沉管隧道基础形式改变导致地基刚度差异问题的对策研究

■徐 伟 廖子谦 孙 旻

（1.同济大学建筑工程系，上海 200092）

1 引言

随着当今社会的工程技术水平不断提升，人们希望建设通道以连接被海峡所割裂的陆地。而海底隧道的连接方案凭借其独有的优势在世界各地被广泛应用，在日本青涵海峡隧道、英吉利海峡隧道成功修建并良好运营的经验下，海底隧道建设的相关研究正在如火如荼地展开。

迄今为止，已修建的海底隧道相当一部分是采用沉埋管段法.这种方法被认为是横穿水域或作为船舰航道的港湾,或者在水底的地质条件不适应于开挖隧道时的一种好方法,最受工程设计人员注意的是沉管隧道能够成功地提高抗地震破坏能力。盾构开挖法也是一种较为普遍的方法，而在深水区盾构开挖法则更加有利，英吉利海峡隧道则是采用盾构开挖法。而钻爆法（矿山法）一般在围岩情况较好时被采用。

沉管隧道基础位于隧道结构下方，其主要功能是承受来自隧道结构自身、回填、管顶防护层以及回淤、行车等荷载；为隧道结构提供均匀可靠的刚度支撑；并控制基础总沉降与不均匀沉降。符合工程要求的沉管隧道基础满足隧道沉管段、暗埋段及人工岛间的协调变形，使隧道结构在设计荷载作用下因地基变形引起的结构内力以及变形在结构设计可承受范围之内，满足设计要求。

2 工程实践

在工程实践中，常见的沉管隧道基础包括以下分类：

(1)换填式复合基床是由碎石层、块石层和下层土体共同构成的。在实际工程中采用换填式复合基床的工程经验表明，采用该工法时，在荷载作用下，基床土体的沉降明显减小。该工法具有施工简单、工艺成熟、工程造价相对较低、施工质量可控性强等特点。

具体的施工工艺包括如下步骤：

①粗挖。粗挖是指开挖自然泥面至离设计底标高约2 m间的泥层,选用大型耙吸船承担粗挖施工,所选用的耙吸船应具有动力定位及动力跟踪的功能。

②精挖。精挖是指粗挖完成后至设计底标高间的泥层,选用具有定深和平挖功能的大型抓斗挖泥船,可减少底部扰动和浮泥产生。

③清淤。清淤是指清除粗挖结束后至精挖前基槽淤积的泥沙,以及精挖后基槽底和基床面回淤的浮泥层。选用专用清淤船进行清淤。

④基础铺设及处理。基础处理以消灭不规则空隙为目的,可分为先铺法(在管段沉设之前,先铺好砂、石垫层)和后填法 (先将管段沉设在预置在沟槽底上的临时支座上,随后再补填垫实)。一般情况下，铺设的底层为块石，顶层为碎石。

先铺法最常被采用，如韩国釜山-巨济岛连接线沉管隧道基础。隧道基础的处理方法可采用专用的碎石刮铺设备进行施工。该设备固定于打入海底的管桩之上,凭借船上行台车和填料刮铺筒移动进行碎石刮铺施工，并可根据GPS系统进行定位。刮铺筒的填料口可以根据船体标高灵活调整,其深度也可根据不同需要灵活调整。

(2)挤密砂桩法对于加固软黏土具有良好的工程效果。挤密砂桩法是在软基上用振动锤把套管沉入到要求的深度，填入中、粗砂并向下挤压使砂桩扩径，使其周围地基发生侧向挤压而使地基密实的一种加固方法，该方法在沿海软土地基工程中得到较为广泛的使用，并应用于护岸工程的地基加固等[1]。

挤密砂桩具体的工艺流程如下：

①确定桩位阶段：在GPS系统 指导下进行船舶的驻位以及对挤密砂桩进行定位。

②制桩准备阶段：在系统指令下，套管沉入海底天然地基土体下利用振动锤的作用接近设计标高，砂传输系统同时向套管内提供定量砂料，套管内利用空气压缩系统预先设定好一定的气压。向套管内加砂和加压需要一定时间，因此会有部分泥、水、砂等混合物进入套管。等到套管继续上拔，内部的混合物在气压和砂料自重作用下排出。

③制桩阶段：在数据演算系统的指令下，操作人员进行套管上拔，形成地基内的孔洞。在气压作用下，砂料从套管内落入孔洞后形成松散砂桩。随后将管内落入的砂达到的高 度与上拔的高度进行对比，控制人员得到系统的指令后停止上拔，然后将套管回压至一定深度。内部松散砂桩经过捣实后扩径形成挤密砂桩，在数据演算系统的指令下，操作人员分段制作砂桩，不断重复直至完成整根挤密砂桩。输砂系统在制桩过程中按砂存量向套管内添加砂料。

(3)桩基础在西欧国家应用较普遍,用于地基土特别软弱，在隧道轴线方向上基底土层硬度变化大，会使管段产生不均匀沉降的场合，或列车通过时的振动会使砂性基础液化的场合，此时基础仅作垫平处理不足以解决问题。桩基础通常分为端承桩和摩擦桩两种类型[2]。桩基础刚度较大，沉降控制效果非常好，一般沉降可以控制在1cm以内。

具体施工做法如下：

①航运管理。为保证沉桩施工期间不影响航道的正常通航，对主航道的南北两侧分别进行拓宽，作为施工期间船舶通行的辅助航道（即在江南沉桩时，江北辅助航道通航；而江北沉桩时，江南辅助航道通航）。

②沉桩设备。首先，将打桩船的固定桩架改装成可转动的平放架，为确保桩船能从沿路上的大桥下顺利通过，将较高的桩架降低；其次，为确保桩身的垂直度和防止下桩时因桩身的自由长度过长而发生桩位移，将桩架下端部位水下龙口接长，并装1块可滑动的小背板，以使桩身在水下的自由长度部分得到固定。

送桩器由钢管桩改装而成，钢管桩周围用肋板加强。

③沉桩定位。施工时，采用多台经纬仪进行交汇定位，用全站仪坐标法进行校核。桩身垂直度偏差需满足设计要求。因此，在定位前采取由排架轴线上的全站仪指挥桩船的左右压舱水进行平衡，以防止桩架因左右偏差而造成桩轴线的偏离；随后，用全站仪测出桩的角坐标，并进行校核，当达到设计要求后即下桩。在稳桩过程中，用经纬仪观察桩身的位置，一旦桩身出现偏差，立即通知施工人员进行调整。

④沉桩。沉桩前需先开挖基槽，由于采用抓斗船挖泥，基槽底部会凹凸不平（特别是靠近岸的两侧），因此，在桩基定位过程中，可能造成桩尖的滑移，其滑移量可使施工精度受到严重影响。因此，为避免桩尖发生滑移，在送桩前采用1节长钢管桩先进行冲孔，并严格控制桩的冲孔定位，以免在下桩时其桩尖随孔壁下滑而难以调整桩基的定位。沉桩时，先将桩顶施打到水面以上几米左右，再用送桩器将桩送到设计桩顶标高，然后采用重锤轻击的方式沉桩，以减少沉桩过程中对基槽边坡的影响。

(4)刚性桩复合地基方案则通过布设刚性较大的桩（如PHC桩、钢管桩、钻孔灌注桩等），并在桩上铺设可传力的褥垫层（如碎石垫层），把上部荷载传递到桩间土和桩上的地基处理形式。刚性复合地基的桩土应力比很大（10～100）、置换率很小（1%～10%）。 刚性复合地基通过桩长和间距的调节，使隧道纵横向荷载分布相适应，这种地基处理方案能有效的控制因上部荷载较大而产生的地基沉降问题，并且能充分的发挥原始地层的承载作用，受地质条件的限制也较小，尤其适用于下卧层软弱的地基基础加固[3]。

具体施工工艺为先进行海底桩基础施工，再施工换填式复合基床，在此不再赘述。

(5)柔性复合地基通过固化剂与软土的强制搅拌，利用固化剂和软土之间的一系列物理化学反应，使软土得到加固，形成复合地基。如深层水泥搅拌及高压旋喷等。柔性复合地基的强度主要取决于固化剂与土体的接触程度，搅拌越充分，地基强度越高。通常，柔性复合地基桩土应力比在5～10左右，控沉能力很强，其置换率的变化范围较大，可适应沉管隧道纵横向荷载的变化要求，且比较容易与垫层匹配[4]。

以深层水泥搅拌桩举例，施工工艺流程如下：

①桩机就位。利用起重机或开动绞车移动深层搅拌机到达指定桩位对中。为保证桩位准确,必须使用定位卡,桩位对中误差需满足设计要求,导向架和搅拌轴应与地面垂直,垂直度的偏离也应符合设计要求。

②喷浆搅拌。开动灰浆泵,证实浆液从喷嘴喷出时,启动桩机向下旋转钻进,钻进速度、喷浆压力及喷浆量均应控制在合理范围内,

钻进喷浆成桩到设计桩长或层位后,原地喷浆半分钟,再反转匀速提升,深度误差不得大于0.5m。

③提升搅拌。搅拌头自桩底反转匀速搅拌提升,直到地面。搅拌头如被软粘土包裹时,应及时清除。

④重复钻进搅拌。按上述②操作要求进行,如喷浆量已达到设计要求时,只需复搅不再送浆。

⑤重复搅拌提升。按照上述③操作步骤进行,将搅拌头提升到地面。

⑥成桩完毕。连同③④⑤共进行3次复搅,即可完成1根搅拌桩作业,开动灰桨泵清洗管路中残存的水泥浆,桩机移至另一桩位施工另一根搅拌桩。

⑦与换填式复合基床类似，在桩顶铺填块石层和碎石层。

在复杂地质条件下的沉管隧道往往对多种基础形式进行组合使用，以满足工程要求。由于某些位置的基础形式发生变化，尽管过渡段一般有特殊构造处理，仍有可能导致地基刚度不连续，在使用过程中发生不均匀沉降，对隧道基础产生不利影响。传统的解析方法或相关的规范方法[5-7]都难以合理地分析沉管隧道基础形式改变处对周边可能造成差异沉降的影响。有限元分析方法由于其能考虑土层的分层情况、土的性质、土层开挖和基础的施工过程以及周围(如水、土等)的介质进行了相互作用关系等复杂因素，并且能够对复杂的边界条件进行分析，已成为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对进行探究。

以某拟建沉管隧道为例，在隧道入海处过渡到平整段因存在不同种类的基础结构，可能导致基础刚度不连续，发生差异沉降、影响隧道安全的危险。对此，本文通过对两个分别处于过渡段，不同地基处理形式及不同沉管埋深的典型断面：A断面 （土层挤密砂桩复合地基）、B断面（天然地基上设置块石+碎石垫层），并选用一个离过渡段较远、埋深差异较大的C断面进行对照，进行考虑土－结构相互作用的二维有限元分析，对该问题进行深入探讨。

3 平面二维有限元分析

3.1 计算方法

为真实反映施工过程中隧道地基随施工工序的变化规律而得到合理的地基刚度结果,本章节拟采用土层-结构平面分析法,选取典型断面进行施工过程的地基变形分析。而土层-结构平面分析法能否真实反应施工中土层的变化规律则很大程度上取决于所采用的土体本构关系。

为达到这一目的，下述分析采用Plaxis软件内置的Hardening Soil Model（HS模型）。该模型由SChanz提出，为双屈服面等向硬化弹塑性模型，既可适用于软土也适用于较硬土层[8]。其基本思想与Duncan-Chang模型相似，即假设三轴排水试验的剪应力q与轴向应变呈双曲线关系，但前者用弹塑性来表达，而不是像Duncan-Chang模型那样采用非线性弹性来表达。另外模型考虑了土体的剪胀性（主要针对砂土）和中性加载（静水压力作用下产生塑性应变），因而克服了DC模型的不足。与理想弹塑性模型不同，HS模型的屈服面随塑性应变而扩张。该模型采用双屈服面，因而可以同时考虑剪切硬化和压缩硬化，并采用摩尔-库伦破坏准则。经过实践证明，HS模型对于基坑开挖分析有较好的精度，近年来在工程中得到很大的应用。

3.2 荷载参数

荷载——结构模式认为围岩对结构的作用只是作为产生在结构上的荷载，包括主动的围岩压力和被动的弹性抗力,从而来计算结构在荷载作用下产生的内力和变形。该方法套用地面结构的计算模式,用传统的结构力学方法计算,适用于浅埋情况及围岩塌落而出现松动压力的情况。沉管隧道上覆土较浅，故采用该方法计算。

对于沉管结构自重，由于各处截面配筋率不一，均偏于安全考虑为26.20kN/m3；回填材料中粗砂的水下重度取12.00kN/m3，扭工字块的水下重度取18.84kN/m3；根据现行规范，汽车荷载在车道上的均布荷载为8.40kPa；碎石垫层水下重度取11.00kN/m3；而附加荷载中路面铺装为1.60kPa,隧道设施取7.22kN/m；回淤重量取15kN/m3[9-12]。

3.3 基本参数

根据当地地质勘探报告，土层自上而下分别为淤泥-淤泥质土，中砂，粘土，粉细砂，粘土，粘土夹砂，粉细砂，中砂，粘土，粉细砂，含砾细砂，中砂，含砾粗砂，全风化混合片岩，强风化混合片岩，中风化混合片岩，全风化混合花岗岩，强风化混合花岗岩，中风化混合花岗岩。隔层深度略。

且考虑到室内实验取土对土体的扰动影响，粘性土压缩模量为实验值的2～3倍。依据现行的地基处理技术规范7.2.9条规定，挤密砂桩复合地基压缩模量根据下式确定：

其中桩土应力比n取为3～5。

回填材料参数取值参照相关设计资料有限元计算中的参数，如表1所示。

表1 回填材料参数取值

3.4 有限元计算

为探究沉管隧道基础形式改变导致地基刚度差异问题，对某拟建隧道进行研究。该隧道入海段采用两种不同的地基处理形式：土层挤密砂桩复合地基及天然地基上设置块石+碎石垫层。为研究其地基基础形式改变处的刚度情况，选择靠近过渡段两个不同地基处理形式及不同沉管埋深的典型断面：A（靠近过渡段，采用土层挤密砂桩复合地基）、B（靠近过渡段，采用天然地基上换填块石+碎石垫层），并选择远离过渡段的C断面（远离过渡段且位于较深区域，采用天然地基上换填块石+碎石垫层）进行对照。对上述三个断面进行有限元计算。A、B截面下基础均作用于淤泥层上，C截面下基础作用于中砂层上。

在最终工况下 （管节两侧及顶部覆土回填），A断面计算结果见图1～3。沉管底部最终超静孔隙水压力已经基本消散完毕。沉管管底最大竖向沉降为61.34mm。

图1 A断面土体竖向位移

图2 A断面坑底竖向位移

图3 A断面土体竖向有效应力

而在最终工况下（管节两侧及顶部覆土回填），B断面计算结果见图4～6。沉管底部最终超静孔隙水压力已经基本消散完毕。沉管管底最大竖向沉降为52.09mm。

图4 B断面土体竖向位移

图5 B断面坑底竖向位移

图6 B断面土体竖向有效应力

两个断面的地基刚度可通过沉管底部有效应力/底部竖向位移得到，见图7～8。

根据计算结果中的两个截面的结构弯矩图，如图9～10，可发现，弯矩差异并不明显。即通过设计手段可使地基刚度平顺过渡，从而使上部结构的纵向内力也趋于连续。

图7 A断面地基刚度

图8 B断面地基刚度

图9 A断面结构弯矩图

图10 B断面结构弯矩图

对于远离过渡段且位于较深区域；基础作用于中砂层；采用天然地基上换填块石+碎石垫层的C断面，进行有限元分析，根据土体及坑底竖向位移、土体竖向有效应力，得到C断面的地基刚度如图11，结构弯矩图如图12。

图11 C断面地基刚度

可发现A断面经过挤密砂桩加固后，刚度仍低于采用换填法的B断面，但差异在15%左右，实现地基刚度的平顺过渡。根据相关设计材料，设计过程已考虑该问题，即微小的差异沉降而产生的附加应力对截面最大抗力 （包括正常使用极限状态和承载能力极限状态下）而言，影响较小。

图12 C断面结构弯矩图

而通过对C截面的研究分析发现，换填的块石+碎石垫层作用于刚度较大的中砂层时，地基刚度得到显著提升。因此，也证明了埋深增大，使基础直接作用于较深的土层，对地基刚度影响更为明显。

4 常用对策

设计者可通过优化基础设计的方式使基础形式改变处的过渡段刚度更为连续，具体包括以下对策。

(1)加厚块石垫层

对于挤密砂桩段与天然地基段的过渡区域，为控制基础沉降量，避免产生过大的差异沉降，实现地基刚度的平顺过渡，该区段基底软土全部挖除后采用块石换填，基础块石厚度均进行合理加厚。处理段落范围和块石抛填厚度结合实际开挖揭露的地质情况进行动态调整。

(2)布桩方式

布桩方式主要取决于基础类型、底面尺寸及两侧回填范围，平面上可采用等边三角形、方形、矩形等布置型式，不同的布桩方式可获得相同的置换率，但对桩间土的挤密作用存在差异。

(3)置换率、桩径与桩距的确定

复合地基的置换率主要与桩径和桩距有关，计算时先根据天然土的指标和加固后要达到的复合地基沉降控制目标，计算出所需的置换率，然后根据施工要求换算出相应的桩距和桩径[13]。并根据纵横向荷载与地层的变化，分区调整置换率，实现隧道纵横向沉降过渡协调。

(4)桩长的确定

复合地基加固体长度的选择应根据土层分布、隧道沉降控制目标要求等因素确定；当相对较硬土层的埋深较大时，应按地基的变形量确定桩长；在可液化地基中，桩长应考虑抗震处理深度要求。

5 结论

对于沉管隧道而言，选择合适的基础形式的主要目标是控制差异沉降，实现纵横向刚度平顺过渡。本文研究了沉管隧道基础的常用形式，详细地阐述了相应的具体施工工艺与流程。尝试通过某拟建隧道的两个不同地基处理形式及不同沉管埋深的典型断面，并选用一个离过渡段较远、埋深差异较大的断面进行对照，展开分析。过渡段的两个断面分别采用土层挤密砂桩复合地基，和天然地基上设置块石+碎石垫层的断面，而远处的对照断面也采用天然地基上设置块石+碎石垫层。最终，发现过渡段因基础形式改变而产生的地基刚度差异在15%以内，上部沉管结构的纵向内力也趋于连续，可以在荷载作用下正常工作。而增大埋深，使基础作用于较深的土层对于地基刚度提升更为明显。

在设计阶段，往往会根据纵向天然地基的刚度，在刚度开始突变的区域进行基础形式改变，以达到基础整体刚度的连续性，故该过渡范围控制沉管隧道的基础设计。随后，提出了基础优化设计的相应方法，包括加大垫层厚度、布桩方式、置换率、桩径与桩距、桩长的确定等，以供参考。不断优化基础设计，可使基础刚度更为趋于连续，以达到纵向沉降趋于协调的理想状态。

[1]莫景逸，黄晋申.挤密砂桩在海洋接岸地基加固工程中的应用［J］.水运工程,2007,31(11):123－128.

[2]余暄平，王吉云.宁波常洪隧道桩基础施工技术［J］.上海建设科技，2006，(4):53－57.

[3]陈军锋，周文旭.大连湾跨海工程沉管随道基础处理应用[A].水下隧道建设与管理技术论文集[C].2013.

[4]诸岧，徐炜家，等.上海市外环沉管隧道基础处理技术研究［J］.城市道桥与防洪，2008，(11):105－107.

[5]中华人民共和国水利部.SL191—2008,水工混凝土结构设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2008.

[6]黄绍铭,高大钊.软土地基与地下工程（第二版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[7]陈韶章.沉管隧道设计与施工［M］.北京:科学出版社，2002.

[8]（5）SCHANZ·T,VERMEER·P·A,BONNIER·P·G.The Hardening Soil model:formulation and verification[C]//Beyond 2000 in Computational Geotechnics—10 years of PLAXIS.Amsterdam:[S.N.]，1999:281－296.

[9]中国人民共和国交通运输部.JTG D60-2004,公路桥涵通用设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50009-2012,建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

[11]The Overseas Coastal Area Development Institute of Japan.Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan[S].Tokyo：Japan Ports and Harbours Association，2002.

[12]中国建筑科学研究院.JGJ79―2002,建筑地基处理技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

[13]张志刚，付佰勇，姜岩，王勇.复合地基在沉管隧道基础设计中的应用探讨［J］.广东公路交通，2012（4）：50－55.