沉管隧道基礎(chǔ)處理技術(shù)發(fā)展與展望*

謝雄耀，張乃元，周 彪

(同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092)

0 引言

沉管隧道是指將若干節(jié)預(yù)制管段依次浮運(yùn)到隧道現(xiàn)場(chǎng)沉放安裝，并在水面下將管段互相連接而成的水下通道[1]，其橫斷面一般由圖1中的幾部分組成，建造過程如圖2所示。沉管法具有埋深淺、坡度與長(zhǎng)度小、斷面自由且利用率高、施工工期短、管節(jié)預(yù)制質(zhì)量好、防水技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，由于整體比重小，加之柔性的管節(jié)接頭體系，可適應(yīng)各類地層條件。

圖1 沉管隧道典型橫斷面

圖2 沉管段典型施工工序

自美國(guó)Detroit河沉管隧道(1910)建成以來，沉管法在美國(guó)、荷蘭、日本等20余個(gè)國(guó)家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，一些典型案例如表1所示。目前我國(guó)沉管隧道建設(shè)速度和規(guī)模與日俱增，迄今已建成18條沉管隧道，包括世界最長(zhǎng)的公路沉管隧道——港珠澳沉管隧道(2017)；還有深中通道、大連灣海底隧道、廣州如意坊隧道、廣州車陂隧道、揭陽榕江新城隧道、襄陽魚梁洲隧道、香港沙中線過海隧道等多條沉管隧道正在建設(shè)中。

沉管隧道的基礎(chǔ)處理是通過水下鋪填材料實(shí)現(xiàn)海床土體與隧道結(jié)構(gòu)傳力連接的重要環(huán)節(jié)。由于沉管結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕且受到水的浮力，完工后基底處荷載相比開挖前一般會(huì)有所減小，起初工程界普遍認(rèn)為沉管隧道對(duì)地基基礎(chǔ)處理的要求較低，但事實(shí)上，基礎(chǔ)處理與隧道的沉降狀態(tài)直接相關(guān)，對(duì)運(yùn)營(yíng)的安全可靠性有重大影響。通過鋪填砂石等材料，可以避免基槽開挖后底面殘留不平整導(dǎo)致的受力不均；施作樁基礎(chǔ)可以克服基槽強(qiáng)回淤壓縮性大、天然地基過于軟弱或縱向不均勻、地震或重車造成砂土層的振動(dòng)液化等帶來的危害，加入熟料改良?jí)荷胺ɑ虿捎脡簼{法、碎石墊層、樁基礎(chǔ)等也可以降低振動(dòng)液化問題的影響，從而減少隧道的縱向不均勻沉降，以避免結(jié)構(gòu)受力集中、接頭變形過大引發(fā)開裂滲漏、接頭失效、鐵道平整度超限等嚴(yán)重事故，保障隧道的安全正常運(yùn)行和長(zhǎng)期耐久性。

自20世紀(jì)以來，Van Tongeren[2]、Lunniss和Baber[3]以及徐干成[4]、張慶賀[5]、Wang[6]等學(xué)者已經(jīng)對(duì)沉管隧道基礎(chǔ)處理的要點(diǎn)及案例進(jìn)行了許多研究。然而在實(shí)際施工中，基礎(chǔ)鋪設(shè)受到地質(zhì)、水文、航道等諸多因素影響，且水底條件下施工過程和質(zhì)量難以直接有效地觀測(cè)，誤差產(chǎn)生概率高而不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修正，因此如何合理選取基礎(chǔ)形式并保證基礎(chǔ)處理的質(zhì)量仍是目前沉管隧道施工普遍面臨的難題[7]。

1 沉管隧道基礎(chǔ)處理發(fā)展歷程與挑戰(zhàn)

1.1 沉管隧道基礎(chǔ)處理發(fā)展歷程

在百余年來沉管隧道建造的歷史中，基礎(chǔ)處理技術(shù)的發(fā)展扮演著重要角色，可根據(jù)對(duì)寬度的適應(yīng)能力劃分為前后兩個(gè)階段。

20世紀(jì)早期，伴隨著沉管法在北美地區(qū)的應(yīng)用，刮鋪法和灌砂法的發(fā)明是第1代基礎(chǔ)處理工法誕生的標(biāo)志，也是先鋪法、后填法兩類工法的開端。20世紀(jì)的先鋪法與20世紀(jì)40年代前的后填法屬于第1代工法，對(duì)底寬較小的管段尤其是北美早期圓形、八角形、花籃形鋼殼隧道較為適用，例如La Salle街隧道(1912，寬12.5m)、Posey沉管隧道(1928，直徑11.3m)采用灌砂法，第1條Hampton隧道(1957，直徑11.25m)、舊金山海灣快速交通隧道(1970，寬14.58m)采用刮鋪法。

隨著對(duì)隧道交通量的需求不斷增加，對(duì)沉管隧道管節(jié)車道數(shù)和斷面寬度的要求也相應(yīng)提高，但灌砂法的噴砂管不能將矩形寬斷面隧道中部的空隙充填密實(shí)，刮鋪法裝置對(duì)底寬15m以上的管段刮平所需設(shè)備的規(guī)模和牽引力過大，第1代工法對(duì)斷面寬度大的隧道基礎(chǔ)施工存在困難。為克服這一缺陷，第2代基礎(chǔ)處理工法得以發(fā)明并廣泛應(yīng)用，其中噴砂法最早由一家丹麥公司在第1座矩形混凝土沉管隧道——荷蘭Maas河沉管隧道(1942，寬24.77m)建設(shè)中提出，碎石整平法(Scrader)是一家荷蘭承包商在Oresund海峽隧道(1999，寬38.8m)施工中發(fā)明的，它們很好地適應(yīng)了矩形混凝土管段對(duì)寬斷面施工的需求，有力地推動(dòng)了沉管隧道形式從圓形鋼殼為主到矩形混凝土為主的變革，使沉管隧道的車道數(shù)量和斷面利用率大大提高，在此后的工程中被廣泛采用。

在跨越斷面寬度的限制后，為減小施工對(duì)通航影響、降低震動(dòng)液化危害、提升基礎(chǔ)表面精度、減輕回淤影響及降低成本等，第二代工法不斷得到改進(jìn)。荷蘭Vlake隧道(1975)建設(shè)中為進(jìn)一步解決門式臺(tái)架占用航道、費(fèi)用昂貴的問題，發(fā)明了設(shè)備更簡(jiǎn)易的壓砂法；日本東京港第一航道水底道路隧道(1976)建設(shè)中將灌注填料由砂改為砂漿，實(shí)現(xiàn)了抗震性能的提升，形成了壓漿法；碎石整平法施工船舶的定位、拋石、整平、檢測(cè)設(shè)備及施工管理系統(tǒng)等不斷優(yōu)化升級(jí)。

表1 世界典型沉管隧道工程

樁基礎(chǔ)也屬于沉管隧道基礎(chǔ)的特殊工法，在鹿特丹地鐵隧道(1968)、寧波常洪隧道(2002)等少數(shù)地基條件過差、回淤?gòu)?qiáng)烈及震動(dòng)液化影響嚴(yán)重的隧道中取得了較好的效果。日本衣浦港隧道(1973)等工程中還曾使用向囊袋內(nèi)注漿充填管底的灌囊法，但該方法已基本被壓漿法取代，灌漿囊袋構(gòu)造現(xiàn)多用于輔助樁基礎(chǔ)與管段連接。

綜上所述，在交通功能需求與工程安全、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)等因素的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過技術(shù)發(fā)展演變歷程，目前基礎(chǔ)處理工法已形成了以碎石整平法、壓砂法、壓漿法為主流，以樁基礎(chǔ)形式為有效補(bǔ)充的格局。

1.2 沉管隧道基礎(chǔ)處理的問題與挑戰(zhàn)

施工期的基槽回淤、基礎(chǔ)層的材料特性、管底與基礎(chǔ)層間未充滿的間隙等對(duì)隧道沉降具有重要影響，基礎(chǔ)處理不當(dāng)往往是過大沉降的直接原因。目前世界范圍內(nèi)許多現(xiàn)役沉管隧道都出現(xiàn)了較嚴(yán)重的不均勻沉降：加拿大Deas Island隧道(1959)施工期間南北兩端分別發(fā)生了95，100mm的沉降；比利時(shí)Scheldt隧道(1969)建成11年后沉降最大達(dá)186mm；美國(guó)Baytown隧道(1953)建成7年后沉降達(dá)到450mm，兩端與中部沉降差約300mm，接頭處過大的扭轉(zhuǎn)造成鋼殼破裂漏水[8]；截至1997年，美國(guó)Fort McHenry隧道(1985)、Ted Williams隧道(1995)發(fā)生了150mm左右的不均勻沉降，第1座Hampton隧道(1957)、第2座Hampton隧道(1976)施工完成后不均勻沉降更是高達(dá)400mm[9]。許多現(xiàn)役沉管隧道因此需開展后期維修，耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力且影響正常交通。

在引起基礎(chǔ)質(zhì)量問題的諸多原因中，又以施工期間管底清淤和水下檢測(cè)的困難最為突出。施工期基礎(chǔ)層中夾雜的淤泥往往是沉管隧道工后沉降過大的重要原因，對(duì)基礎(chǔ)質(zhì)量的影響是致命的。但許多工程經(jīng)驗(yàn)表明，即使進(jìn)行多次清淤，由于強(qiáng)回淤水域淤積速率過快，很難可靠地保證基礎(chǔ)質(zhì)量不受回淤影響。比利時(shí)Scheldt隧道(1969)基槽回淤?gòu)?qiáng)度遠(yuǎn)超預(yù)計(jì)值，形成了厚達(dá)數(shù)米的淤泥層，在管節(jié)側(cè)面采用的擋淤帷幕也被回淤滲透。上海外環(huán)隧道(2003)從基礎(chǔ)完工到通車前，E7管段的兩端已分別發(fā)生了310，65mm的過量沉降，E6-1管段兩端發(fā)生了255，152mm的沉降，其主要原因就在于浚挖與清淤技術(shù)的限制導(dǎo)致強(qiáng)烈回淤無法有效清理，嚴(yán)重影響了砂基礎(chǔ)的質(zhì)量[10]；通車后16年內(nèi)接頭最大沉降達(dá)287.3mm，引發(fā)了嚴(yán)重的病害問題(見圖3)，目前亟待全面大修。兩座Hampton隧道和上海外環(huán)隧道的沉降沿隧道縱向的空間分布如圖4所示。

圖3 外環(huán)隧道典型病害

圖4 Hampton隧道與外環(huán)隧道沉降空間分布

寧波甬江隧道(1995)所在水域河床回淤非常強(qiáng)烈，施工時(shí)開發(fā)了專用的回淤設(shè)備且多次清淤，但由于基槽回淤速度很快、清淤效果檢測(cè)難度較大，加之清淤設(shè)備限制及排淤位置不夠合理，管段沉放時(shí)管底淤泥層無法完全清除，E5管節(jié)下甚至有近60m長(zhǎng)的基槽因淤泥較厚而未進(jìn)行基底拋石，基礎(chǔ)內(nèi)夾雜的大量淤泥受力壓縮是隧道后期發(fā)生較大沉降的主要原因[11]。此外，甬江隧道拋石層平整度及厚度控制精度差，加之基槽土的不規(guī)則超挖與沖擊擾動(dòng)，隧道截至2018年8月最大沉降91.1mm，運(yùn)營(yíng)后多次進(jìn)行大修，設(shè)計(jì)人員曾考慮利用底板原注漿孔對(duì)各管段進(jìn)行局部注漿，以控制不均勻沉降的發(fā)展。

監(jiān)測(cè)檢測(cè)不準(zhǔn)確、不及時(shí)所引起的基礎(chǔ)施工質(zhì)量問題也很多，以我國(guó)3項(xiàng)沉管隧道工程為例：①珠江隧道施工中，由于起初沒有采取嚴(yán)格措施對(duì)砂積盤的形成進(jìn)行監(jiān)控，灌砂壓力監(jiān)測(cè)時(shí)壓力表讀數(shù)擺動(dòng)不定且不準(zhǔn)確，水平儀的監(jiān)測(cè)頻率對(duì)管段高程判斷不夠及時(shí)，結(jié)果導(dǎo)致發(fā)生E1管段被抬升達(dá)150mm的嚴(yán)重事故。②上海外環(huán)隧道施工時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了管段高度，對(duì)E7管段在抬高1mm的情況下立即停止壓砂，導(dǎo)致其基礎(chǔ)密實(shí)度和充滿度不夠，隨后對(duì)E6-1管段有意頂高一定量卻發(fā)現(xiàn)墊層密實(shí)度和充滿度更好。③南昌紅谷隧道灌砂量、泵壓以及升降量均顯示已完成時(shí)，發(fā)現(xiàn)砂積盤仍有可能半徑不足或充盈度不達(dá)標(biāo)[12]。

鑒于基礎(chǔ)處理技術(shù)存在的這些問題與挑戰(zhàn)，目前碎石整平施工技術(shù)的主要發(fā)展方向是改良升級(jí)施工工藝裝備，集成應(yīng)用新的水下測(cè)量、質(zhì)量檢測(cè)、自動(dòng)控制及清淤技術(shù)，以提升碎石整平高程精度、施工速度和清淤效果；后填法施工技術(shù)的主要發(fā)展方向是研發(fā)有效的回淤控制技術(shù)和水下無損監(jiān)測(cè)檢測(cè)方法，提高基礎(chǔ)層的質(zhì)量。

2 沉管隧道基礎(chǔ)處理研究與發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 沉管隧道基礎(chǔ)處理方法特點(diǎn)對(duì)比

目前沉管隧道基礎(chǔ)處理各工法的主要特點(diǎn)和對(duì)比情況如表2所示。其他工法還有水下混凝土法、沉箱法、橋臺(tái)法等，但應(yīng)用較少。

2.2 先鋪法基礎(chǔ)施工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

整平精度、施工效率與清淤能力的提高始終是先鋪法施工技術(shù)追求的目標(biāo)，對(duì)管段沉放和穩(wěn)定具有直接影響，如圖5所示。而施工裝備的更新升級(jí)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)最主要的途徑。早期刮板船的改進(jìn)重在克服水流和潮汐對(duì)施工的影響；近半個(gè)世紀(jì)以來，整平裝備經(jīng)過框架式、坐底式、平臺(tái)船式、步履式等不同類型的演變，目前各國(guó)重大工程中廣為采用的是多功能平臺(tái)式深水拋石整平船，其施工質(zhì)量和速度的不斷提升不僅有賴于船體尺寸的增加、構(gòu)件加工的精細(xì)，更離不開實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)定位與自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)與集成應(yīng)用。舊金山海灣快速交通隧道(1970)碎石表面采用激光測(cè)量監(jiān)控，精度為±80mm；日本衣浦港隧道(1973)為表面質(zhì)量檢測(cè)研發(fā)了超聲波裝置；香港Mass Transit隧道(1979)整平精度提升至±50mm；resund海峽隧道(2000)施工裝備不僅創(chuàng)新采用Scrader工法打破了施工寬度15m的局限，且整平精度達(dá)到±40mm，首次采用GPS定位，并將拋石整平管集成于船體；韓國(guó)Busan沉管隧道(2010)整平系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟硬件結(jié)合，從人工操作升級(jí)為數(shù)控集成操作[13]。

我國(guó)內(nèi)地在整平裝備領(lǐng)域起步較晚，但經(jīng)過框架式整平機(jī)、坐底式整平船、“青平2號(hào)”漂浮式整平船前三代技術(shù)的發(fā)展和積淀后，為港珠澳沉管隧道和深中通道施工自主研發(fā)的第四代核心裝備“津平1號(hào)”、第五代核心裝備“津平2號(hào)”高精度深水拋石整平船已打破荷蘭公司在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，成為目前世界上最大、最先進(jìn)的碎石整平船。

表2 沉管隧道基礎(chǔ)處理工法對(duì)比

圖5 碎石基床整平精度與管底淤泥影響

港珠澳沉管隧道“津平1號(hào)”最大的創(chuàng)新在于高精度施工測(cè)控管理系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。其“硬件”部分由船體平臺(tái)、樁腿、臺(tái)車、拋石管等組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。施工中影響碎石基礎(chǔ)整平精度的因素有很多，包括船體定位、船身撓度與傾斜度、拋石管位置與垂直度、拋石料位高度、基槽海水流速等。為確保整平精度達(dá)到要求，“津平1號(hào)”的施工測(cè)控管理系統(tǒng)集成采用了多項(xiàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制技術(shù)，在施工全過程中除了水底聲吶實(shí)時(shí)測(cè)量顯示基礎(chǔ)表面高程外，對(duì)以上施工質(zhì)量的影響因素均通過GPS設(shè)備、傾斜儀、全站儀、激光測(cè)距儀等進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、反饋與控制[14]，如圖7所示。在海床最大水深50m條件下，最終整平表面精度±40mm合格率達(dá)到94.42%，并創(chuàng)造了最高精度壟間高差2mm的世界紀(jì)錄。

圖6 港珠澳沉管隧道碎石整平船

圖7 “津平1號(hào)”整平與監(jiān)測(cè)控制技術(shù)

“津平2號(hào)”相比“津平1號(hào)”最大的技術(shù)進(jìn)步在于鋪設(shè)效率的進(jìn)一步提升，使之成為目前世界最大最先進(jìn)的自升平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船。港珠澳沉管隧道建設(shè)中，“津平1號(hào)”單個(gè)船位碎石鋪設(shè)整平作業(yè)范圍為48m×25m，長(zhǎng)180m的管段基礎(chǔ)需移動(dòng)7～8個(gè)船位、最快歷時(shí)8d左右完成；而“津平2號(hào)”的船體和月池尺寸更大，單個(gè)船位施工面積可達(dá)2 500m2，臺(tái)車運(yùn)行速度也提高至最大5m/min，因此整平速度相比“津平1號(hào)”提升了1倍，每4個(gè)船位即可完成深中通道單個(gè)管段165m拋石整平作業(yè)，用時(shí)僅3～4d，極大縮短了工期。而基床鋪設(shè)用時(shí)越短，其間沉積的淤泥總量就越少，因此可更好地解決基槽回淤?gòu)?qiáng)烈的困難，提高基礎(chǔ)施工質(zhì)量。其施工系統(tǒng)同樣配備了GPS系統(tǒng)、聲吶與光學(xué)測(cè)量?jī)x器聯(lián)動(dòng)進(jìn)行質(zhì)量控制，且全面實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，鞏固了我國(guó)在沉管隧道基礎(chǔ)施工領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

為解決管底回淤層引起隧道不均勻沉降的問題，近年來我國(guó)研究人員圍繞港珠澳沉管隧道、深中通道建設(shè)開展了較多的研究。除縮短整平時(shí)間外，工程人員已研發(fā)了許多碎石基床清淤專用裝備，如“津平1號(hào)”臺(tái)車上裝備了清淤系統(tǒng)，是世界第1艘自清淤平臺(tái)式拋石整平船；國(guó)內(nèi)首艘專用清淤船“捷龍輪”在港珠澳工程完工后，經(jīng)過改良又投入深中通道施工中，其定位裝置升級(jí)使清淤頭高程控制誤差達(dá)到厘米級(jí)精度。但即使是在基床鋪設(shè)完成到管段沉放的短時(shí)間內(nèi)基槽內(nèi)也會(huì)不斷發(fā)生泥砂淤積。為減小這部分回淤的不利影響，歷史上美國(guó)Fort McHenry隧道(1987)施工曾通過管段沉放時(shí)的姿態(tài)調(diào)整，迫使淤泥從兩側(cè)擠出并通過氣升式吸淤排除；港珠澳沉管隧道(2017)和深中通道施工時(shí)，在槽底設(shè)置強(qiáng)夯拋填塊石層、調(diào)整碎石級(jí)配、加大壟溝寬度，以增強(qiáng)納淤能力。通過基床整平與管節(jié)沉放的時(shí)間間隔，可以有效降低這一時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的回淤量，而深中通道工程中研發(fā)的世界第1艘自航浮運(yùn)安裝一體船“津安1號(hào)”正是通過大大加快管段運(yùn)輸和沉放安裝速度減少了淤積的影響，其誕生標(biāo)志著海底沉管隧道施工進(jìn)入智能化時(shí)代。

2.3 后填法基礎(chǔ)施工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

縱觀第2代后填法施工技術(shù)發(fā)展歷史，從早期的噴砂法到后期的灌囊法、壓砂法、壓漿法，始終具有簡(jiǎn)化設(shè)備工藝、降低成本并提高質(zhì)量的趨勢(shì)。

起初由于噴砂法獨(dú)具寬斷面施工能力，采用這一工法的沉管隧道工程很多，如荷蘭Benelux隧道(1967)、比利時(shí)Rupel隧道(1982)、德國(guó)Elbe隧道(1974)、英國(guó)Conwy隧道(1991)、我國(guó)香港西區(qū)海底隧道(1997)等。荷蘭Benelux隧道(1967)的噴砂系統(tǒng)如圖8所示，在管段頂部架設(shè)高出水面的行走門式臺(tái)架，噴砂管從臺(tái)架上方伸入管底空隙，門式臺(tái)架上的砂泵通過噴砂管將砂水混合料注入管段底部，隨著噴砂管的移動(dòng)填滿管底與基槽間的空隙。但噴砂法的門式臺(tái)架設(shè)備干擾航道運(yùn)輸、成本高昂，工程人員為克服這一問題發(fā)明了壓砂法。

圖8 Benelux隧道噴砂系統(tǒng)

我國(guó)第1條沉管隧道廣州珠江隧道(1993)即采用壓砂法，在管段底板預(yù)先設(shè)置壓砂孔和管道，待沉放后首先利用四角的千斤頂調(diào)節(jié)管底空隙高度，砂泵通過壓砂管道和壓砂孔沿管段依次沉放的方向向管底空隙壓入砂水混合料，隨著砂粒在水中擴(kuò)散沉積的厚度、直徑與密實(shí)度不斷增加，各相鄰壓砂孔的砂盤之間連接重疊形成砂墊層。千斤頂卸載后，管段荷載由砂墊層承擔(dān)，再進(jìn)行壓砂孔的最終封堵。壓砂法施工中只需砂泵和壓砂管，不需要采用門式臺(tái)架和浮吊，因此成本相比噴砂法降低。

灌囊法和壓漿法都采用砂漿作為基礎(chǔ)材料，但灌囊法是向預(yù)埋于管底的囊袋中注漿，工藝較復(fù)雜，囊袋費(fèi)用也較高；壓漿法則是先對(duì)基槽超挖并鋪設(shè)碎石層，管段沉放后沿周邊堆積砂石對(duì)管底空間進(jìn)行封閉，壓漿設(shè)備通過預(yù)埋在管段底板上的壓漿孔從隧道內(nèi)向管底空隙壓入混合砂漿。由于施工設(shè)備更易于采購(gòu)，壓漿法的成本比壓砂法更低，砂漿的特性使之兼具更好的納淤、抗震、減沉性能。

以上各類工法的施工設(shè)備在發(fā)展歷史中也有一些改進(jìn)。例如，壓砂法最初是從管內(nèi)注砂，底板需預(yù)留灌砂孔并利用球閥反向止水，隨著球閥磨損管段可能進(jìn)水；荷蘭Hemspoor隧道(1980)中發(fā)明的管外壓砂將灌砂管預(yù)埋在結(jié)構(gòu)墻板內(nèi)或固定在管壁外側(cè)，不需要在底板上設(shè)止水球閥，從而避免了管底滲水的風(fēng)險(xiǎn)，如圖9所示，但采用駁船會(huì)受到潮汐水流和航運(yùn)的限制。高雄公路隧道(1984)、澳洲悉尼港隧道(1992)、上海外環(huán)隧道(2003)等隧道均采用了管外壓砂。

圖9 Hemspoor隧道管外壓砂系統(tǒng)

當(dāng)前后填法施工質(zhì)量的關(guān)鍵和技術(shù)發(fā)展的重難點(diǎn)主要包括施工期間的管底回淤防治和水下基礎(chǔ)狀態(tài)檢測(cè)兩方面，這也是控制基礎(chǔ)沉降量的兩大關(guān)鍵。

產(chǎn)生管底回淤的因素有很多，如水體原有的大量泥沙、基槽斷面的加寬、復(fù)雜的水動(dòng)力條件、施工船對(duì)水流的擾動(dòng)、周邊采砂洗砂的影響等。為了應(yīng)對(duì)回淤極為不利的影響，國(guó)外Volbeda[15]等和國(guó)內(nèi)徐干成[4]等學(xué)者較早地系統(tǒng)闡述了基槽回淤的成因、后果和控制措施。歷史上工程人員已開發(fā)了許多清淤方法及裝備：比利時(shí)Scheldt隧道(1969)創(chuàng)新利用噴砂法的噴管向外噴水進(jìn)行清淤[8]；荷蘭Spijkenisse地鐵隧道(1984)采用噴管噴氣清除淤泥；德國(guó)Ems隧道(1989)施工時(shí)為清除淤泥而采用了專門的刮泥裝置；寧波甬江隧道(1995)施工將單臺(tái)氣升式吸泥器清淤方案升級(jí)為沖吸法清淤，研發(fā)了包含高壓水泵、氣升式吸泥器的專用清淤設(shè)備，如圖10所示，同時(shí)采用擋板將清淤區(qū)和非清淤區(qū)隔開，還設(shè)計(jì)了一套專用的拋石整平設(shè)備以減少基礎(chǔ)施工時(shí)間[16]；上海外環(huán)隧道(2003)施工中采用“快挖、快沉、快壓砂”的方式，用絞吸船改造的設(shè)備進(jìn)行事先清淤，并對(duì)部分管段管側(cè)分段拋石擋泥以減少流向基槽的淤泥，未拋石區(qū)段采用管側(cè)氣升抽泥疏通管側(cè)通道、促使砂盤均勻擴(kuò)散[10]；天津海河隧道(2011)施工時(shí)采用由低往高注漿、先中孔后邊孔的之字形注漿順序，以確保管底回淤向管外排擠出去；此外還有形成泥漿-水泥膠凝混合體、擾動(dòng)回淤物、土工布或鋼蓋板隔絕等方法。但工程實(shí)踐表明，目前技術(shù)尚未能徹底解決后填法基礎(chǔ)在強(qiáng)回淤水域的基槽清淤難題，提升清淤效果依然是未來基礎(chǔ)施工需重點(diǎn)發(fā)展突破的方向，亟須進(jìn)行更多相應(yīng)的研究。

圖10 甬江隧道開發(fā)的清淤設(shè)備

后填法基礎(chǔ)在施工過程中始終處于管底與基槽之間，無法直接進(jìn)行觀察與檢測(cè)。壓砂法施工中，需通過監(jiān)測(cè)并控制管段標(biāo)高(抬升量)、灌砂壓力、管底坡度、支承千斤頂頂力等參數(shù)，防止管段被砂層抬高或發(fā)生傾斜；還需通過控制調(diào)節(jié)砂水比、砂流速度與混合料密度等，避免灌砂孔堵塞或促使砂粒沉積。對(duì)砂墊層形成狀態(tài)和密實(shí)情況的判斷是停泵和保證質(zhì)量的關(guān)鍵，可通過監(jiān)測(cè)壓砂方量、千斤頂頂力、灌砂壓力、管段標(biāo)高及上下浮動(dòng)、灌砂與未灌砂孔的壓力差，或觀察相鄰壓砂孔砂流的冒出情況、潛水觀測(cè)管段兩側(cè)砂層上翻高度等，判斷砂盤形成狀態(tài)。Van Tongeren[2]、陳韶章[17]、潘永仁[10]、姚怡文[12]等都依托實(shí)際工程對(duì)以上傳統(tǒng)方式進(jìn)行了研究，提出了一些控制指標(biāo)和檢測(cè)方法。壓漿法施工中為確保漿液擴(kuò)散情況達(dá)到設(shè)計(jì)要求并避免管段發(fā)生過大上抬，需對(duì)水體重度、壓漿量、漿液性能指標(biāo)、注漿口壓力、千斤頂壓力、管段標(biāo)高和傾斜坡度、管底壓力、壓漿層厚度和密實(shí)度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過以上指標(biāo)及周邊觀察孔或壓漿孔判斷漿液充填擴(kuò)散狀態(tài)，并據(jù)此采取補(bǔ)注漿等調(diào)整措施。

然而，要對(duì)基礎(chǔ)形成狀態(tài)作出實(shí)時(shí)準(zhǔn)確判斷、保證基礎(chǔ)質(zhì)量達(dá)到充填密實(shí)并防止管段上抬，以上傳統(tǒng)指標(biāo)體系只能進(jìn)行間接判斷，存在一定的偏差，以壓砂法為例：①潛水觀測(cè)是一項(xiàng)重要的檢查方法，但只能看到側(cè)面砂層溢出的情況，必須以墊層內(nèi)部已經(jīng)密實(shí)為前提，且判斷的正確性受水質(zhì)可見度影響較大；②需要將各指標(biāo)聯(lián)合才能進(jìn)行判斷，例如灌砂量是壓砂完成的間接指標(biāo)之一，但單孔的灌砂量接近預(yù)估值并不能說明砂盤形成，必須同時(shí)密切注意管段是否抬高、灌砂壓力是否增大，因此容易發(fā)生誤判；③待管段荷載施加后再根據(jù)下沉量判斷的方法有一定的滯后性，如不滿足要求只能采取事后補(bǔ)救措施。因此，如何在施工過程中進(jìn)行合理的監(jiān)測(cè)與檢測(cè)以滿足質(zhì)量要求，是工程界一直關(guān)注和研究的主題。

近年來，我國(guó)工程人員開始將一些無損檢測(cè)方法應(yīng)用于沉管隧道基礎(chǔ)質(zhì)量檢測(cè)中，結(jié)果表明其相對(duì)傳統(tǒng)方法更為準(zhǔn)確、及時(shí)?；诜鹕綎|平隧道(2016)、南昌紅谷隧道(2017)等壓砂法隧道，車愛蘭[18]、王海龍[19]等利用沖擊映像法、全波場(chǎng)法、瑞雷面波法等無損方法對(duì)一些室內(nèi)模型或現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)層進(jìn)行了監(jiān)測(cè)檢測(cè)。針對(duì)壓漿法施工，沈永芳[20]、李科[21]等采用探地雷達(dá)、表面波法、全波形反演法等對(duì)甬江隧道(1995)、天津海河隧道(2011)、舟山沈家門港隧道(2014)的壓漿基礎(chǔ)層進(jìn)行了探測(cè)試驗(yàn)。以上研究對(duì)無損方法和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的效果進(jìn)行了對(duì)比，初步說明了無損方法的有效性，但這些方法目前多用于追溯工后沉降過大的原因或施工前的模型試驗(yàn)，而在實(shí)際施工中的應(yīng)用效果、缺陷和改進(jìn)方向還有待進(jìn)一步研究和實(shí)踐檢驗(yàn)。

2.4 沉管隧道樁基礎(chǔ)施工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

樁基礎(chǔ)工法的關(guān)鍵在于樁頂與管節(jié)的有效連接，施工中的重點(diǎn)在于預(yù)制精度、沉樁精度的控制，包括樁頂標(biāo)高、樁位位移與樁身垂直度等，一般可通過全站儀、經(jīng)緯儀等進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè)監(jiān)控。然而目前采用的單樁樁頂標(biāo)高調(diào)整技術(shù)仍然存在一定難度，調(diào)整過程占用航道時(shí)間較長(zhǎng)，無法確保所有樁頂與管節(jié)接觸，故需采用特殊連接工法保證各樁承力均勻，例如水下混凝土、可調(diào)樁頂、管底注漿等[3]。

2.5 沉管隧道地形地質(zhì)勘查技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

除了基礎(chǔ)處理技術(shù)本身，水下地形地質(zhì)勘查的完整性與準(zhǔn)確性也是決定沉管隧道基礎(chǔ)選型和沉降預(yù)測(cè)控制水平的重要因素。現(xiàn)有的水下地形測(cè)量技術(shù)主要包括電磁波定位測(cè)量、光學(xué)定位測(cè)量、衛(wèi)星定位(GPS-RTK，GPS-PPK)測(cè)量、聲波(聲吶掃射、多波束測(cè)深)測(cè)量等，其中水下聲吶目前應(yīng)用最多；地質(zhì)勘查技術(shù)包括水上地震勘探、聲吶淺層剖面勘探等物探方法，鉆探方法，以及靜(動(dòng))力觸探試驗(yàn)、標(biāo)貫試驗(yàn)等原位測(cè)試方法。有條件時(shí)，如采用鉆孔聯(lián)合物探、原位測(cè)試、攝像或多項(xiàng)物探技術(shù)相結(jié)合的勘察方法，可以一定程度上提高準(zhǔn)確度。但目前在深水和厚覆蓋層影響下，鉆探要達(dá)到底板以下1.5～2.0倍管底寬度較為困難，且只能獲得點(diǎn)狀的少量數(shù)據(jù)；現(xiàn)有的物探方法在水域的施工作業(yè)也存在難度，且尚無法準(zhǔn)確測(cè)得隧道沿線的地層分布情況[22]。因此，沉管隧道地質(zhì)勘探的精確程度相比陸上隧道更低，漏勘、成果失真等導(dǎo)致地質(zhì)條件不確定性風(fēng)險(xiǎn)較高，進(jìn)而導(dǎo)致隧道基礎(chǔ)選型和沉降控制的難度增大[23]。

3 沉管隧道基礎(chǔ)處理技術(shù)未來展望

對(duì)上述研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行匯總可以發(fā)現(xiàn)，沉管隧道基礎(chǔ)處理技術(shù)未來總體上需繼續(xù)沿著數(shù)字化、信息化、智能化的方向發(fā)展，進(jìn)一步提高基礎(chǔ)施工質(zhì)量，從而更好地控制隧道的沉降。具體可包括以下幾方面。

1)加強(qiáng)基礎(chǔ)施工期基槽回淤控制研究。特別注意結(jié)合水域情況進(jìn)行基槽淤積機(jī)理研究和回淤特征分析，開展清淤模型試驗(yàn)充分驗(yàn)證清淤效果，開發(fā)回淤監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)技術(shù)及先進(jìn)、高效的清淤設(shè)備，研究墊層快速施工、基礎(chǔ)施工與清淤一體化等技術(shù)。尤其對(duì)于壓漿法、壓砂法基礎(chǔ)，其納淤能力弱，沉降量受回淤影響大，且隱蔽于已沉放的管段下方，清淤設(shè)備和方法開發(fā)的難度更大，需對(duì)此開展更多相應(yīng)的研究。

2)進(jìn)一步探究實(shí)時(shí)無損監(jiān)測(cè)檢測(cè)方法的應(yīng)用效果。近年來我國(guó)針對(duì)后填法基礎(chǔ)質(zhì)量的無損監(jiān)測(cè)檢測(cè)方法進(jìn)行了大量的探索，是目前沉管隧道施工技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域和方向。但只有海河隧道、紅谷隧道等少數(shù)工程在施工中采用無損檢測(cè)，多數(shù)工程仍然采用可靠性不足的傳統(tǒng)指標(biāo)。對(duì)以上新興檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，還有待在未來的工程建設(shè)中進(jìn)一步研究、檢驗(yàn)和推廣。

4)研發(fā)更先進(jìn)的水下勘察測(cè)繪儀器和方法。充足的水下地形與地質(zhì)條件信息是合理進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)、基礎(chǔ)選型的重要前提，亟需提升相應(yīng)的勘測(cè)技術(shù)，獲取更加準(zhǔn)確、完整的水下地層狀態(tài)。

5)多方面提升沉管隧道基礎(chǔ)沉降控制水平。例如采用樁基礎(chǔ)是減少沉管隧道沉降最有效的方式之一，可以作為沉管隧道沉降控制的主要方向，但仍有待進(jìn)一步研究和應(yīng)用；對(duì)于沉降量與基礎(chǔ)施工操作、施工參數(shù)之間的關(guān)系，有必要開展更深入系統(tǒng)的研究，提出減少不均勻沉降的施工控制措施；沉降監(jiān)測(cè)可以采取埋置智能光纖材料等新方法，對(duì)地基基礎(chǔ)內(nèi)部沿深度各層的沉降分布狀態(tài)進(jìn)行分析，更好地探明沉管隧道地基基礎(chǔ)沉降的機(jī)理與規(guī)律，同時(shí)可設(shè)置自動(dòng)化預(yù)警裝置，一旦地基沉降量超限即及時(shí)報(bào)警。