鄭學(xué)平， 萬　超， 吳　剛， 沈永芳， 周恩先， 江劍琴

(1. 南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司， 江西 南昌　330000；2. 上海交大海洋水下工程科學(xué)研究院有限公司， 上?！?00231)

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沉管隧道基礎(chǔ)灌砂管底壓力的監(jiān)測試驗研究

鄭學(xué)平1， 萬超1， 吳剛2，*， 沈永芳2， 周恩先2， 江劍琴1

(1. 南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司， 江西 南昌330000；2. 上海交大海洋水下工程科學(xué)研究院有限公司， 上海200231)

為確保沉管隧道的工程質(zhì)量，對沉管隧道基礎(chǔ)灌砂施工進行實時監(jiān)測十分必要。通過沉管隧道等比例灌砂模型試驗，探索一種新的基礎(chǔ)灌砂施工的實時監(jiān)測方法——基于管底壓力監(jiān)測系統(tǒng)及其分析方法，并對不同工況下灌砂過程中管底壓力的變化狀況進行研究。研究表明： 1)最先灌砂孔在灌砂過程中不同方位同間距的底板壓力呈現(xiàn)完全類似的變化規(guī)律，底板壓力呈波浪型起伏而逐漸增大，該變化對應(yīng)砂積盤的形成與消散狀況； 2)結(jié)合觀察窗的觀測結(jié)果，可確定砂積盤擴展的壓力門檻值； 3)先期灌砂孔對后期灌砂孔的底板壓力影響明顯，致使其不同方位底板壓力變化更大、更復(fù)雜，后期灌砂砂積盤形成的壓力大于前期灌砂砂積盤所形成的壓力。

紅谷隧道； 沉管法； 基礎(chǔ)灌砂； 管底壓力； 監(jiān)測試驗

0　引言

灌砂法已成為當(dāng)前沉管隧道基礎(chǔ)處理的主要施工方法之一。由于基礎(chǔ)灌砂在水下實施，砂基礎(chǔ)的質(zhì)量直接關(guān)系到沉管隧道的工程質(zhì)量與建成后隧道的安全運營，故對沉管隧道基礎(chǔ)灌砂施工進行實時監(jiān)測顯得尤為必要。

目前，沉管隧道基礎(chǔ)灌砂施工的監(jiān)測，常用以下方法： 1) 砂量控制，即根據(jù)基槽深度及沉放后管段底部高程估算管段的灌砂量。2)出口壓力監(jiān)測，即通過監(jiān)測灌砂過程中砂泵出口壓力判斷管段是否處于臨界頂高狀態(tài)。3)管內(nèi)位移測量，即在管內(nèi)測量管段標(biāo)高的變化來判定灌砂充實度是否達到要求。4)潛水探摸，即由潛水員下水探摸砂盤的形成及周圍砂孔的充砂情況。

由于上述方法的局限性,在灌砂施工中面臨著無法實時監(jiān)測砂積盤的形成及其變化狀態(tài)，從而易導(dǎo)致灌砂孔堵孔以及基礎(chǔ)未充分填充，無法為停止灌砂提供相應(yīng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)(依據(jù))等問題。因此，建立基礎(chǔ)灌砂施工新的實時監(jiān)測系統(tǒng)與方法，已成為沉管隧道研究領(lǐng)域迫切期待解決的難題之一。近年來，國內(nèi)專家學(xué)者結(jié)合具體沉管隧道工程開展了灌砂模擬試驗研究，取得了相應(yīng)研究成果。陳韶章等[1]闡述了珠江隧道沉管段基礎(chǔ)設(shè)計、施工方案的選擇以及砂墊層基礎(chǔ)的幾個關(guān)鍵問題，介紹了首次在國內(nèi)開展沉管隧道灌砂模型試驗和砂墊層抗液化試驗研究成果； 杜朝偉等[2]對沉管法施工的關(guān)鍵技術(shù)之一的基礎(chǔ)處理方法進行了歸納與分析對比； 黎志均[3]介紹了珠江隧道工程大比尺(10 m×10 m)基礎(chǔ)灌砂試驗及其研究成果； 諸岧等[4]介紹了灌砂法原理以及上海外環(huán)沉管隧道基礎(chǔ)處理的試驗內(nèi)容； 王光輝等[5]系統(tǒng)介紹了生物島—大學(xué)城沉管隧道灌砂模型試驗，通過試驗?zāi)M灌砂過程，尋找各參數(shù)之間的相互關(guān)系，對原設(shè)計灌砂配合比進行了驗證分析； 鄭愛元等[6]對廣州生物島—大學(xué)城隧道沉管基礎(chǔ)灌砂的主要參數(shù)進行了研究，通過灌砂模擬試驗對灌砂施工的主要參數(shù)進行了驗證分析； 袁偉耀[7]、LI Wei等[8]以廣州洲頭咀隧道變截面沉管段的基礎(chǔ)處理為研究對象，通過進行等比例灌砂物理模型試驗，對灌砂法的砂積盤形成機制、擴散規(guī)律、壓力大小和砂積盤密實度等進行了研究分析； 趙豫鄂[9]參考固液兩相流理論和泥砂運動力學(xué)的研究方法，采用逐步推進法對灌砂過程中砂盤擴展進行了計算； 黎偉[10]采用非定常湍流模型計算獲得砂盤擴展的不同階段的流場特征，應(yīng)用泥砂起動及沉積理論對砂顆粒的堆積、沉積行為作出解釋,從砂盤的形成、擴展機制方面揭示砂盤擴展、密實度的成因。但是，以上文獻很少涉及灌砂過程中管底砂積盤狀態(tài)的監(jiān)控，有關(guān)沉管隧道管底壓力的監(jiān)測文獻也鮮為少見。

本文結(jié)合南昌紅谷沉管隧道工程等比例灌砂模型試驗，通過在模型底板埋設(shè)壓力盒，建立灌砂過程中管底壓力新的監(jiān)測系統(tǒng)與分析方法，以期監(jiān)控管底砂積盤形成狀況，進而為實際灌砂施工的監(jiān)測提供技術(shù)支持與參考。

1　管底壓力監(jiān)測系統(tǒng)

管底壓力監(jiān)測系統(tǒng)由壓力盒、多通道數(shù)據(jù)采集儀、計算機及相關(guān)數(shù)據(jù)處理和分析程序組成。

1.1壓力盒及其連接

利用預(yù)埋在模型底板中的壓力盒對灌砂過程中的底板壓力實施了監(jiān)測。壓力盒及其數(shù)據(jù)采集器均由江西飛尚科技有限公司生產(chǎn)。壓力盒為FS -TY系列(FS-TY02和FS-TY04)振弦式土壓力盒，是一種埋入式壓力傳感器，主要用于監(jiān)測土石壩體、堤邊坡?lián)鯄λ淼酪r砌以及基坑圍堰等結(jié)構(gòu)物內(nèi)部或表面土體應(yīng)力。FS-TY 系列振弦式土壓力盒直接輸出頻率信號，具有抗干擾能力強、受電參數(shù)影響小、零點漂移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠等特點。壓力盒主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1　壓力盒主要技術(shù)指標(biāo)

壓力盒與多通道數(shù)據(jù)采集儀連接方式見圖1。

圖1壓力盒與多通道數(shù)據(jù)采集儀連接方式

Fig. 1Connection mode of pressure box and multichannel data acquisition instrument

1.2灌砂模型及壓力盒的布設(shè)

管底壓力的監(jiān)測試驗結(jié)合南昌紅谷隧道等比例灌砂模型試驗實施，該灌砂模型試驗平臺包括： 一個大型水池，以及一個底部與四周封閉且上部開口的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型。試驗?zāi)Ｐ偷牡撞砍叽鐬?5 m×23.5 m×0.3 m，其側(cè)墻高0.7 m、厚0.3 m，側(cè)墻上另設(shè)高0.3 m、厚0.15 m的擋水板。底板按矩形設(shè)置A、B、C、D 4個灌砂孔，其中灌砂孔A和B及C和D間距均為9.5 m，灌砂孔A和D及B和C間距均為11 m，與實際管節(jié)中灌砂孔間距相同，各孔位置分別對應(yīng)管節(jié)的端部、側(cè)邊及中部的灌砂孔。在模型底板沿各灌砂孔徑向90°等間隔設(shè)置高強有機玻璃觀察窗(0.6 m×0.25 m)，以觀察灌砂過程中的砂積盤充滿程度、擴展半徑以及相鄰灌砂孔間的影響。在模型底板沿各灌砂孔徑向45°呈同心放射狀等間距埋設(shè)壓力盒，壓力盒與灌砂孔距離分別為2、4、6、8 m，以監(jiān)測灌砂過程中底板壓力的變化[11]。試驗?zāi)Ｐ椭杏^測裝置平面布置示意圖見圖2。

圖2　試驗?zāi)Ｐ椭杏^測裝置平面布置圖(單位： mm)

2　灌砂模型試驗及其監(jiān)測方法

2.1灌砂試驗設(shè)備及其布置

灌砂設(shè)備主要包括水泵、砂泵、鏟車、壓力表、軟管、混凝土攪拌機及相關(guān)配套器具等。試驗現(xiàn)場布置如圖3所示。

圖3　試驗現(xiàn)場布置

2.2灌砂材料及試驗方法

灌砂材料選用江西九江市星子縣6號采區(qū)的中砂，其符合GB/T 14684—2011《建筑用砂》天然砂分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，砂粒密度為2.612 1 g/cm3，有效粒徑D10為0.15 mm，中值粒徑D50為0.3 mm，細度模數(shù)為2.3。

砂與水泥熟料經(jīng)攪拌機攪拌后倒入池中與水混合，利用砂泵將攪拌池中的砂水抽出，實施灌砂作業(yè)。模型試驗按A、D、C、B孔的順序依次進行4組灌砂(即4種工況)測試，其水泥熟料按砂質(zhì)量的摻入比為4%、6%、8%、6%。

2.3試驗步驟

每組測試均按以下步驟進行。

1)試驗前，做好所有灌砂試驗和檢測儀器設(shè)備進行調(diào)試、標(biāo)定及其他準(zhǔn)備工作。調(diào)節(jié)試驗水池水位使模型下沉至預(yù)置的混凝土支墩上，并使得模型抗浮系數(shù)達到1.05。開展各類檢測的預(yù)試驗，壓力盒通過線纜連接多通道數(shù)據(jù)采集儀和計算機，檢測灌砂前壓力盒狀態(tài)，并作好相應(yīng)記錄。

2)按設(shè)計配比進行灌砂作業(yè)，在灌砂過程中，對砂泵壓力和水位等進行檢測，通過無損檢測技術(shù)、預(yù)設(shè)觀察窗和壓力盒監(jiān)測砂盤擴散情況，記錄各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，并拍攝相關(guān)影像。

3)當(dāng)模型底板距灌砂孔最近邊的邊緣出現(xiàn)溢砂，且通過觀察窗觀測到砂積盤擴散半徑達7.5 m以上時，停止灌砂。

3　試驗監(jiān)測結(jié)果及其分析

通過對4種工況下灌砂過程中底板壓力的測試，所獲灌砂模型試驗中各孔底板壓力的監(jiān)測結(jié)果如下。

3.1A孔灌砂過程中模型底板的壓力

利用預(yù)埋在模型底板中的壓力盒對灌砂過程中模型底板的壓力實施了監(jiān)測。通過對采集的壓力盒數(shù)據(jù)進行整理分析，得到灌砂過程中距A孔孔心距離分別為2、4、6、8 m處模型底板壓力隨灌砂時間的變化關(guān)系曲線如圖4所示，距灌砂孔不同距離處底板壓力隨灌砂時間的典型變化關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖4和圖5可知： A孔在灌砂過程中不同方位同間距的底板壓力大多呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律，且隨灌砂時間的推移，底板壓力呈波浪型起伏并逐漸增大，起伏原因與砂積盤形成與消散狀況相對應(yīng)。距灌砂孔近處的壓力較大且壓力變化更頻繁，距離灌砂孔較遠處的壓力較小且在灌砂前期壓力變化不敏感，而后逐步發(fā)生變化。

圖6為由觀察窗觀測的砂盤擴散半徑與距灌砂孔孔心不同距離處壓力盒監(jiān)測結(jié)果對照圖。

通過對圖6的觀測數(shù)據(jù)分析，結(jié)合圖5可得出砂積盤擴展的壓力門檻值為9.56 kPa?；谠搲毫﹂T檻值可跟蹤管底灌砂的進程，掌握砂積盤擴散狀態(tài)。

(a) 距孔心2 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

(b) 距孔心4 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

(c) 距孔心6 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

(d) 距孔心8 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

圖4A孔灌砂中距孔心不同距離處底板壓力隨灌砂時間的變化關(guān)系

Fig. 4Relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole A

圖5A孔灌砂過程中距孔心不同距離處底板壓力隨灌砂時間的典型關(guān)系曲線

Fig. 5Typical relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole A

圖6A孔灌砂中砂盤擴散半徑與距灌砂孔孔心不同距離處底板壓力的對照關(guān)系圖

Fig. 6Retationships between diffusion radius of gravel deposit and bottom pressure with different distances from center of filling hole A

3.2D孔灌砂過程中模型底板的壓力

D孔灌砂過程中距孔心距離為2、4、6、8 m處模型底板壓力隨灌砂時間的變化關(guān)系曲線如圖7所示，距灌砂孔不同距離處底板壓力隨灌砂時間的典型變化關(guān)系曲線如圖8所示。

由圖7和圖8可知： D孔灌砂由于受灌砂邊界及先前A孔灌砂的影響，其附近底板壓力呈現(xiàn)不同特性。雖然距灌砂孔心不同距離底板壓力具有與A孔類似的變化規(guī)律，但其壓力變化幅度更大，而且具有明顯的方向性。

3.3C孔灌砂過程中模型底板的壓力

C孔灌砂過程中距孔心距離為2、4、6 m處模型底板壓力隨灌砂時間的變化關(guān)系曲線如圖9所示，距灌砂孔不同距離處底板壓力隨灌砂時間的典型變化關(guān)系曲線如圖10所示。

(a) 距孔心2 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

(b) 距孔心4 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

(c) 距孔心6 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

(d) 距孔心8 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

圖7D孔灌砂中距孔心不同距離處底板壓力隨灌砂時間的變化關(guān)系

Fig. 7Relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole D

圖8D孔灌砂過程中距孔心不同距離處底板壓力隨灌砂時間的典型關(guān)系曲線

Fig. 8Typical relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole D

(a) 距孔心2 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

(b) 距孔心4 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

(c) 距孔心6 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

圖9C孔灌砂中距孔心不同距離處底板壓力隨灌砂時間的變化關(guān)系

Fig. 9Relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole C

圖10C孔灌砂過程中距孔心不同距離處底板壓力隨灌砂時間的典型關(guān)系曲線

Fig. 10Typical relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole C

由圖9和圖10可知： C孔由于位于邊角處，其灌砂中底板壓力變化不同于A孔和D孔。雖然距C孔孔心不同距離底板壓力具有與A孔類似的變化規(guī)律，但因受灌砂邊界及先前A孔和D孔灌砂的影響，其壓力變化較為穩(wěn)定，變化幅度相對較小，同樣具有明顯的方向性。

3.4B孔灌砂過程中模型底板的壓力

B孔灌砂過程中距孔心距離為2、4、6、8 m處模型底板壓力隨灌砂時間的變化關(guān)系曲線如圖11所示，距B孔不同距離處底板壓力隨灌砂時間的典型變化關(guān)系曲線如圖12所示。

由圖11和圖12可知： B孔灌砂過程中底板壓力變化不同于前述3孔，其變化方式最為復(fù)雜、波動范圍更大且方向性更強。其主要原因為先前灌砂孔對后期灌砂孔灌砂的直接影響，表現(xiàn)為達到預(yù)定的砂積盤擴散半徑時間更短、最終形成砂積盤壓力大于前期灌砂所形成的砂積盤。

通過建立底板壓力測試系統(tǒng)的相關(guān)分析表明： 預(yù)埋的壓力盒不僅能夠監(jiān)測所處區(qū)域的壓力，還能反映砂積盤的形成與消散狀況，是一種監(jiān)測灌砂過程中砂積盤擴散狀態(tài)的新方法。

4　結(jié)論與討論

1)通過沉管隧道等比例灌砂模型試驗平臺，建立了灌砂過程中管底壓力的監(jiān)測系統(tǒng)及分析方法。

2)位于管段中部且最先進行的灌砂孔在灌砂過程中，其不同方位同間距的底板壓力呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律，底板壓力呈波浪型起伏并逐漸增大，該變化對應(yīng)砂積盤的形成與消散狀況。結(jié)合觀察窗的觀測結(jié)果，可確定砂積盤擴展的壓力門檻值。

3)先期灌砂孔對后期灌砂孔的底板壓力影響明顯，致使不同方位底板壓力變化更大、更復(fù)雜，后期灌砂砂積盤形成的壓力大于前期灌砂砂積盤所形成的壓力。

4)本文初步建立了新的管底壓力監(jiān)測系統(tǒng)及方法，如何在實際基礎(chǔ)灌砂施工中更有效地監(jiān)測砂積盤的狀況，還有待今后進一步深入地研究。

(a) 距孔心2 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

(b) 距孔心4 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

(c) 距孔心6 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

(d) 距孔心8 m處底板壓力與灌砂時間關(guān)系

圖11B孔灌砂中距孔心不同距離處底板壓力隨灌砂時間的變化關(guān)系

Fig. 11Relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole B

圖12B孔灌砂過程中距孔心不同距離處底板壓力隨灌砂時間的典型關(guān)系曲線

Fig. 12Typical relationship between bottom pressure and gravel filling time with different distance from center of Filling Hole B

[1]陳韶章，任孝思，陳越. 珠江沉管隧道基礎(chǔ)處理技術(shù)[J]. 世界隧道, 1996(6): 34-39.(CHEN Shaozhang, REN Xiaosi, CHEN Yue. Foundation treatment technology of Pearl River Immersed Tunnel [J]. World Tunnel, 1996(6): 34-39. (in Chinese))

[2]杜朝偉，王秀英. 水下隧道沉管法設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國工程科學(xué),2009,11(7): 76-80. (DU Chaowei, WANG Xiuying. Key technology of design and construction on immersed tube tunnel[J]. Engineering Sciences, 2009, 11(7): 76-80. (in Chinese))

[3]黎志均. 珠江隧道工程基礎(chǔ)灌砂試驗研究[J]. 中國港灣建設(shè), 2001(1): 18-20. (LI Zhijun. Study and research of sand filled foundation for underwater tunnel crossing Pearl River[J]. China Harbour Engineering, 2001(1): 18-20. (in Chinese))

[4]諸岧,徐煒家,張鵬，等. 上海市外環(huán)沉管隧道基礎(chǔ)處理技術(shù)研究[J]. 城市道橋與防洪,2008(11): 105-107.

[5]王光輝,李治國,程曉明，等. 生物島—大學(xué)城沉管隧道灌砂試驗及結(jié)果分析[J]. 隧道建設(shè), 2009, 29(2): 176-181.(WANG Guanghui, LI Zhiguo,CHENG Xiaoming, et al. Sand flowing experiment and experiment result analysis： Case study of Shengwudao-Daxuecheng Immersed Tunnel[J]. Tunnel Construction, 2009, 29(2)：176-181. (in Chinese))

[6]鄭愛元,譚忠盛,李治國. 沉管隧道基礎(chǔ)灌砂模擬試驗[J].中國工程科學(xué),2009, 11(7): 81-85. (ZHENG Aiyuan, TAN Zhongsheng, LI Zhiguo. Simulation experiment of pumped sand on immersed tunnel[J]. Engineering Sciences, 2009, 11(7): 81-85. (in Chinese))

[7]袁偉耀. 變截面沉管隧道基礎(chǔ)處理物理模擬試驗研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2010. (YUAN Weiyao. Research on variational section immersed tunnel foundation treatment model experiment[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2010. (in Chinese))

[8]LI Wei, FANG Yingguang, MO Haihong, et al. Model test of immersed tube tunnel foundation treated by sand-flow [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014, 40: 102-108.

[9]趙豫鄂. 沉管隧道砂流法地基處理砂盤擴展的計算分析[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2013. (ZHAO Yu’e. Calculation and analysis of sand deposit expansion in foundation treatment of sand flow method for immersed tunnels[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2013. (in Chinese))

[10]黎偉. 沉管隧道地基砂流法加固的足尺試驗及其機理研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2013. (LI Wei. Experimental and mechanism study on sand flow method for immersed tube tunnel foundation[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2013. (in Chinese))

Study of Monitoring Experiment of Bottom Pressure of Gravel Filling Pipe for Foundation of Immersed Tunnel

ZHENG Xueping1, WAN Chao1， WU Gang2, *, SHEN Yongfang2, ZHOU Enxian2, JIANG Jianqin1

(1.NanchangMunicipalPublicGroup,Nanchang330000,Jiangxi,China; 2.UnderwaterEngineeringInstituteCo.,Ltd.,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200231,China)

The real-time monitoring of gravel filling for immersed tunnel foundation is very important. Experiment is made on a same-scale gravel filling model. A new kind of method for real-time monitoring of gravel filling for immersed tunnel foundation based on gravel filling pipe bottom pressure monitoring system and related analysis is developed; and the variation of gravel filling pipe bottom pressure under different construction conditions is studied. The study results show that: 1) The bottom pressure variation laws, wave shape and increases gradually, of gravel filling pipe No. 1 with different filling directions and same spacing are the same; the variation laws are related to formation and dissipation of gravel deposit. 2) The pressure threshold value of gravel deposit expansion can be determined according to the observation results. 3) The influence of bottom pressure of early gravel filling pipe on that of later gravel filling pipe is obvious, resulting in the larger and more complex variation of bottom pressure of later gravel filling pipe with different filling directions. The pressure of gravel deposit formed by later gravel filling is larger than that formed by early gravel filling.

Honggu Tunnel; immersed tunnel; foundation gravel filling; pipe bottom pressure; monitoring and experiment

2016-05-10;

2016-06-18

鄭學(xué)平(1966—)，男，浙江寧波人，1985年畢業(yè)于重慶建筑工程學(xué)院，土木工程專業(yè)，本科，高級工程師，主要從事工程項目管理工作。E-mail： 13807080687@qq.com。*通訊作者： 吳剛， E-mail： wugang@sjtu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.002

U 45

A

1672-741X(2016)09-1030-07