/(kg·m-3)压缩模量/MPa回弹模量/MPa再压缩模量/MPa淤泥0．4307．219．9680黏土0．4006028．876024粉质黏土0．4005430．084023．69159．9684．98黏土夹砂0．2965018．587025．54145．6997．73中砂0．2962037．8103034．26粗粒砂0．2901838．3110040．8

表2 回填土及沉管计算参数

2.2 模型建立

应用MIDAS软件建立模拟初始固结-基槽开挖-回填回淤等计算模型。对于模型中的原始土层，采用弹塑性的本构关系—莫尔·库仑屈服准则进行定义。砂垫层、沉管以及回填土采用弹性结构，分别定义原始土层、沉管、回填土和砂垫层等9种材料和属性，然后进行网格划分，并在模型的左右两侧施加水平方向的边界约束，在底部施加竖直方向上的边界约束。采用对网格进行激活钝化并修改相应单元属性的方式来对整个施工阶段进行模拟，在模拟开挖阶段前，将土体的自重应力场视为初始应力场。

2.3 施工阶段模拟

在定义施工阶段时，先沿y轴方向进行基槽开挖，然后对基槽开挖底部铺设砂石垫层，下放沉管，最后回填回淤。

图3 断面网格划分图

3 计算结果及分析

3.1 回弹变形特性分析

图4为所选断面在开挖后基础底面竖向回弹位移云图。由图4可知，基槽开挖后土层整体产生竖向回弹，其中最大回弹量为4.3 cm，在开挖基槽底部的中点处，并且其回弹量随着土层厚度的加深而逐渐减小，最后趋于0。同时在断面两侧边界上出现了一定程度的压缩现象，这是由于土体的开挖卸荷使得作用在开挖基槽表面处的附加应力减小为零，两侧土体在重力的作用下产生了类似于“滑坡”的效果。

图5为所选断面在开挖后的基底回弹位移图。由图5可知，在开挖结束后，基槽底部的回弹量分布形态呈拱形，基槽两侧坡脚边缘处的回弹量最小，而基槽中心处的回弹量最大，这是因为在基槽开挖后，两侧土体在自身重力作用下向中间侵入所致。

图4 基底回弹位移云图(单位：cm) 图5基槽底部回弹位移

图6为所选断面在基槽两端坡脚边缘处和基槽底部中心处沿竖直方向向下不同深度的基底回弹位移分布曲线。由图6可知，基槽底部中心与开挖边缘坡脚以下的回弹量沿深度分布的变化规律基本一致，并且相对于总的回弹量而言，二者之间的差值较小。地基回弹主要发生在开挖面以下一定范围内，并且随着土层厚度的加深，地基回弹影响的范围逐渐降低。因为所选取断面的地基土层分布相对均匀，所以两条曲线以较小的差值均匀分布。

图7为所选断面在回填回淤后基础底面再压缩位移云图。与基槽开挖阶段相比，回淤完成后，基槽开挖线两侧的隆起量由大变小。基槽开挖线底部与洗管基底隆起现象也得到了一定程度缓解，隆起值开始下降。

图6 回弹量沿深度分布

图8为回填后的基底再压缩位移值分布图。由图8可知，沉管左右两侧边墙处的再压缩量相对于中隔墙处而言较大，这是由沉管结构的自身特点和左右两侧填土对沉管边墙的下拉作用所导致的。再压缩量的平均值为1.5 cm，回淤完成后，最大沉降量为1.8cm，开挖面对应竖向位移值均减小，但未达到负值，表明地基土在一定范围内发生再压缩变形，但再压缩变形量并未完全抵消上一阶段的回弹量。

图9为所选断面在基槽两端坡脚边缘处和基槽底部中心处沿竖直方向向下不同深度的基底回弹位移分布曲线。由图9可知，基底边缘处和基底中心点处再压缩后位移值随深度变化的分布规律基本一致，两者之间的差值也较小，并且随着地基深度的增加，再压缩后的位移值逐渐趋向于零。

图7再压缩位移云图(单位：cm)图8基槽底部再压缩位移

4 结论

(1)基槽开挖后基底回弹变形曲线呈拱形， 回弹量的峰值位于基底中心处，所对应的回弹量为4.3 cm。管顶碎石回填后基底的再压缩变形呈抛物线形分布，再压缩量的最大值位于沉管结构两侧的边墙处为1.5 cm。这些都是沉管隧道中较为危险的区域，在施工过程中需要加强对此区域的监控量测，以便及时发现险情，并提出合理的解决方案；

(2)随着回淤的最终完成，基槽开挖线处以及基槽底部的隆起值均有所减小；

(3)基地回弹量与再压缩变形量均随深度的增大而减小；

图9 再压缩量沿深度分布

(4)数值模拟可在一定程度上反映施工过程当中可能遇到的不利情况，对指导实际施工有着极为重要的意义。

[1] 岳夏冰,谢永利,张宏光,等.沉管隧道垫层作用机理离心试验研究[J].工程勘察,2013 (8):11-14.

[2] 滕延京,李建民,王曙光,等.深大基础地基回弹再压缩变形计算方法及工程应用[J].岩土工程学报,2013,35(12):2164-2170.

[3] 丁文其,朱令,彭益成.基于地层-结构法的沉管隧道三维数值分析[J].岩土工程学报,2013,35(2):622-626.

[4] 陈韶章,苏宗贤,陈越.港珠澳大桥沉管隧道新技术[J].隧道建设,2015,35(5):396-403.

[5] 谢雄耀,王培,李永盛,等.甬江沉管隧道长期沉降监测数据及有限元分析[J]. 岩土力学,2014,35(8):2315-2324.

[6] 穆保岗,穆腾飞,龚维明，等.沉管隧道大开挖回弹再压缩问题试验研究[J].地下空间与工程学报,2016,12(5):1172-1178.

[7] 隗建波,宁茂权,莫阳春，等.港珠澳大桥沉管隧道基础处理方案沉降分析[J].铁道勘测与设计,2011(6):9-12.

[8] 魏纲,朱昕光,苏勤卫.沉管隧道竖向不均匀沉降的计算方法及分布研究[J].现代隧道技术,2013,50(6):58-64.

[9] 李景.外海大回淤沉管隧道地基回弹再压缩机理与特性研究[D].西安:长安大学公路学院,2013.

[10] 岳夏冰,谢永利,张宏光,等.沉管隧道离心模型试验及数值模拟[J].工业建筑,2013,43(6):84-89.