沉管隧道地基回彈與再壓縮計(jì)算分析

史興浩，謝 遠(yuǎn)

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

作為水下隧道的一種，沉管隧道以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于穿越江河湖海等水下工程建設(shè)領(lǐng)域[1]。雖然沉管結(jié)構(gòu)自身較為穩(wěn)定，但由于其沿縱向所處的海水深度與基底土層物理力學(xué)性質(zhì)的不連續(xù)性，使得基礎(chǔ)的沉降特征與一般的地面建筑物截然不同。港珠澳大橋沉管隧道由于管節(jié)數(shù)量多、埋置深度大、上覆回淤荷載大、下臥軟弱基礎(chǔ)厚，對(duì)地基的要求較高，因此，控制基礎(chǔ)的回彈與再壓縮沉降量就成了工程建設(shè)的重中之重?；A(chǔ)的回彈與再壓縮問(wèn)題不僅影響著施工進(jìn)度而且對(duì)工程構(gòu)筑物的后期安全運(yùn)營(yíng)具有顯著作用。工程建筑物地基的回彈與沉降控制不僅需要控制最大變形量,而且需要控制整體變形量與回彈再壓縮變形量之間的變形差。合理分析和判斷工程建筑物在不同階段下地基的變形量,在保障工程建筑物在使用年限里的安全使用以及保證基礎(chǔ)構(gòu)件之間的連接質(zhì)量、縮短建設(shè)時(shí)間等方面具有十分積極的作用[2]，研究沉管隧道在不同階段的沉降變化規(guī)律就顯得尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究沉管隧道的沉降問(wèn)題中已經(jīng)取得了較為豐富的研究成果。丁文其[3]等通過(guò)基于地層-結(jié)構(gòu)法的沉管隧道建模方法得出回淤土荷載對(duì)沉降變形的影響范圍；陳韶章[4]等對(duì)比了先鋪法和后填法兩類基礎(chǔ)墊層處理方法對(duì)沉降的影響；謝雄耀[5]等對(duì)甬江沉管隧道的長(zhǎng)期沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,提出了基于流-固耦合理論的有限元方法計(jì)算沉管隧道的長(zhǎng)期沉降；穆保崗[6]等提出根據(jù)卸荷比的大小分段考慮回彈模量的參數(shù)取值，對(duì)再壓縮模量取為定值來(lái)確定沉管隧道開(kāi)挖卸荷最大影響深度；隗建波[7]等探討了壓砂法對(duì)沉管隧道基礎(chǔ)沉降的影響；魏綱[8-9]等采用土體回彈模量計(jì)算地基土層的沉降。實(shí)際工程地質(zhì)情況復(fù)雜，以上的研究成果在具體分析港珠澳大橋沉管隧道的沉降問(wèn)題當(dāng)中具有一定的局限性。因此，以港珠澳大橋沉管隧道天然地基某斷面為研究對(duì)象，采用有限元計(jì)算模型模擬實(shí)際施工過(guò)程中的基槽開(kāi)挖、基底壓砂、下放沉管、回填及最終回淤等施工階段，以展現(xiàn)其基槽開(kāi)挖和回填回淤階段下基底豎向變形分布情況，為實(shí)際施工以及地基處理方案提供理論依據(jù)。

1 工程概況

港珠澳大橋主體工程采用橋梁與隧道相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，其中島隧工程為其控制性工程。海底隧道全長(zhǎng)約為6.7 km，施工工藝采用沉管法，沉管段從K6+961～K12+751，由33節(jié)巨型沉管和一個(gè)合龍段最終接頭構(gòu)成，管節(jié)長(zhǎng)度自東向西90 m+90 m+180×30 m+79 m(總長(zhǎng)5 659 m)，是迄今為止世界上最長(zhǎng)的海底隧道，且具有基槽開(kāi)挖深度大、沉管管節(jié)長(zhǎng)、水深大、上覆回淤荷載大、下覆地基土層軟弱且不均勻、沉管管節(jié)接頭處受力復(fù)雜以及施工困難等特點(diǎn)。地質(zhì)斷面及地理位置如圖1、圖2所示。

建模所取工程地質(zhì)斷面位于港珠澳大橋沉管隧道天然地基段E12處，土層分布自上而下分別為淤泥13m、粉質(zhì)黏土6.8 m、黏土夾砂子9.7 m、黏土7.8 m、中砂5.7 m及粗粒砂31.1 m，海床面高程為9.3 m，基槽開(kāi)挖深度為35.78 m。碎石墊層級(jí)配良好，粒度適中且不含雜物，含泥量低于3%，最大粒徑小于3 mm[10]。

圖1 地質(zhì)剖面圖

2 有限元計(jì)算

應(yīng)用MIDAS軟件,對(duì)所選取的斷面分別建立基槽開(kāi)挖、鋪設(shè)砂石墊層、下放沉管、管頂回填回淤等施工模型，并運(yùn)行工況得到回彈量與再壓縮量。

2.1 模型材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料以及室內(nèi)土工試驗(yàn)資料，不同土層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)工程相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃資料選擇沉管、回填土和砂墊層的計(jì)算參數(shù)，如表2所示[7]。

圖2 地理位置圖

土層泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)浮密度/(kg·m-3)壓縮模量/MPa回彈模量/MPa再壓縮模量/MPa淤泥0．4307．219．9680黏土0．4006028．876024粉質(zhì)黏土0．4005430．084023．69159．9684．98黏土夾砂0．2965018．587025．54145．6997．73中砂0．2962037．8103034．26粗粒砂0．2901838．3110040．8

表2 回填土及沉管計(jì)算參數(shù)

2.2 模型建立

應(yīng)用MIDAS軟件建立模擬初始固結(jié)-基槽開(kāi)挖-回填回淤等計(jì)算模型。對(duì)于模型中的原始土層，采用彈塑性的本構(gòu)關(guān)系—莫爾·庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則進(jìn)行定義。砂墊層、沉管以及回填土采用彈性結(jié)構(gòu)，分別定義原始土層、沉管、回填土和砂墊層等9種材料和屬性，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在模型的左右兩側(cè)施加水平方向的邊界約束，在底部施加豎直方向上的邊界約束。采用對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行激活鈍化并修改相應(yīng)單元屬性的方式來(lái)對(duì)整個(gè)施工階段進(jìn)行模擬，在模擬開(kāi)挖階段前，將土體的自重應(yīng)力場(chǎng)視為初始應(yīng)力場(chǎng)。

2.3 施工階段模擬

在定義施工階段時(shí)，先沿y軸方向進(jìn)行基槽開(kāi)挖，然后對(duì)基槽開(kāi)挖底部鋪設(shè)砂石墊層，下放沉管，最后回填回淤。

圖3 斷面網(wǎng)格劃分圖

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 回彈變形特性分析

圖4為所選斷面在開(kāi)挖后基礎(chǔ)底面豎向回彈位移云圖。由圖4可知，基槽開(kāi)挖后土層整體產(chǎn)生豎向回彈，其中最大回彈量為4.3 cm，在開(kāi)挖基槽底部的中點(diǎn)處，并且其回彈量隨著土層厚度的加深而逐漸減小，最后趨于0。同時(shí)在斷面兩側(cè)邊界上出現(xiàn)了一定程度的壓縮現(xiàn)象，這是由于土體的開(kāi)挖卸荷使得作用在開(kāi)挖基槽表面處的附加應(yīng)力減小為零，兩側(cè)土體在重力的作用下產(chǎn)生了類似于“滑坡”的效果。

圖5為所選斷面在開(kāi)挖后的基底回彈位移圖。由圖5可知，在開(kāi)挖結(jié)束后，基槽底部的回彈量分布形態(tài)呈拱形，基槽兩側(cè)坡腳邊緣處的回彈量最小，而基槽中心處的回彈量最大，這是因?yàn)樵诨坶_(kāi)挖后，兩側(cè)土體在自身重力作用下向中間侵入所致。

圖4 基底回彈位移云圖(單位：cm) 圖5基槽底部回彈位移

圖6為所選斷面在基槽兩端坡腳邊緣處和基槽底部中心處沿豎直方向向下不同深度的基底回彈位移分布曲線。由圖6可知，基槽底部中心與開(kāi)挖邊緣坡腳以下的回彈量沿深度分布的變化規(guī)律基本一致，并且相對(duì)于總的回彈量而言，二者之間的差值較小。地基回彈主要發(fā)生在開(kāi)挖面以下一定范圍內(nèi)，并且隨著土層厚度的加深，地基回彈影響的范圍逐漸降低。因?yàn)樗x取斷面的地基土層分布相對(duì)均勻，所以兩條曲線以較小的差值均勻分布。

圖7為所選斷面在回填回淤后基礎(chǔ)底面再壓縮位移云圖。與基槽開(kāi)挖階段相比，回淤完成后，基槽開(kāi)挖線兩側(cè)的隆起量由大變小。基槽開(kāi)挖線底部與洗管基底隆起現(xiàn)象也得到了一定程度緩解，隆起值開(kāi)始下降。

圖6 回彈量沿深度分布

圖8為回填后的基底再壓縮位移值分布圖。由圖8可知，沉管左右兩側(cè)邊墻處的再壓縮量相對(duì)于中隔墻處而言較大，這是由沉管結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)和左右兩側(cè)填土對(duì)沉管邊墻的下拉作用所導(dǎo)致的。再壓縮量的平均值為1.5 cm，回淤完成后，最大沉降量為1.8cm，開(kāi)挖面對(duì)應(yīng)豎向位移值均減小，但未達(dá)到負(fù)值，表明地基土在一定范圍內(nèi)發(fā)生再壓縮變形，但再壓縮變形量并未完全抵消上一階段的回彈量。

圖9為所選斷面在基槽兩端坡腳邊緣處和基槽底部中心處沿豎直方向向下不同深度的基底回彈位移分布曲線。由圖9可知，基底邊緣處和基底中心點(diǎn)處再壓縮后位移值隨深度變化的分布規(guī)律基本一致，兩者之間的差值也較小，并且隨著地基深度的增加，再壓縮后的位移值逐漸趨向于零。

圖7再壓縮位移云圖(單位：cm)圖8基槽底部再壓縮位移

4 結(jié)論

(1)基槽開(kāi)挖后基底回彈變形曲線呈拱形， 回彈量的峰值位于基底中心處，所對(duì)應(yīng)的回彈量為4.3 cm。管頂碎石回填后基底的再壓縮變形呈拋物線形分布，再壓縮量的最大值位于沉管結(jié)構(gòu)兩側(cè)的邊墻處為1.5 cm。這些都是沉管隧道中較為危險(xiǎn)的區(qū)域，在施工過(guò)程中需要加強(qiáng)對(duì)此區(qū)域的監(jiān)控量測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，并提出合理的解決方案；

(2)隨著回淤的最終完成，基槽開(kāi)挖線處以及基槽底部的隆起值均有所減小；

(3)基地回彈量與再壓縮變形量均隨深度的增大而減??；

圖9 再壓縮量沿深度分布

(4)數(shù)值模擬可在一定程度上反映施工過(guò)程當(dāng)中可能遇到的不利情況，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際施工有著極為重要的意義。

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