臨近既有地鐵隧道條件下沉管隧道施工試驗(yàn)分析及優(yōu)化研究

呂 洋, 高永壽

(1.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300123； 2.河南科技大學(xué), 河南 洛陽 471000)

0 引言

沉管隧道作為一種跨越海峽的水下構(gòu)筑物，因其施工工期短，施工成本低，節(jié)約建筑材料等諸多優(yōu)點(diǎn)被建設(shè)單位喜愛[1-2]。沉管隧道作為一種預(yù)制管節(jié)拼裝施工的水下構(gòu)筑物，對(duì)地基強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性相比山嶺隧道有更為嚴(yán)格的要求。砂流法是將沉管固定在預(yù)先放置的起到臨時(shí)支撐作用的鋼筋混凝土墊塊上，然后利用壓力泵將砂堆中砂水混合體經(jīng)加壓處理后，通過旋轉(zhuǎn)的噴射嘴灌入管節(jié)底部，形成高強(qiáng)地基[3-4]。為了探究注砂過程中砂積盤物理形態(tài)隨時(shí)間發(fā)展關(guān)系，以便精確控制注砂時(shí)間，提高沉管基礎(chǔ)質(zhì)量，本文利用試驗(yàn)的方法分析了砂積盤的邊界效應(yīng)，并在廣州國際創(chuàng)新城金光東隧道施工中提出改進(jìn)措施，提高了隧道基礎(chǔ)施工創(chuàng)新城質(zhì)量。

1 砂流法概述

1.1 兩相流理論

兩相流是指在將砂水混合物利用壓力泵壓入沉管隧道底部時(shí)，混合物中的砂礫和水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)存在明顯的差異性，根據(jù)混合物中砂礫含量、改為粒徑大小將砂水混合物分為牛頓型均勻混合物和非牛頓懸浮體兩類[5-7]。

對(duì)于牛頓型均勻混合體施工過程中要以混合物的粘度為施工主要控制指標(biāo)，其有效粘度計(jì)算公式如式(1)所示。

ηe=η[1+2.5C+O(C2)]

(1)

式中：η為實(shí)際測量粘度；C為砂礫的濃度。

而非牛頓懸浮體中固相顆粒相比牛頓型均勻混合體[8]，其中的固體顆粒濃度高、顆粒粒徑小，因此施工中對(duì)于此類混合體要從流體應(yīng)力出發(fā)，嚴(yán)格控制流體中應(yīng)力，其應(yīng)力張量計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中：T為應(yīng)力張量；η為實(shí)際測量粘度；A為一階Rivlin-Ericksen張量。

1.2 施工概述

砂流法是一種處理沉管隧道硬質(zhì)地基的常用方法[9]。砂流法的工作原理如圖1所示，其核心是利用砂泵的壓力，將預(yù)先準(zhǔn)備的流砂壓入沉管隧道基礎(chǔ)底部，形成砂性墊層以填補(bǔ)地基和隧道管節(jié)間的空隙，砂流法施工的優(yōu)缺點(diǎn)如下:優(yōu)點(diǎn)有造價(jià)低、施工期間不影響正常航運(yùn)、原材料要求低、施工周期短;缺點(diǎn)有施工工藝較為復(fù)雜、可能帶來較大沉降。

圖1 砂流法工作原理Figure 1 Principle of sand flow method

2 砂流法試驗(yàn)研究

2.1 金光隧道概況

廣州國際創(chuàng)新城金光東隧道工程位于番禺區(qū)，是珠江兩岸大學(xué)城與南岸起步區(qū)聯(lián)系的主要通道。線路位于地鐵四號(hào)線下游(距離約275m)、與其平行，工程起于規(guī)劃金光東大道與光業(yè)大道交叉路口以北RK0+380，下穿珠江終于大學(xué)城外環(huán)路東西兩側(cè)接地點(diǎn)，里程分別為RK3+090、LK2+810，左右線分別長2430、2710m。工程具體位置見圖2。

圖2 工程位置示意圖Figure 2 Schematic diagram of project location

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

為了模擬砂流法的施工參數(shù)，以金光隧道中段管節(jié)為研究對(duì)象，建立了試驗(yàn)水池和管節(jié)底板按1∶1的施工尺寸進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其尺寸示意圖如3所示，其中模型板與試驗(yàn)水池間用混凝土試塊墊高，兩者空隙保持1 m以模擬實(shí)際施工中基槽深度，試驗(yàn)場地如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)區(qū)平面示意Figure 3 Plan of test area

圖4 試驗(yàn)場地Figure 4 Test site

砂流法是利用壓力泵將砂水混合物壓入管節(jié)底板下部，因此試驗(yàn)中要對(duì)水泵及砂泵的輸水和輸砂效率加以控制，其工程參數(shù)如下：水泵、砂泵管徑均15 cm，水泵流量336 m3/h，砂泵流量150～450 m3/h。

壓力作為一種砂流法控制的關(guān)鍵指標(biāo)[10]，試驗(yàn)中測量的壓力包含兩種，一種是傳輸系統(tǒng)的水壓力，另一種是模型板底部與試驗(yàn)水池坑槽的水壓力，通過在噴砂管轉(zhuǎn)彎處及模型板底部處噴射終端安裝壓力傳感器測試壓力，模型底板壓力傳感器安裝平面位置示意及試驗(yàn)如圖5所示。

(a)平面位置示意(b)試驗(yàn)中壓力傳感器

砂積盤是砂流法中的施工核心[11]，砂積盤的物理形態(tài)是施工控制的關(guān)鍵。因此本試驗(yàn)特別設(shè)計(jì)了砂積盤形態(tài)探測系統(tǒng)以測量砂積盤在地基沖砂過程中的發(fā)展。測量系統(tǒng)是由底部的壓力觸探板豎直探桿及上部探桿固定裝置組成，其實(shí)物裝置如圖6中(a)所示，探桿平面安裝如圖6中(b)所示。探桿距離模型板中心孔處距離如表1所示。

(a)實(shí)物裝置

(b)探桿平面安裝

根據(jù)相關(guān)研究[12-13]，試驗(yàn)中砂水比及基槽深度是影響砂積盤形態(tài)的兩個(gè)重要參數(shù)，而砂水比在1∶7到1∶9之間，基槽深度在0.9～1.1 m之間，砂積盤在沉管底板填充均勻，砂基盤與底板的空隙最小，因此本試驗(yàn)選取砂水比1∶8，基槽深度1 m，探究砂基盤物理形態(tài)隨時(shí)間變化情況。砂流法中砂的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)砂土地基的整體力學(xué)性質(zhì)影響較大，因此對(duì)試驗(yàn)用砂按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行了試驗(yàn)分析，相關(guān)參數(shù)指標(biāo)如下：表觀密度2.635 g/m3，有效粒徑0.25 mm,連續(xù)粒徑0.43 mm,限定粒徑0.85 mm,自然休止角33.7°，由此可知試驗(yàn)用砂滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 探桿平面距離Table 1 plane distance of probe rod軸號(hào)不同編號(hào)探桿平面距離/m12345678X1.02.13.13.94.95.86.67.6Y1.12.13.13.9L2.13.14.15.1N1.02.13.24.25.26.27.28.1M1.12.13.15.16.17.18.19.1

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由探桿布置平面圖及試驗(yàn)平面圖可知，各探桿處砂積盤高度變化不是同步的，圖7給出了從X軸到M軸5條坐標(biāo)軸上各個(gè)點(diǎn)處砂積盤高度變化，由于基槽深度為1 m，因此砂盤峰值為100 cm。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)測點(diǎn)的砂盤高度與時(shí)間曲線可以分為平直線段、斜直線段、平直線段三部分。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一坐標(biāo)軸而言，隨著探桿與灌砂孔水平距離的增加，圖中斜直線前段的水平直線長度也增加，表明灌砂開始時(shí)間后延。由圖中第三段平直線可以看出，隨著時(shí)間的增加，砂積盤高度并未增加，而是呈直線發(fā)展，表明此處砂基盤高度發(fā)展已趨于穩(wěn)定，而砂積盤只向半徑方向延伸。大部分探桿處砂積盤的最大高度在96cm左右，部分測點(diǎn)處在90cm左右，表明砂基盤與模型底板處空隙的存在，且空隙深度存在一定的差異性，導(dǎo)致這種差異的原因可能是水池底部基礎(chǔ)的不均勻，從施工角度分析，認(rèn)為砂積盤高度在90cm以上對(duì)砂積盤的高度驗(yàn)收為合格，因此本次砂流法施工試驗(yàn)達(dá)到了工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 砂積盤高度發(fā)展曲線

在某點(diǎn)處探桿高度初始升高時(shí)刻認(rèn)為砂基盤半徑已經(jīng)延伸到該點(diǎn)，基于此定義繪制了如圖8所示砂積盤半徑隨時(shí)間變化曲線。

圖8 砂積盤半徑發(fā)展曲線Figure 8 Radius development curve of sand accretion disk

從圖8可以在半徑小于3.5m時(shí)，各條坐標(biāo)軸上曲線幾乎處于重合狀態(tài)，表明砂基盤在注砂孔向四周是均勻發(fā)展的，當(dāng)砂積盤半徑大于3.5m時(shí)，曲線發(fā)生了明顯的差異，X軸與N軸曲線斜率增大，表明半徑增長相同條件下兩個(gè)方向所用時(shí)間相對(duì)較長。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是在小半徑條件下，砂積盤半徑發(fā)展的邊界條件效應(yīng)并不明顯，隨著半徑的增大，長邊方向邊界效應(yīng)顯著，半徑擴(kuò)散速率降低。

3 金光東隧道地基處理施工優(yōu)化

在對(duì)以上試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，本文認(rèn)為由于金光東沉管隧道單段管節(jié)底面積較大，底板長短邊之間差值較大，因此注砂過程中尺寸效應(yīng)會(huì)更加明顯，砂積盤施工質(zhì)量控制更加困難，因此，金光東隧道施工過程中采用了如圖9所示的交錯(cuò)式布置灌砂孔方式。

圖9 交錯(cuò)式布置灌砂孔Figure 9 Staggered arrangement of sand filling holes

為了消除邊界效應(yīng)對(duì)砂積盤形態(tài)影響，除合理布置灌砂孔外，要采用合理施工方案。金光東隧道施工中主要采用以下施工措施以消除管節(jié)的邊界效應(yīng)。 ①采用對(duì)稱施工，選取隧道中線為對(duì)稱軸，采用對(duì)稱灌注方法，其施工順序?yàn)?#→2#→4#、6#→3#→5#、7#。②內(nèi)外聯(lián)通，從試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，邊界效應(yīng)使得砂積盤形態(tài)發(fā)展受到影響，不利于施工，因此保持內(nèi)外水域聯(lián)通，有利于消除邊界條件影響。③嚴(yán)格控制灌砂參數(shù)，減少不同孔砂盤疊加?？刂乒嗌皦毫Αr(shí)間，防止砂盤疊加形成新的邊界條件影響施工質(zhì)量。

4 結(jié)論

砂流法施工周期短、造價(jià)低、施工期間不影響正常航運(yùn)，因此在沉管隧道地基處理中應(yīng)用越來越廣泛。本文以金光東沉管隧道地基處理為例，分析了流砂法地基處理的理論基礎(chǔ)，并用試驗(yàn)的方法分析了施工中砂積盤高度及半徑的變化規(guī)律，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)金光東隧道施工進(jìn)行了優(yōu)化，主要得出以下結(jié)論：

a. 砂積盤高度與灌砂時(shí)間曲線呈現(xiàn)平直線、斜直線、平直線三段式，且同一軸線上隨著探測點(diǎn)與灌砂孔距離的增加，第一段平直線變長；從最后一段的平直線分析，砂積盤高度均大于90cm且保持穩(wěn)定，滿足施工控制要求。

b. 當(dāng)不同軸線上測點(diǎn)距離灌砂孔小于3.5m時(shí)，砂積盤向四周擴(kuò)散是均勻的，當(dāng)砂積盤半徑超

過3.5m后，砂積盤半徑擴(kuò)展速率的邊界效應(yīng)顯著，長邊方向半徑發(fā)展速率降低。

c. 為了消除灌砂過程中的邊界效應(yīng)，金光東隧道采用對(duì)稱施工、內(nèi)外水域聯(lián)通及嚴(yán)格控制灌砂參數(shù)的方法。