沉管隧道深水基槽邊坡穩(wěn)定性分析研究

周云亮，韓鴻勝，田會靜，蔡 磊

（1.中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津300461；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

沉管隧道以其適應軟弱地層、造價相對較低、管段形式可通過預制靈活選擇、工期較短等諸多優(yōu)勢，越來越多地被應用于海底隧道建設工程中［1］。1993年8月我國大陸第一條大型水下隧道——珠江隧道建成，這是我國首次采用沉管法施工的隧道［2］。沉管隧道基槽邊坡的穩(wěn)定性是決定沉管隧道方案能否可行的關鍵技術之一。本文結(jié)合中交股份特大型科技研發(fā)項目“港珠澳大橋沉管隧道設計、施工及耐久性關鍵技術研究”中“深水基槽邊坡穩(wěn)定性研究”專題成果，對沉管隧道深水基槽邊坡的穩(wěn)定性及坡度選取進行了分析和評價，提出了在深水條件下沉管隧道基槽邊坡坡度確定的建議方法。

圖1 港珠澳大橋平面示意圖［3］Fig.1 Sketch of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge［3］

1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門特別行政區(qū)的大型跨海通道。海中橋隧主體工程總長約35 km，其中海底隧道長約6.5 km，圖1中東、西人工島之間為港珠澳大橋海底隧道位置。大橋建成后，將形成包括香港、澳門和廣東全省在內(nèi)的大珠三角經(jīng)濟圈，珠江流域城市、粵東西兩翼和粵北山區(qū)城市將迎來一輪新的發(fā)展機遇。沉管隧道工程作為大橋的重要組成部分，其對安全性、經(jīng)濟型、可操作性等方面的要求十分嚴格。港珠澳大橋沉管隧道采用水下疏浚施工形成沉管基槽，為沉管管段的沉放提供前提條件［3］。

港珠澳大橋工程所在的珠江口區(qū)域，自然環(huán)境多變，外部條件復雜。沉管隧道基槽疏挖工程具有以下幾個主要特點：（1）基槽挖掘深度大，最深處底高程在-40 m左右（國家85高程系統(tǒng)），開挖工程量相對較大；（2）工程區(qū)域地質(zhì)條件復雜，包括了淤泥、淤泥質(zhì)粘土、粘土、亞粘土、細粉砂、中粗砂等，對應的疏浚土級多樣復雜；（3）基槽與水流方向基本垂直，水流流速大，增加了基槽疏挖的難度，同時也會加重成槽后的回淤程度，對沉管的沉放產(chǎn)生不利的影響。

另外，環(huán)保要求、施工干擾等也是基槽疏挖工程需要面對的問題。

2 分析方法

按照我國航道工程建設的實踐，航道開挖深度不大，在滿足航道邊坡安全穩(wěn)定的前提下，從施工便利角度考慮，航道邊坡自上而下一般采用同一設計邊坡坡度。港珠澳大橋工程開挖深度大，地質(zhì)條件復雜，各土層土質(zhì)差別較大，分層明顯，為兼顧安全性和經(jīng)濟性，在保證邊坡穩(wěn)定的同時盡量減少開挖工程量，沉管基槽邊坡考慮采用變邊坡型式。

港珠澳大橋深水基槽邊坡穩(wěn)定性研究從建立基槽邊坡與土體指標關系、邊坡穩(wěn)定性理論計算、實測調(diào)研對比分析、類似工程經(jīng)驗借鑒等4個方面開展研究，分析和評價沉管隧道基槽邊坡的穩(wěn)定性，推薦合理的基槽邊坡坡度。

2.1 基槽邊坡與土體指標關系

根據(jù)地質(zhì)資料，參考航道邊坡設計規(guī)范［4］并結(jié)合基槽開挖工程實際情況，建立基槽邊坡與開挖深度以及基槽邊坡與土體指標的關系，提出不同土層、不同土質(zhì)的建議邊坡坡度。

按照土體指標，開挖范圍內(nèi)土層可分為3個大層。

第一層為海床面至海床面下9 m厚土層，為淤泥層，含水率大于55%，平均天然重度15.5 kN/m3，孔隙比介于1.58～2.5。參照規(guī)范，第一層邊坡坡度可取1：15～1：25。本層上部約5 m厚土層土體物理力學性質(zhì)較差，結(jié)合我國相關港口航道工程中同等土質(zhì)淺層邊坡緩、深層邊坡陡的建設經(jīng)驗，本層海床面下0～5 m厚土層邊坡坡度取1：25，海床面下5～9 m厚土層邊坡坡度取1：15。

第二層為海床面下9～16 m厚土層，為淤泥質(zhì)土層，含水率介于40%～56%，平均天然重度16.7 kN/m3，孔隙比介于1.1～1.5。根據(jù)本層土體指標，邊坡坡度可取 1：7～1：8。

第三層為海床面下16 m至開挖基槽底面，以粘土層為主，含水率介于22%～44%，平均天然重度18 kN/m3，孔隙比介于0.73～1.18。本層邊坡取 1：3。

根據(jù)所建立的基槽邊坡與土體指標關系，開挖范圍內(nèi)土層可采用自上而下四級變邊坡型式：海床面下0～5 m厚土層邊坡坡度取1：25，海床面下5～9 m厚土層邊坡坡度取 1：15，海床面下9～16 m厚土層邊坡坡度取1：7或1：8，海床面下16 m至基槽底面邊坡坡度取 1：3［5］。

圖2 鉆孔位置示意圖Fig.2 Sketch of drill hole position

2.2 理論計算

根據(jù)建立基槽邊坡與土體指標關系所建議的四級變邊坡型式，基槽開挖工程量大，相應地會產(chǎn)生工程造價高、工期長、施工難度大等問題。為在滿足邊坡穩(wěn)定的前提下盡量減少開挖工程量、降低工程造價，縮短工程工期，將2.1節(jié)中所建議的海床面下5～9 m厚土層采用1：15邊坡坡度調(diào)整為1：7，海床面下9～16 m厚土層邊坡坡度按1：7考慮，并根據(jù)簡單條分法理論［6-7］，采用地基計算軟件進行邊坡穩(wěn)定性計算。根據(jù)圖2所示地質(zhì)鉆探鉆孔資料，采取分層參數(shù)選取法，對地質(zhì)參數(shù)指標進行分析（表1～表3）。

根據(jù)對地質(zhì)資料的分析，確定計算分層參數(shù)取值如表4所示。通過計算，土層產(chǎn)生滑弧的最小安全系數(shù)為1.284，出現(xiàn)在土體力學性質(zhì)指標較差的9號土層。則理論上可以判定采用海床面下0～5 m厚土層邊坡坡度取1：25、海床面下5～16 m厚土層邊坡坡度取1：7、海床面下16 m至基槽底面邊坡坡度取1：3的三級變邊坡型式是可行的。

理論計算中保留上層5 m厚土層采用1：25邊坡坡度，主要是考慮到上部淤泥層強度較小，存在一定范圍的流泥，理論上應采用較緩邊坡形式，以維持上層基槽邊坡的穩(wěn)定。

表1 鉆孔1地質(zhì)資料分析表Tab.1 Analysis of geological data（Z1）

表2 鉆孔2地質(zhì)資料分析表Tab.2 Analysis of geological data（Z2）

表3 鉆孔3地質(zhì)資料分析表Tab.3 Analysis of geological data（Z3）

表4 地質(zhì)參數(shù)計算取值表Tab.4 Calculated value of geologic parameter

2.3 實測調(diào)研

為進一步分析基槽上層土體穩(wěn)定性及邊坡開挖情況，對深圳港西部港區(qū)公共航道斷面進行了實測。深圳港西部港區(qū)公共航道總長8.93 km，有效寬度210 m，航道設計邊坡坡度1：7，航道設計底高程-15.8 m（赤灣理論最低潮面）。共實測4個斷面，實測斷面位置如圖3所示，斷面三與斷面四間距500 m，其余斷面間距400 m。圖4～圖7為實測斷面與竣工時測量斷面對比分析圖，2次測量的時間間隔為半年，圖中虛線為竣工時測量斷面，實線為竣工半年后的實測斷面。

通過測量斷面圖對比分析，竣工半年后的實測斷面與竣工時測量斷面相比，航道底部存在一定的淤積，可能由上層流泥流入、軟泥坍塌或泥沙淤積所致，但整體1：7的邊坡是穩(wěn)定的。2.1節(jié)及2.2節(jié)中所建議的上部5 m厚土層取1：25邊坡坡度主要是考慮到上層軟弱土層的穩(wěn)定，在實際開挖施工時是分層進行開挖，上層塌落或流入的軟泥在進行下層施工時將被開挖清除，且在沉管沉放前也將對槽底淤土進行清理，因此，從邊坡穩(wěn)定及工程安全考慮，上層土體邊坡坡度取1：7或1：8是可行的。

2.4 類似工程經(jīng)驗分析

臨近港珠澳大橋工程處曾實施天然氣管線管溝開挖工程（圖 8），伶仃施工段總長 2 865 m，寬 10 m，邊坡 1：5，挖深-10～-22 m。處在珠江徑流與深圳灣落潮流能量匯集區(qū)，最大落潮流速2.0～2.6 m/s，幾乎與溝槽垂直。該段自然條件與本工程基本相同，可以作為參考。

但該段管溝開挖深度較港珠澳大橋沉管基槽淺，管溝內(nèi)的回淤、坍塌等情況對后續(xù)施工環(huán)節(jié)的影響比沉管隧道工程要小。因此，將1：5邊坡用于港珠澳大橋沉管基槽稍顯激進。通過測算比較港珠澳大橋沉管基槽采用1：7、1：3二級變邊坡和 1：5 一種邊坡兩種型式的開挖工程量，1：7、1：3 二級變邊坡型式的工程量略小，且其穩(wěn)定性占優(yōu)。

圖3 實測斷面位置圖Fig.3 Location of actual measurement sections

圖4 測量斷面對比圖一Fig.4 Comparison of measuring section（1）

圖5 測量斷面對比圖二Fig.5 Comparison of measuring section（2）

圖6 測量斷面對比圖三Fig.6 Comparison of measuring section（3）

圖7 測量斷面對比圖四Fig.7 Comparison of measuring section（4）

圖8 管溝開挖工程位置圖Fig.8 Location of pipe trench engineering

2.5 推薦邊坡

綜合上述分析研究，推薦海床面下0～16 m即上部淤泥及淤泥質(zhì)土層采用1：7或1：8邊坡坡度，海床面下16 m至基槽開挖底面即下部粘土層采用1：3邊坡坡度。采取該種型式基槽邊坡可以在保證邊坡穩(wěn)定性的同時，減少開挖工程量。目前正在實施的港珠澳大橋沉管隧道開挖工程采用的是自上而下1：7、1：3二級變邊坡型式［8］。

3 結(jié)論及建議

（1）因深水基槽工程條件復雜，不確定性因素多，通過單一方法分析沉管隧道深水基槽邊坡穩(wěn)定性有局限性，可通過建立基槽邊坡與土體指標關系、邊坡穩(wěn)定性理論計算、實測調(diào)研對比分析、類似工程經(jīng)驗借鑒等方式進行綜合研究，分析深水基槽邊坡的穩(wěn)定性并合理確定深水基槽開挖邊坡坡度。

（2）根據(jù)港珠澳大橋沉管埋深及地質(zhì)土層條件，基槽橫斷面邊坡采取自上而下分別為1：25、1：7或1：8、1：3的三級連續(xù)變邊坡形式是合適的，但存在上部開挖量大的缺陷。通過系列研究，推薦按自上而下1：7或1：8、1：3 兩級變邊坡形式。

（3）建議在基槽工程實施前開展試挖段工程并加以監(jiān)測，以便對設計邊坡進行相應修正。

（4）應緊密銜接基槽開挖與沉管鋪設兩道工序，槽內(nèi)回淤對沉管沉放有不利影響時，需進行清淤。同時，可考慮清除槽頂兩側(cè)一定范圍的流泥，以降低槽內(nèi)回淤程度。

［1］陳韶章.沉管隧道設計與施工［M］.北京：科學出版社，2002.

［2］李興碧，王明洋，錢七虎.沉管隧道的發(fā)展綜述與瓊州海峽的沉管隧道方案［J］.巖土工程界，2003，6（7）：7-11.LI X B，WANG M Y，QIAN Q H.Development of pipe-sinking tunnels and the pipe-sinking tunnel scheme of Qiongzhou Strait［J］.Geotechnical Engineering World，2003，6（7）：7-11.

［3］韓鴻勝，閆勇，韓西軍，等.港珠澳大橋工程方案人工島局部動床沖刷物理模型試驗研究［J］.水道港口，2012，33（1）：25-29.HAN H S，YAN Y，HAN X J，et al.Physical model study for tidal current and sediment on movable bed of the artificial islands in the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge project［J］.Journal of Waterway and Harbor，2012，33（1）：25-29.

［4］JTJ 211-99，海港總平面設計規(guī)范局部修訂（航道邊坡坡度和設計船型尺度部分）［S］.

［5］楊樹森，李孟國，韓西軍，等.港珠澳大橋沉管隧道基槽施工方案邊坡穩(wěn)定、二維潮流數(shù)模及泥沙淤積計算綜合論證分析［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2008.

［6］錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算［M］.北京：中國水利水電出版社，1996.

［7］JTS 147-1-2010，港口工程地基規(guī)范［S］.

［8］曹慧江，肖烈兵.港珠澳大橋島隧工程沉管基槽開挖回淤強度研究［J］.水運工程，2012（1）：12-17.CAO H J,XIAO L B.Back-silting of trench excavation for the immersed tunnel in Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge construction［J］.Port＆ Waterway Engineering，2012（1）：12-17.