后鋪法灌砂基礎(chǔ)沉管隧道沉管差異沉降原因分析及對策

歐偉山，王雪剛

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510220；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

隨著全國乃至全球經(jīng)濟的發(fā)展，水下互通立交已成為城市灣區(qū)現(xiàn)代化綜合交通運輸體系的重要組成部分，而水下隧道是實現(xiàn)水下互通立交的有效結(jié)構(gòu)形式。國內(nèi)先后建成及開工的沉管隧道有10 多條，但沉管隧道的基礎(chǔ)沉降，特別是差異沉降問題一直是個難題[1-4]。

國內(nèi)最早建成通車的廣州黃沙沉管隧道，5節(jié)管節(jié)基本上連續(xù)安裝，安裝間隔期約30 d，沉管基礎(chǔ)墊層采用灌砂基礎(chǔ)，其地基是巖質(zhì)地基。施工監(jiān)測結(jié)果顯示廣州黃沙沉管隧道管節(jié)基礎(chǔ)沉降不大，差異沉降也不明顯。2003年建成的上海外環(huán)越江沉管隧道，基礎(chǔ)墊層也是采用灌砂基礎(chǔ)，但地基為沖積層地基，施工監(jiān)測結(jié)果顯示沉管基礎(chǔ)沉降量大，基礎(chǔ)差異沉降也較大，以致對沉管接頭的剪切鍵造成了不利影響。2015年建成通車的廣州洲頭咀隧道，施工中發(fā)現(xiàn)E2 沉管與E3 沉管基礎(chǔ)因不連續(xù)安裝等原因引起的差異沉降較大，如趨勢繼續(xù)發(fā)展，可能危及接頭的安全，施工中參考相關(guān)沉管隧道工程經(jīng)驗[1，5-7]，及時采取了針對性應(yīng)對措施。

本文針對洲頭咀沉管隧道E2 和E3 沉管因安裝時間間隔2 a 引起的差異沉降問題，進行了差異沉降機理分析和探討，得出了針對洲頭咀沉管不連續(xù)安裝引起的差異沉降問題的針對性解決方案，并在相關(guān)差異沉降分析方法基礎(chǔ)上進行了總結(jié)[2，8-11]，為后續(xù)同類工程施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

廣州洲頭咀隧道工程是連接海珠區(qū)與荔灣區(qū)芳村之間的一條過江通道，工程全長約3 253 m，包含江中段、江中兩側(cè)暗埋段、敞開段等。其中江中沉管段340 m，共分4 節(jié)管節(jié)，每節(jié)管節(jié)長度約85 m，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)截面尺寸31.4 m×9.68 m（寬×高）。江中沉管隧道采用軸線干塢法施工，沉管管節(jié)分2 次在干塢預(yù)制，沉管基礎(chǔ)采用后鋪法灌砂基礎(chǔ)，最終接頭設(shè)在E3 與E4 沉管之間。江中沉管段平面布置見圖1 所示。

圖1 江中段沉管隧道平面布置示意圖Fig.1 Plane layout of the immersed tube tunnel in the middle section of the river

1.2 施工時間節(jié)點

江中段隧道各沉管主要工序施工時間如表1所示。

表1 江中段隧道各沉管主要工序施工時間Table 1 Main working procedure construction time of each immersed tube of tunnel in the middle section of the river

1.3 沉放安裝精度

管節(jié)的安裝順序為E1、E2、E4、E3，其中E1 管節(jié)與海珠側(cè)暗埋段對接，E2 管節(jié)與E1 管節(jié)對接，E4 管節(jié)與芳村側(cè)暗埋段對接，最終接頭設(shè)置于E3 沉管與E4 沉管之間。沉管的安裝對接精度如表2 所示。

表2 洲頭咀隧道沉管安裝精度Table 2 Installation accuracy of immersed tube in Zhoutouzui Tunnel mm

2 基礎(chǔ)沉降及原因分析

2.1 后鋪法灌砂基礎(chǔ)沉降量

對于巖質(zhì)地基的灌砂基礎(chǔ)，在拆除垂直千斤頂及鼻托后，其沉降一般在30 d 內(nèi)趨于穩(wěn)定。在管內(nèi)壓載施工及管頂回填施工期間，會各有10 mm左右的沉降量，最大累計沉降量約為70 mm。佛山汾江沉管隧道基礎(chǔ)最大沉降發(fā)生在E4 沉管，其基礎(chǔ)累計沉降76 mm；廣州侖頭—生物島沉管隧道基礎(chǔ)最大沉降在E1 沉管，其累計沉降70 mm。而軟土地基（沖積層）的灌砂基礎(chǔ)穩(wěn)定需更長時間，可長達數(shù)月，沉降量也比較大，可達300 mm。

2.2 差異沉降的原因分析

2.2.1 基礎(chǔ)沉降觀測數(shù)據(jù)

洲頭咀隧道4 節(jié)沉管的地基都是巖基，管節(jié)沉放前基槽進行了清淤處理，灌砂過程也在嚴(yán)格的監(jiān)控中進行，基礎(chǔ)灌砂的施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求。E1、E2 沉管基礎(chǔ)沉降觀測開始時間為2012年6 月18 日，結(jié)束時間為2014年7 月8 日，時間跨度約2 a，E3、E4 沉管因后續(xù)施工影響觀測時間跨度較短。灌砂基礎(chǔ)沉降觀測顯示，沉降量符合預(yù)期，在正常范圍內(nèi)。沉管沉降監(jiān)測結(jié)果如表3。

表3 洲頭咀隧道沉管沉降監(jiān)測結(jié)果Table 3 Monitoring results of immersed tube settlement in Zhoutouzui Tunnel mm

2.2.2 沉降數(shù)據(jù)分析

E3 與E2 沉管沉放安裝時間相差約2 a，在安裝E3 管節(jié)時，E2 沉管的灌砂基礎(chǔ)沉降早已穩(wěn)定。另外，E3 沉管對接端的安裝高差為北側(cè)-45 mm，南側(cè)-25 mm（負(fù)值表示E3 沉管對接端低于E2 沉管尾端），而E3 沉管基礎(chǔ)灌砂后的沉降量預(yù)估值達50～70 mm。因此，極端情況下E3 沉管可能會出現(xiàn)對接端低于E2 管節(jié)尾端115 mm，這會使E2沉管與E3 沉管間的接頭處于危險之中。圖2 為管節(jié)接頭狀況圖。

圖2 E2 沉管和E3 沉管接頭狀況圖Fig.2 Condition diagram of E2 and E3 immersed tube joint

E2 與E3 沉管接頭高差過大，將產(chǎn)生以下后果：

1） GINA 止水帶損壞或局部脫離E2 沉管的對接面，造成接頭漏水。

2）如為了防止E3 沉管繼續(xù)沉降而過早安裝接頭垂直剪切鍵，會使垂直剪切鍵受力過大，以致造成垂直剪切鍵損壞。

3 沉降應(yīng)對措施

3.1 采取的應(yīng)對措施

為了預(yù)防以上情況的發(fā)生，E3 沉管基礎(chǔ)灌砂完成后，采取了以下措施：

1）在E2 沉管鼻托梁的混凝土結(jié)構(gòu)垂直剪切鍵上安置2個3 000 kN 和1個5 000 kN 的液壓千斤頂，使E3 沉管沉降過程處于受控狀態(tài)，液壓千斤頂布置如圖3 所示。

圖3 液壓千斤頂布置示意圖Fig.3 Diagram of hydraulic jack arrangement

2）操作液壓千斤頂，使3個液壓千斤頂?shù)捻斄Ω鳛?00 kN，同時監(jiān)測E3 沉管的基礎(chǔ)沉降，分析GINA 止水帶與端鋼殼對接面的位置關(guān)系。當(dāng)監(jiān)測結(jié)果顯示E3 沉管基礎(chǔ)沉降趨于穩(wěn)定時，3個液壓千斤頂繼續(xù)保持100 kN 受力，安裝沉管接頭兩外側(cè)墻的鋼剪切鍵及橡膠支座，然后再拆除液壓千斤頂，澆筑中隔墻的混凝土結(jié)構(gòu)垂直剪切鍵；如果分析結(jié)果顯示GINA 止水帶壓接面下緣與端鋼殼對接面下翼板之間的距離已達到25 mm，則鎖住液壓閥門，不再調(diào)整液壓千斤頂?shù)氖芰ΑＪ┕ぶ袘?yīng)該盡早安裝鋼剪切鍵及橡膠支座，然后再拆除液壓千斤頂，澆筑中隔墻的混凝土結(jié)構(gòu)垂直剪切鍵。

3）為增大沉管接頭的垂向抗剪能力，在接頭底板的混凝土水平剪切鍵位置上增設(shè)剪力桿，布置及結(jié)構(gòu)簡圖如圖4 所示。

圖4 剪力桿平面布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of shear bar layout

4）對鋼剪切鍵進行受力監(jiān)測，分析評估接頭的安全性。對鋼剪切鍵進行實體建模，采用結(jié)構(gòu)軟件分析建立鋼剪切鍵頂部壓力與應(yīng)力關(guān)系曲線。鋼剪切鍵及其橡膠支座安裝完成后，在鋼剪切鍵上選取特征位置安裝應(yīng)變片，監(jiān)測其應(yīng)力，并由應(yīng)力-壓力關(guān)系曲線得出鋼剪切鍵的頂部壓力。

3.2 鋼剪切鍵監(jiān)測結(jié)果

鋼剪切鍵監(jiān)測時間為2014年12 月13 日—2015年5 月21 日，此時E2—E3 沉管中隔墻千斤頂已拆除，E2—E3 沉管水平剪切鍵于2014年12月18 日完成混凝土澆筑，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5 所示。鋼剪切鍵應(yīng)力-頂面壓力監(jiān)測結(jié)果表明，自2015年3 月27 日—5 月21 日，E2、E3 沉管間北側(cè)側(cè)墻中鋼剪切鍵荷載未出現(xiàn)異常情況，數(shù)據(jù)平穩(wěn)，無明顯波動，鋼剪切鍵頂面壓力最大值930 kN。因此可以認(rèn)為：E2、E3 沉管基礎(chǔ)沉降已穩(wěn)定；而鋼剪切鍵設(shè)計允許荷載為2 400 kN，E2 與E3 沉管間的接頭鋼剪切鍵是安全的。

圖5 E2-E3 沉管接頭側(cè)墻鋼剪切鍵頂面壓力監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Monitoring results of top surface pressure of steel shear key on side wall of E2 to E3 immersed tube joint

4 結(jié)語

后鋪法灌砂基礎(chǔ)的差異沉降現(xiàn)象比較普遍，也是無可避免的。但應(yīng)控制基礎(chǔ)總沉降量，避免產(chǎn)生過大差異沉降?；趪鴥?nèi)沉管隧道灌砂基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)，以及廣州洲頭咀隧道灌砂基礎(chǔ)差異沉降的處理實例，主要結(jié)論如下：

1）廣州洲頭咀隧道項目E2 與E3 沉管基礎(chǔ)不同步沉降問題的應(yīng)對措施，有效監(jiān)控了E3 沉管基礎(chǔ)沉降、穩(wěn)定過程，保證了E2 與E3 沉管接頭施工的質(zhì)量和安全。

2）E2、E3 沉管側(cè)墻鋼剪切鍵近5個月的監(jiān)測結(jié)果以及隧道近6 a 的良好運營情況，都證明E2 與E3 沉管基礎(chǔ)不同步沉降問題得到有效解決，E2 與E3 沉管接頭施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

3）采用臨時墊塊方式沉放安裝管節(jié)，墊塊基床清淤施工需徹底。

4）管節(jié)沉放安裝前，沉管基槽需重視清淤檢查，確?；矍逵儋|(zhì)量滿足要求。

5）必須保障灌砂基礎(chǔ)的施工質(zhì)量。

6）相鄰兩節(jié)沉管沉放安裝間隔時間不宜過長，最好不超過30 d。如受條件限制無法避免，應(yīng)通過調(diào)整鼻托梁支撐座的標(biāo)高預(yù)抬高后安裝的沉管。沉管對接端接頭預(yù)抬高量約50 mm 為宜，且安裝標(biāo)高誤差宜取正值。

7）沖積層地基的沉管隧道基礎(chǔ)應(yīng)慎重采用未經(jīng)地基加固的灌砂基礎(chǔ)。