蔣欽權(quán) 谷任國 鄧 磊 房營光

(1.廣州公路工程集團(tuán)有限公司， 廣州 510635； 2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院， 廣州 510640)

沉管隧道是一種跨越江、河、海峽的水底交通隧道，具有結(jié)構(gòu)斷面使用率高，建設(shè)安全性高，結(jié)構(gòu)防水性能好等優(yōu)勢[1-6]，因此得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。但同時(shí)其造價(jià)也極其昂貴，每公里造價(jià)高達(dá)數(shù)億人民幣，目前新建成的中國港珠澳大橋海底沉管隧道，全長5.6 km造價(jià)更高達(dá)211億人民幣。因此，對沉管隧道的施工及設(shè)計(jì)參數(shù)的微小優(yōu)化或改進(jìn)都將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

沉管隧道建設(shè)中，地基處理是其中最重要的部分，其對于保證隧道建設(shè)質(zhì)量及安全運(yùn)營具有關(guān)鍵作用[6]。

砂流法是目前沉管隧道地基處理中較為常用的方法之一，具有施工效率高、設(shè)備要求低等優(yōu)點(diǎn)[7-10]。砂流法中砂盤的最終擴(kuò)展尺寸及基槽間隙填充情況是決定砂流法地基處理質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，若砂盤擴(kuò)展半徑未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則均衡性較差；若基槽間隙存在空洞，充滿度較低，擴(kuò)展質(zhì)量較差則會(huì)導(dǎo)致使用期間基礎(chǔ)應(yīng)力集中和沉管段不均勻沉降[11]，影響沉管隧道的運(yùn)營安全，嚴(yán)重時(shí)將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[12]。因此，有必要深入探索不同施工及設(shè)計(jì)參數(shù)對砂盤的最終擴(kuò)展尺寸及基槽間隙填充情況的影響，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工參數(shù)。

荷蘭Vlake隧道建設(shè)時(shí)首次采用了砂流法，并采用了大型砂流法模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了砂流法工藝的可行性，并對砂流法設(shè)計(jì)及施工參數(shù)進(jìn)行了初步探索[13]。廣州珠江隧道建設(shè)時(shí)，通過大比尺模型試驗(yàn)，研究了砂盤的密實(shí)度和充滿度情況[14]。廣州生物島-大學(xué)城沉管隧道建造前，建立了縮尺模型，研究了不同水砂比條件下的噴砂壓力及砂盤的各項(xiàng)參數(shù)[15]。

有學(xué)者設(shè)計(jì)了沉管隧道砂流法地基處理足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過自行研制的砂盤檢測器獲得了砂盤擴(kuò)展高度和半徑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)砂盤平均擴(kuò)展半徑的擴(kuò)展趨勢符合二次時(shí)程曲線[16]，并測得模型板底處的水壓力-時(shí)程典型曲線、砂盤發(fā)展半徑-時(shí)程典型曲線以及試驗(yàn)后砂盤效果圖[17]。同時(shí)采用不同模型板底面材質(zhì)探討其對砂盤擴(kuò)展影響特性，獲得砂盤擴(kuò)展半徑、壓砂系統(tǒng)水壓力、模型板底水壓力隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線[18]。

文獻(xiàn)[19]通過對沉管隧道地基砂流法處理的砂盤擴(kuò)展規(guī)律試驗(yàn)和分析，發(fā)現(xiàn)改變邊界條件或部分封堵邊界對砂盤的最終尺寸和密實(shí)度的影響不大，因而可以不計(jì)實(shí)際施工中由于不同施工順序造成的“人為邊界封堵”現(xiàn)象對最終砂盤施工質(zhì)量的影響。

前述研究或探索了砂流法的擴(kuò)展規(guī)律，或驗(yàn)證了施工方案的可行性，為現(xiàn)場施工提供了有益的指導(dǎo)，但對于砂盤最終擴(kuò)展均衡性及基槽間隙填充質(zhì)量的影響因素缺乏研究。砂流法地基處理中，由于砂盤堆積及水壓力作用，不可避免的將產(chǎn)生管段上抬現(xiàn)象，而目前工程實(shí)踐中以管段上抬作為砂流法施工終止的控制標(biāo)準(zhǔn)，其合理性及對砂盤最終擴(kuò)展均衡性及質(zhì)量的影響尚無細(xì)致研究；為防止混凝土沉管隧道滲漏，常需對底板進(jìn)行防水處理，底板粗糙度將可能發(fā)生改變，而目前對于底板粗糙度的對砂盤最終尺寸及充滿度的影響尚無細(xì)致研究；由于沉管隧道管節(jié)較大，管節(jié)底部一般設(shè)計(jì)為多排砂盤，先施工砂盤即成為后施工砂盤的封堵邊界，大部分砂盤都會(huì)受到邊界封堵的影響，而目前對于邊界封堵對砂盤擴(kuò)展的影響仍缺少研究。

因此，將通過砂流法足尺模型試驗(yàn)，得到各參數(shù)下砂盤的半徑、頂面和體積的充滿度；并結(jié)合前人對砂盤擴(kuò)展規(guī)律的研究，分析研究管段上抬、管節(jié)板底粗糙度及封堵邊界分別對砂盤最終擴(kuò)展均衡性及基槽間隙填充質(zhì)量的影響，為工程實(shí)踐提供參考。

1 砂流法試驗(yàn)?zāi)Ｐ图疤綔y方法

模型板采用如圖1所示的現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，以廣州市洲頭咀沉管隧道變截面段為原型，足尺模擬單個(gè)噴砂孔等效范圍內(nèi)的沉管隧道變截面底板，其尺寸為15.2 m(長)×8.2 m(寬)×0.1 m(厚)。利用混凝土柱將模型板架設(shè)于試驗(yàn)水池中，水池尺寸為17.2 m(長)×10.5 m(寬)×2.5 m(高)。模型板與水池側(cè)壁間距約為0.8 ～1.3 m，與地面之間的空隙約為0.8～1.0 m，分別模擬沉管隧道側(cè)壁與基槽邊坡的間距及隧道底的基槽間隙，蓄水至板面以上時(shí)可模擬水下基槽及水下環(huán)境。

a—試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?b—模型試驗(yàn)現(xiàn)場。圖1 試驗(yàn)布置 mFig.1 Arrangements of the test

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)具有砂水輸入、比例控制、混合、輸出、系統(tǒng)控制等功能，其性能參數(shù)與施工現(xiàn)場設(shè)備完全一致，可模擬沉管隧道砂流法地基處理過程。

模型板X、N、L、Y、M 軸線上各點(diǎn)處布置了砂盤探測器(圖1b)，用于探測砂盤實(shí)時(shí)擴(kuò)展數(shù)據(jù)，具體測量方式見文獻(xiàn)[20]。

試驗(yàn)中通過改變模型板固定情況、模型板底摩擦因數(shù)和設(shè)置封堵邊界情況來模擬不同施工條件。模型板上抬模擬噴砂過程中沉管管段上抬現(xiàn)象。粗糙的板底為未處理的現(xiàn)澆混凝土面，摩擦因數(shù)為0.24，對應(yīng)于沉管隧道混凝土底板；光滑的板底為打磨后涂刷防水層底板，摩擦因數(shù)為0.16，對應(yīng)于沉管管段底面涂刷防水層工況[21]。圖1a所示的邊界封堵用于模擬實(shí)際施工中管節(jié)底部的設(shè)計(jì)砂盤為多排時(shí)，先噴砂形成的砂盤對后噴砂的砂盤形成邊界封堵現(xiàn)象如圖2所示，目前工程中現(xiàn)行的噴砂順序?yàn)橹鹆羞M(jìn)行，先中間后兩邊。

圖2 沉管管段砂盤設(shè)計(jì)示意 cmFig.2 The schematic diagram for sand-deposit design of the immersed tube section

2 充滿度計(jì)算式

試驗(yàn)完成后，排干池水，采用皮尺等，測量砂盤在各方向的擴(kuò)展情況及最終擴(kuò)展高度，據(jù)此計(jì)算砂盤頂面充滿度、體積充滿度及半徑充滿度。

考慮到?jīng)_擊坑及流縫、流槽在砂流法施工結(jié)束后將被細(xì)石混凝土填充，故在文獻(xiàn)[5]對充滿度計(jì)算的基礎(chǔ)上，定義砂盤頂面充滿度為忽略砂盤內(nèi)部特征間隙(如沖擊坑、流縫、流槽等)影響的模型板范圍內(nèi)砂盤頂面外輪廓線圍成面積與模型板底面積之比值，表達(dá)式為：

(1)

式中：fA為砂盤頂面充滿度；Asd為砂盤有效頂面積；Amb為模型板底面積。

定義砂盤體積充滿度為忽略砂盤盤內(nèi)部特征間隙(如沖擊坑、流縫、流槽等)影響的模型板范圍內(nèi)砂盤體積與模型板下部空間體積之比值，表達(dá)式為：

(2)

式中：fV為砂盤體積充滿度；Vsd為砂盤有效體積；Vmb為模型板下部空間體積。

此外，考慮到最終砂盤的不規(guī)則形狀，有必要給出能描述其形狀的參數(shù)?；诖?，定義砂盤的“半徑充滿度”為不同方向的模型板邊距噴口的距離(理論半徑值)與對應(yīng)方向?qū)嶋H砂盤半徑值的比值，表達(dá)式為：

(3)

式中：fR為砂盤半徑充滿度；Rsd為砂盤有效半徑；Rmb為模型板底面理論半徑值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸策M(jìn)行了5次砂流法地基處理試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)詳見表1。下文中符號(hào)“SFMT-X”表示第X次砂流法試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Test parameters

根據(jù)測量砂盤最終擴(kuò)展情況，繪制了砂盤最終擴(kuò)展圖，俯視圖輪廓線為砂盤頂面外輪廓線見圖3。

a—SFMT-1砂盤； b—SFMT-2砂盤； c—SFMT-3砂盤； d—SFMT-4砂盤； e—SFMT-5砂盤。圖3 砂盤最終擴(kuò)展情況 mFig.3 The final expansion of sand-deposit

各方向設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)半徑見表2，模型板面積為125.9 m2。根據(jù)式(1)計(jì)算得到各次試驗(yàn)的砂盤頂面充滿度，結(jié)果見圖4；根據(jù)式(2)計(jì)算得到各次試驗(yàn)的砂盤體積充滿度，結(jié)果見圖5；根據(jù)式(3)計(jì)算得到各次試驗(yàn)的各方向砂盤半徑充滿度，結(jié)果見圖6。由圖6可見：

圖4 試驗(yàn)砂盤頂面充滿度Fig.4 The filling degrees for top surfaces of the test sand-deposit

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶宓左w積充滿度Fig.5 The volume filling degrees for the bottom plates of test model

圖6 砂盤各方向砂盤半徑充滿度對比Fig.6 Contrasts of filling degrees for radii of sand-deposit from different directions

表2 砂盤各方向設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)半徑Table 2 The design standard radii of sand-deposit in each direction m

1)從SFMT-1和SFMT-2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：管節(jié)模型上抬對砂盤半徑的擴(kuò)展極為不利，SFMT-1大多數(shù)方向半徑充滿度較低，小于模型板固定的SFMT-2試驗(yàn)約4%～20%，砂盤擴(kuò)展均衡性差，且頂面充滿度及體積充滿度均小于SFMT-2試驗(yàn)的10%和6%，基槽間隙填充質(zhì)量較差。

分析認(rèn)為：試驗(yàn)開始后，砂盤在模型板底不斷擴(kuò)展，與管節(jié)模型之間圍合成半封閉空間，且其密閉性隨砂盤擴(kuò)展而提高，從而使板底水壓上升，當(dāng)砂盤中心處填滿板底間隙后，砂盤與水壓力共同承擔(dān)模型板重力。模型板逐步壓在砂盤表面，使得砂盤頂面的流縫范圍逐漸縮小，流縫、流槽厚度逐漸變薄，初期砂水流外輸過程尚且順暢，砂盤不斷擴(kuò)展，少部分砂顆粒因流槽厚度變薄，流動(dòng)阻力增大等原因而被“壓積”于模型板底，使得管段不斷上抬。后期砂盤各處的流槽和流縫變得薄且窄，使得砂水流外輸不通暢，通過流縫、流槽輸送的砂顆粒被壓積于砂盤頂面，砂盤難以繼續(xù)向外緣擴(kuò)展，從而導(dǎo)致砂盤擴(kuò)展半徑難以到達(dá)設(shè)計(jì)要求，砂盤充滿度較低。

2)對比SFMT-2與SFMT-3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：粗糙的模型板試驗(yàn)中，砂盤半徑未充滿方向較多，占40%，擴(kuò)展均衡性較光滑板底差，后者未充滿方向占12.5%；砂盤頂面充滿度及體積充滿也低于光滑的模型板，砂盤擴(kuò)展質(zhì)量也較光滑模型板底差。表明光滑的模型底板有利于提高砂盤擴(kuò)展均衡性及質(zhì)量。

分析認(rèn)為：粗糙的模型板其凹凸起伏面及蜂窩麻面在流槽中起到了徑向渦發(fā)生器[22]的作用,成為天然的擾流元件，對砂水流輸送具有一定的阻礙作用。光滑的模型板底使得形成徑向渦的概率較小，減小了對砂水流的阻礙作用，提高了砂盤擴(kuò)展速度，從而使得砂盤的半徑充滿度、頂面充滿度及體積充滿度高于在粗糙的模型板底下形成的砂盤。

3)對比SFMT-2與SFMT-4和SFMT-5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：單側(cè)封堵邊界條件下砂盤半徑充滿度最好，砂盤頂面充滿度積及體積充滿度最高，擴(kuò)展均衡性及質(zhì)量最好，雙側(cè)封堵條件下次之。表明適當(dāng)?shù)倪吔绶舛驴商岣呱氨P擴(kuò)展均衡性及基槽間隙填充質(zhì)量，對砂盤擴(kuò)展無不利影響。

分析認(rèn)為：當(dāng)砂盤擴(kuò)展接近封堵邊界時(shí)，其離砂盤中心較遠(yuǎn)的砂盤頂部區(qū)域已形成流槽，砂水流通過流槽外輸，并在封堵側(cè)的流槽口迅速沉積，砂盤在該方向的尺寸繼續(xù)擴(kuò)展。當(dāng)封堵側(cè)的砂盤堆積充滿后，流槽受封堵邊界的影響而自動(dòng)轉(zhuǎn)向，形成眾多蜿蜒的流槽，其總體走向順著封堵邊界流向封堵邊界出口方向。砂水流向未封堵側(cè)流動(dòng)，加快了砂盤在其他方向的擴(kuò)展，從而使得各方向砂盤半徑充滿度、砂盤頂面充滿度及體積充滿度明顯提高。但隨著封堵邊界增多，邊界對基槽底的流場擾動(dòng)增大，使得各軸向的砂盤擴(kuò)展速度不一致，從而造成部分方向擴(kuò)展速度減慢，砂盤半徑充滿度減小，砂盤頂面充滿度和體積充滿度略微減小。

4 結(jié)束語

通過沉管隧道砂流法地基的充滿度足尺模型試驗(yàn)研究及分析，得到如下主要結(jié)論：

1)管節(jié)模型上抬對砂盤半徑的擴(kuò)展極為不利，其大多數(shù)方向半徑充滿度較低，砂盤擴(kuò)展均衡性差，且頂面充滿度及體積充滿度均有所降低，基槽間隙填充質(zhì)量較差。與模型板固定工況對比，上述參量降低范圍約為4%～20%。因此，在工程實(shí)踐中僅以管節(jié)開始上抬作為砂流法施工終止的控制標(biāo)準(zhǔn)值得斟酌。

2)管節(jié)底面粗糙度對砂盤的充滿度有影響，對沉管底板進(jìn)行光滑處理可有效提高砂盤半徑充滿度，未充滿的方向從40.0%降低到12.5%，有利于提高砂盤擴(kuò)展均衡性及基槽間隙填充質(zhì)量。

3)適當(dāng)?shù)倪吔绶舛驴商岣呱氨P擴(kuò)展均衡性及基槽間隙填充質(zhì)量，單側(cè)邊界封堵效果相對較好。