孫 鈞

(1.同濟大學(xué)隧道與地下工程研究所，上海 200092；2.上海市城建集團院士工作研究室，上海 200122)

港珠澳大橋島隧工程深厚軟基與大回淤條件下的工程處治研究

孫 鈞1,2

(1.同濟大學(xué)隧道與地下工程研究所，上海 200092；2.上海市城建集團院士工作研究室，上海 200122)

港珠澳大橋島隧工程大面積深厚軟基的加固處理，以及大回淤水道條件下管段柔性小接頭處的預(yù)應(yīng)力束筋將永久留置而不再在管節(jié)沉放落床、縱向沉降基本穩(wěn)定后完全切斷，形成半剛性管節(jié)。上述兩者，是該工程項目施工中呈現(xiàn)的特色和亮點。此外，當(dāng)日后長期運營中如管段小接頭接縫仍出現(xiàn)有不測的拉開險情時，其應(yīng)急工程處治對策也是必須事先妥慎考慮的預(yù)案。就上述各點問題進(jìn)行了較為細(xì)致深入的探討和分析。

港珠澳大橋；人工筑島；沉管隧道；軟基處理與加固；復(fù)合地基；擠密砂樁；大回淤水道；半剛性管節(jié)；預(yù)應(yīng)力束筋

0 引言

港珠澳大橋是正在建設(shè)中的國內(nèi)首座于外海建設(shè)的超大型海洋工程項目，又是一橋連接三地、一國兩制條件下的重大跨界工程。這一橋、島、隧三為一體的交通集群項目，全長36 km。該工程于2010年12月正式興工，將歷時6年建成。目前軟基處理基本完成，沉管沉放工作進(jìn)展順利，共已完成10節(jié)管節(jié)沉放，長達(dá)1 600 m，接近沉管隧道全長33節(jié)的1/3。

本文主要探討以下2方面的問題：

1)人工筑島和島內(nèi)、外地基處理。著重研究人工島和島隧過渡段復(fù)合地基——擠密砂樁和剛性減沉樁的成樁機制，以及沉管地基縱向長期差異沉降及其控制；

2)大回淤水道管節(jié)預(yù)應(yīng)力束筋不再切斷設(shè)計。采用半剛性管節(jié)，留置永久性預(yù)應(yīng)力束筋的思考，以及如遇到地基發(fā)生難以預(yù)測的過大縱向差異沉降、管段小接頭有拉開情況時預(yù)應(yīng)力束筋的處置預(yù)案。

1 島隧工程概況及施工難點要害

港珠澳橋位地處伶仃洋下游，距珠江出?？谝陨喜贿h(yuǎn)位置處，海床穩(wěn)定性好且年平均風(fēng)平浪靜的天數(shù)高達(dá)250 d以上，這是在通航大跨內(nèi)采用修建沉管隧道方案的絕佳選擇。

1.1 島隧工程概況

大橋主體工程中的控制性工程——島隧工程，含全長L=5 770 m的沉管隧道，寬38 m，高11.4 m；沉放處海床面最大水深22 m，隧道最大埋深23 m。雙向6車道高速公路，設(shè)計壽命120年。其東、西2座作為橋隧過渡的人工島，面積均約 10 萬m2，長度均 625 m，最寬處 105 m，為離岸深水人工填筑成島，工程量十分巨大。大橋筑島工程的總體規(guī)模和技術(shù)難度居世界之最。沉管隧道縱剖面示意圖如圖1所示。

圖1 沉管隧道縱剖面示意Fig.1 Longitudinal profile of immersed tunnel

1.2 島隧工程的施工難點及其成敗要害

此處單就地基問題作歸納，未涉及其他工程結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計施工問題。

1)水下基槽開挖底標(biāo)高達(dá)-45 m，深槽作業(yè)最深達(dá) 23 m，在外海施工的風(fēng)險控制難度大；

2)外海海域，要歷經(jīng)4～5年的長時間施工作業(yè)期，遇突發(fā)熱帶氣旋和強雷暴惡劣氣象條件，可能導(dǎo)致深水基槽坡壁失穩(wěn)、坍槽，也對沉管浮運沉放構(gòu)成威脅，并容易引起已沉放落底沉管橫向截面沿坡底圓弧面的剪切滑動。在強風(fēng)、暴雨期間，需停止水上一切作業(yè)；

3)水道內(nèi)的泥砂回淤量大，開挖時基底清淤和運營期間結(jié)構(gòu)側(cè)面和頂面上淤土清除的工作量大、深水作業(yè)難度高；

4)隧道通道位于具有較高烈度(8°)地震頻發(fā)區(qū)，海床局部地段淺部有松散飽和粉細(xì)砂地層(海床下15 m以上部位)，而淺表部又有2.5～4.0 m的中、薄層淤泥質(zhì)軟黏土。這種情況，強震引起砂土地震液化的可能性較大，將在相當(dāng)程度上影響場基的地震穩(wěn)定性；

5)隧道位于主通航孔下方，海上航運頻繁，且有3條大的交錯主航道。船舶流量達(dá)4 000艘/d，施工船只>500艘/d；在深槽開挖、沉管浮運和沉放作業(yè)時，雙方互為影響，干擾程度大。

2 人工筑島與島內(nèi)、島外側(cè)地基處理

2.1 工程地質(zhì)條件

東、西人工島內(nèi)的地基土和海床隧道過渡段，其下臥地層巖土的一般屬性，大體可劃分為：

1)全新統(tǒng)海相沉積：流塑-軟塑狀淤泥和淤泥質(zhì)黏土(厚1.5～4.5 m)；

2)晚更新統(tǒng)晚期陸相沉積：軟塑狀粉質(zhì)黏土(厚<2 m)；

3)晚更新統(tǒng)中期海陸過渡相沉積：可塑-硬塑狀粉質(zhì)黏土夾粉細(xì)砂，中密狀中細(xì)砂透鏡體(厚9～12 m)；

4)晚更新統(tǒng)早期江河水流沖積相沉積：密實-中密中砂、粗礫砂、 密實圓礫(厚15 m及以上)；

5)震旦系：強、中風(fēng)化混合片巖，工程未有觸及。

2.2 地基處理

以西人工島為例，它距珠海岸20 km，平均水深10 m，軟土層深厚，達(dá)20～30 m。

1)采用重達(dá)500 t、φ22 m的大直徑鋼質(zhì)圓筒，用振沉法插入不透水黏土層，作為島周圍護(hù)結(jié)構(gòu)(見圖2)；

2)島周外側(cè)地基經(jīng)砂樁處理后，再加筑拋石斜坡堤形成島岸，屬止水型島壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)；

3)島內(nèi)軟基，先回填砂形成陸域，采用插打塑料排水板并再回填砂堆載，作“超載聯(lián)合降水預(yù)壓”進(jìn)行島內(nèi)軟基處理；

4)對要求加固處理的軟土層更為深厚(>25～35 m)的局部困難地段，當(dāng)擠密砂樁法(見圖3)處理的深度顯得不足時，則改用PHC剛性樁(見圖4)。

人工島采用自立式鋼質(zhì)圓筒構(gòu)成不需再加設(shè)內(nèi)支撐系統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。相鄰鋼圓筒筒排之間的空隙，在其內(nèi)外側(cè)加設(shè)了2道弧形鋼板作為副格，用水下焊接與鋼圓筒構(gòu)成整體，以保證圍堰內(nèi)不形成流動水，便于對島內(nèi)填土進(jìn)行加固處理。組成圍護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼圓筒如圖5所示。

圖2 人工島鋼圓筒圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置示意(右端部位為沉管暗挖段)

圖3 島隧過渡段沉管地基采用擠密砂樁法處理加固示意

圖4 深厚軟基剛性鋼管混凝土樁(PHC樁)(L≥30 m)沉管基礎(chǔ)Fig.4 Immersed tunnel foundation of thick soft strata consolidated by PHC piles (L≥30 m)

圖5 鋼圓筒組成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.5 Steel cylinder used as retaining structure

人工島堆載預(yù)壓采用5～80 mm粒徑、不同級配碎石；島外兩側(cè)區(qū)域采用回填防臺/防沖刷塊石或用混凝土塊堆置加固。島壁(鋼圓筒)和島外防波、防臺護(hù)壁方案如圖6所示。中部海床因基巖埋深淺，可只采用碎石鋪墊的天然地基，如圖7所示。

3 擠密砂樁及施工中的問題簡述

1)用振動和水沖相結(jié)合，以加固、振密原先的松砂土層，在此處也用于淺表層為黏性土的多層不同土性的地基，而形成由砂土散粒材料組成的樁體，并使之與被擠密后的原先砂性土共同承載，構(gòu)成“復(fù)合地基”。它不是“振沖置換”(對軟黏土適用)，而是通過加入新砂，使原先松砂因受側(cè)向擠壓而增加密實度，謂之“振沖擠壓密實”，也即“擠密砂樁”(主要對砂土層更為適用)。

2)振沖器——原先用于振搗壓實大壩混凝土，現(xiàn)發(fā)展為“振動”和“高壓水沖切”相結(jié)合，謂之“振沖器”。邊振邊沖，不斷加灌新的砂料，靠其水平振動力從側(cè)面將原先砂土、雜填土和淺層軟黏土一并擠壓增密。

3)振動加速度大小決定振沖力，振沖力大小的掌握是該方法成敗的關(guān)鍵。如振沖力過大，將導(dǎo)致砂土受振而液化或局部液化；再則，振沖使土層內(nèi)孔壓劇增，同時產(chǎn)生不利的“剪脹”作用，都會使土體有效應(yīng)力降低，使加固體的抗剪強度反而減小，達(dá)不到地基加固處理的效果。當(dāng)然，振沖結(jié)束后由于孔壓逐漸消散，土體因重塑而固結(jié)，其強度的大部分可重新恢復(fù)并較原先的強度有一定提高。經(jīng)驗做法上，可用土體加固前后的“固結(jié)度”做檢測，還可采用“標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)”來鑒別設(shè)計的成效。

振沖法施工的砂土特性變化如圖8所示。

4)采用灌筑新砂法充填、擠密原先砂土施工中，灌砂切不能過量(不能>60%)、過度，否則會使砂土向兩側(cè)走移，即向擠密區(qū)的左右擠出，并向土層表面隆起，如發(fā)生這種現(xiàn)象，將大大降低地基加固效果，如圖9所示。 擠密砂樁配置情況見表1。

圖6 島壁(鋼圓筒)和島外防波、防臺護(hù)壁方案Fig.6 Island wall (steel cylinders) and breakwater

圖7 中部海床處沉管采用淺埋碎石鋪墊的天然基礎(chǔ)Fig.7 Crushed stone foundation of immersed tunnel in central sea

①為擠密區(qū)；②為液化流態(tài)區(qū)；③為剪脹破壞區(qū)。待孔壓歷時逐步消散后，砂土有效應(yīng)力得以恢復(fù)和提高。

圖8振沖法施工的砂土特性
Fig.8 Performance of sandy soil in vibration and flushing process

圖9 砂樁施作不當(dāng)工效降低示意圖Fig.9 Sketch of working efficiency reduction due to improper compaction sand pile construction

表1 擠密砂樁配置用表Table 1 Parameters of compaction sand piles

4 島隧過渡段和海床中段的地基處理

4.1 軟基加固處理的效果及控制基準(zhǔn)

沉管隧道軟基加固處理的效果，體現(xiàn)在經(jīng)過處理加固后達(dá)到如下要求：

1)相鄰段管段、管節(jié)的差異沉降，不致引起因接頭張開(接頭轉(zhuǎn)角、相鄰管節(jié)相對受彎、受剪和受拉)而危及接頭止水，產(chǎn)生接頭處滲漏；

2) 大小接頭因相鄰節(jié)、段差異沉降而產(chǎn)生豎向和水平向的剪切錯動，不會導(dǎo)致接頭剪切鍵變形過度并引起破壞；

3) 因相鄰節(jié)、段差異沉降，不致影響在管節(jié)接頭處隧道內(nèi)行車的平穩(wěn)性和順暢性，車輛穿行過接頭時，不能有顛簸、跳車現(xiàn)象；

4) 由于沉管管節(jié)因地基不均勻沉降而產(chǎn)生彎曲變形，管節(jié)底板不致產(chǎn)生彎、剪裂縫，縫寬控制在0.15 mm以內(nèi)。

可從上述4點對所制定的各相應(yīng)允許限值分別作反演計算，以得出理論上允許的地基最大沉降和差異沉降的控制值，并以此作為地基處理效果評價的基準(zhǔn)。

4.2 地基處理方案

對各不同部段的軟弱地基，綜合采用了“多元復(fù)合地基”處理方案。主要表現(xiàn)在：

1)PHC剛性樁。如要求的地基加固深度需大于30～35 m，仍采用擠密砂樁已不能滿足設(shè)計要求時，可酌量改用剛性長樁。

2)人工地基中的復(fù)合地基。此處應(yīng)用了：①豎向增強(加固)體，同時形成豎向排水體，采用擠密砂樁；② 豎向增強體+樁間土參與受力，形成剛性減沉樁。 除淺表土外，因島、隧過渡段中、深層地基的土體承載力尚好，如不考慮中間土參與受力，而選用深樁基礎(chǔ)，則不經(jīng)濟合理。

3)堆載/超載預(yù)壓地基(指人工島內(nèi)和島外過渡段的深厚軟基)。堆(超)載預(yù)壓(如只采用堆載預(yù)壓，則土體固結(jié)時間太長)+ 塑料排水板(為輔)，能使土體快速固結(jié)、壓密。此處采用該方法的實踐已證實，經(jīng)降水、壓實9個月后已能達(dá)到規(guī)定的加固要求。

4)中間海床部分。因淺層以下的土層堅實，甚至是風(fēng)化巖，只作置換表層淤泥土后，填實碎石墊層(屬天然地基)即可，不需另作加固處理。

4.3 在大面積、縱向大長度的復(fù)合地基施工中存在的主要問題

1) 因砂樁加固體直徑過大，加固后各局部地塊復(fù)合地基的承載力大小不均勻，其離散性比較大；

2) 擠密砂樁的加固機制還不夠清晰，使設(shè)計缺乏規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；

3) 砂樁成樁工藝尚未有標(biāo)準(zhǔn)化；

4) 加固質(zhì)量檢測的原理和方法均尚不成熟，使成樁后的質(zhì)量檢測也難以標(biāo)準(zhǔn)化。

4.4 島隧過渡段沉管軟基處理的工程方案——擠密砂樁復(fù)合地基的設(shè)計施工要點

1)設(shè)計分為堆載區(qū)和非堆載區(qū)

①堆載區(qū)工程工序：a)基槽挖泥; b)擠密砂樁打設(shè); c)清除基底隆起后的浮土; d)做排水墊層; e)排水砂井打設(shè); f)沉降監(jiān)測; g)堆載預(yù)壓; h)基槽外側(cè)擋浪塊石鋪設(shè)。先后共8道工序。

②非堆載區(qū)工程工序：只有上述工序的a,b,c,f和h，其他項免做。

2)擠密砂樁應(yīng)按不同地質(zhì)條件設(shè)定各段不同的置換率，采用不同的砂樁樁徑、樁間距和打設(shè)深度。

以上工序的先后安排，如圖10所示。

圖10 島隧過渡段沉管砂樁復(fù)合地基處理工序Fig.10 Flowchart of treatment of composite foundation of transition section between artificial island and immersed tunnel consolidated by compaction sand piles

4.5 復(fù)合樁基及其在此處應(yīng)用中存在的問題

“復(fù)合樁基”從廣義上說也是一種復(fù)合地基，它要求樁群剛度與上覆碎石墊層兩者剛度的合理匹配，且需要做到樁尖力不產(chǎn)生插進(jìn)入墊層內(nèi)的“穿刺”現(xiàn)象。剛性樁復(fù)合地基使用中的問題之一是：較之軟土而言，剛性樁的剪、彎剛度都要大得多，它與樁間軟土常難以協(xié)調(diào)變形，在樁間土層先發(fā)生滑動時往往帶動樁身整體側(cè)傾、側(cè)移走動或彎斷、拉斷，而不是剪斷。樁體在土坡圓弧滑動面上形成的抗剪(滑)機制目前尚不很清楚。

對剛性減沉樁加固軟基復(fù)合地基穩(wěn)定性的研究表明：樁體拉斷和彎曲破壞遠(yuǎn)多于剪切破壞；對長細(xì)樁身，甚至樁體會發(fā)生2次彎曲破壞，如圖11和圖12所示。

從圖12可見，試驗中樁體呈現(xiàn)傾側(cè)、走動、承拉、彎曲，而非水平受剪。

圖11水平剪切條件下土坡呈圓弧面滑動時復(fù)合樁基(減沉樁)的破壞模式

Fig.11 Mode of failure of composite pile foundation (settlement reducing piles) when circular sliding surface occurs under horizontal shearing condition

圖12水平剪切條件下土坡沿圓弧面滑動復(fù)合樁基(減沉樁)破壞模式的離心試驗

Fig.12 Centrifugal test on failure mode of composite pile foundation (settlement reducing piles) when circular sliding surface occurs under horizontal shearing condition

5 沉管地基縱向長期沉降及其控制

沉管隧道的縱向差異沉降，表現(xiàn)在 “強迫變形”(forced deformation)和“作用效應(yīng)”(action effect)。對于港珠澳項目的沉管隧道言，在運營期，除了部分區(qū)段屬于深埋沉管之外，還有因回淤產(chǎn)生的土壓力荷載過大，且沿隧道縱向又呈不均勻分布，導(dǎo)致地基產(chǎn)生縱向持續(xù)不均勻/差異沉降，而不易從設(shè)計上進(jìn)行合理控制的問題。

“作用效應(yīng)”，指外加荷載引起的沉降。因土方開挖卸載和水浮力作用，這部分因沉管自重產(chǎn)生的沉降量很小(但此處在“深埋”段和“大回淤”情況下，則屬例外)。

“強迫變形”，則是指因深槽開挖使深部土體應(yīng)力釋放導(dǎo)致土層松弛變形。主要包括：1) 基底軟土回彈；2)因槽坡外側(cè)上方土體向坑底槽內(nèi)擠涌產(chǎn)生基底土體的塑性隆起，待再承沉管和回填、泥沙回淤等壓重后，基土又將再次壓實而沉降；3) 基土經(jīng)開挖擾動產(chǎn)生的應(yīng)力松弛 (基土受擾后松動變形)而地基下沉。

由于地基土土性不一，加固體質(zhì)量又不均勻，使上述“強迫變形”有可能達(dá)到一個較大的值；但由于它的大部分沉降在施工期間已基本完成，尚不致造成過大的工后沉降。在沉管浮運、沉放和著床后達(dá)到沉降穩(wěn)定的前一段時間，將采用PC拉索將各個管段拉系成一整體，它將對節(jié)段相鄰接頭的差異沉降變形起到有效的控制作用。

為了防范海床過渡段(深厚軟基)沉管管節(jié)與人工島暗挖段(島內(nèi)地基加固較密實)相鄰管節(jié)接頭附近的差異沉降過大(類似于橋頭跳車情況)，可以局部補充打設(shè)剛性短樁以加強人工基礎(chǔ)；對以黏性土為主的局部區(qū)段，也采用了高壓旋噴對深度<25 m的軟基進(jìn)行加固處理。

1) 從過去國內(nèi)外先例：實測沉降量可觀，有時可達(dá) 300 mm ，相鄰管節(jié)首、尾差異沉降量也達(dá) 100 mm 以上；

2) 施工期沉降：開挖回彈、隆起和墊層置換壓實，三者占最終沉降的50%～60%；

3) 工后沉降(指隧道建成后的后續(xù)沉降)：總的工后沉降控制在200 mm之內(nèi)；而工后差異沉降≤30～50 mm。

今后，在運營期建立長期健康檢測系統(tǒng)是十分必要的。

6 大回淤荷載情況下沉管隧道保證管段間小接頭受力安全的設(shè)計研究

6.1 管節(jié)接頭設(shè)計及在該工程應(yīng)用中存在的問題

6.1.1 管節(jié)接頭設(shè)計

1) 為了保證沉管隧道各管節(jié)(@180 m/節(jié))接頭沿豎向和水平向的抗剪能力，在接頭截面的頂?shù)装搴蛡?cè)墻與中隔墻上均分別設(shè)置有若干鋼制剪切鍵，在相鄰大管節(jié)間還布設(shè)有GINA止水帶，管節(jié)和管段的大、小接頭處還都布設(shè)有Ω(OMEGA)止水帶，如圖13—16所示。

圖13 沉管隧道管節(jié)大接頭橫截面構(gòu)造Fig.13 Cross-section of large joint of immersed tunnel

圖14 管節(jié)大接頭處的剪切鍵布置示意Fig.14 Layout of shear key blocks in large segment joints of the immersed tube

圖15荷蘭VREDESTEIN G125-89-60型GINA橡膠止水帶的理論壓力-壓縮量曲線

Fig.15 Compressive curve of Holland VREDESTEIN G125-89-60 GINA rubber belt

2) 此外，在沉管浮運、沉放著床，直至地基變形達(dá)到基本穩(wěn)定時為止，均需將各節(jié)管段(8段×22.5 m/段=180 m)用預(yù)應(yīng)力束筋拉結(jié)，使各管段小接頭相互間經(jīng)水力壓接為一個180 m的整體大管節(jié)。在地基沉降基本穩(wěn)定以后，這些預(yù)應(yīng)力筋將全部截斷，從而使各管段小接頭形成柔性接頭。

3) 管段間的小接頭原先都設(shè)計成“柔性接頭”，這是為了協(xié)調(diào)、分?jǐn)?、均衡和適應(yīng)運營期間軟基后續(xù)的不均勻/差異沉降；所以，在地基沉降基本穩(wěn)定之后，需將管節(jié)預(yù)應(yīng)力束筋全部切斷，管段間小接頭的止水安全由Ω止水帶和水力壓接產(chǎn)生的軸壓力來保證。

4) 待地基沉降基本穩(wěn)定以后，將大管節(jié)內(nèi)的預(yù)應(yīng)力束筋全部切斷，管段間形成了柔性小接頭。此時，整體大管節(jié)適應(yīng)地基后續(xù)進(jìn)一步產(chǎn)生的微小差異沉降的情況是良好的，這已是業(yè)界的共識。

圖16 荷蘭 VREDESTEIN B300-701型Ω(OMEGA) 橡膠止水帶橫截面構(gòu)造(單位：mm)

6.1.2 該工程采用業(yè)界共識的接頭設(shè)計存在的問題

1) 問題的提出：水下開挖深槽后，珠江下游出?？谒赖幕赜偾闆r將嚴(yán)重加劇，就航道疏浚工作而言，不可能做到“隨淤隨清”；在大量回淤的土壓力荷載作用下，因沉管地基持續(xù)沉降使相鄰管段小接頭(原設(shè)計為柔性的)的接頭張開，且剪移錯動大，其受力安全和變形控制均不能保證，接頭錯動和張開從而造成滲漏將難以避免，尋求其解決對策已成當(dāng)務(wù)之急。

2) 此處在沿縱向不均勻分布的大回淤荷載作用下，如仍沿用管段柔性小接頭，必將導(dǎo)致管段接頭拉開、張角擴大和因剪切變形過大而錯動，產(chǎn)生滲漏。

6.2 解決方案——半剛性管節(jié)

20世紀(jì)80年代之前修建的沉管隧道，因為當(dāng)時還沒有“GINA止水帶”和“水力壓接法”工藝，所有的管段接頭都普遍做成為“剛性接頭”；由于它的水密性差，就有必要將地基沉降量降至最小，因而相應(yīng)地都采用了剛性樁基。近30年來，在出現(xiàn)“復(fù)合地基”和“水力壓接法”之后，管段柔性接頭已全面取代了剛性接頭，而復(fù)合地基(如上面所述的“擠密砂樁”地基處理)則在加固深度<25 m的情況下，相當(dāng)大部分地取代了剛性長樁。

1) 此處由于回淤荷載太大，管段間如仍沿用傳統(tǒng)的柔性接頭，將產(chǎn)生小接頭大量滲漏和剪切破壞。此處改為設(shè)計了可以保留部分或全部預(yù)應(yīng)力束筋不再切斷、而永久性地留置在管段小接頭處，并貫通180 m的管節(jié)全長，這就形成了“半剛性管節(jié)”。現(xiàn)該法已在港珠澳深厚軟基地段被設(shè)計采用。這在國外，尚只有荷蘭海音(Hein)沉管隧道一處先例。

2) 但如果管段接頭的剛性過大，則將使整個管節(jié)的剛性過大，而其地基變形位移量則都將集中于管節(jié)首尾的大接頭處，從而導(dǎo)致GINA止水帶預(yù)壓量(16～18 cm)耗盡而被拉開、相鄰管節(jié)間在大接頭處張角過大以及管節(jié)大接頭剪切鍵變形超限甚至破壞，最終將使大接頭滲漏，甚至突水，致使沉管隧道浸水，并導(dǎo)致修復(fù)工作極其困難的風(fēng)險。

3) 針對以上困難，經(jīng)過有關(guān)科研、設(shè)計、咨詢各方的通力合作及細(xì)致分析研究，對采用上述半剛性管節(jié)，從分析思路到設(shè)計優(yōu)化進(jìn)行了深入研討，上述問題已得到了較為滿意的解決。

6.3 采用半剛性管節(jié)有可能出現(xiàn)的問題

由于地基工后沉降問題的隨機性變化，管段小接頭如有未及預(yù)測的“拉開”情況，則臨時性再切斷所留存的部分預(yù)應(yīng)力筋將勢在必行。

1) 正常情況下，管段小接頭在承受預(yù)壓應(yīng)力和水力壓接產(chǎn)生的軸向壓力以后，其接頭是不允許被“拉開的”，但在各種不可預(yù)計到的隨機因素作用時，個別管段仍會有出現(xiàn)“拉開”的可能。這主要是因為小接頭張角引起，也有可能因剪切鍵錯移過大而產(chǎn)生；此時，如不能及時按事前切斷預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)計預(yù)案處理，將會因接頭滲漏而出現(xiàn)始料未及的危險。

2) 處治這一險情的方法，可能是：按計算有目的地再行切斷部分原先為永久性保留的預(yù)應(yīng)力束筋，這是一項雖不得已但卻又十分必要的唯一預(yù)案。其工作原理如圖17所示。

3) 關(guān)于上述切斷預(yù)應(yīng)力束筋問題，在工作進(jìn)行中必須妥慎安排，以使以下的各種副作用和負(fù)面效應(yīng)降至最?。孩兕A(yù)應(yīng)力筋切斷后，會引起瞬間各管段間小接頭抗剪能力的突然降低；②預(yù)應(yīng)力筋切斷后，會引起保留的尚存預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象，出現(xiàn)設(shè)計應(yīng)力超限；③預(yù)應(yīng)力筋切斷時的振動和沖擊力，有可能對正在運營中的隧道車流產(chǎn)生不利影響；④預(yù)應(yīng)力筋切斷時，隧道結(jié)構(gòu)有可能產(chǎn)生新的裂縫，或使原先裂縫進(jìn)一步擴展。

4) 此外，高強預(yù)應(yīng)力筋的張拉應(yīng)力值不宜過大，否則在海洋環(huán)境下因受氯離子(Cl-)腐蝕，對中、高強度的硬鋼而言將因“應(yīng)力腐蝕”(stress corrosion)而產(chǎn)生突發(fā)性的脆性連鎖性斷裂，從而危及隧道結(jié)構(gòu)的安全。

(a)預(yù)應(yīng)力索筋

(b)經(jīng)過及時切斷截面頂板(上緣)處的部分預(yù)應(yīng)力筋后

7 結(jié)論與討論

1) 對港珠澳大橋東、西人工島島內(nèi)和島外側(cè)以及島隧過渡段深厚軟基采用擠密砂樁復(fù)合地基加固處理，凸顯了可充分利用并有效增強砂樁間原有土體的承載能力及其變形剛度，達(dá)到了節(jié)約投資、縮短工期的目的。文中還比較了PHC剛性長樁和復(fù)合樁基(減沉樁)各自適用的不同地基加固深度，闡述了大范圍采用擠密砂樁目前尚未很好解決的困難和問題，以及在砂樁施工中應(yīng)注意的一些事項。

2) 在當(dāng)前國內(nèi)外普遍對沉管隧道采用柔性接頭以適應(yīng)、協(xié)調(diào)和均衡軟基土縱向差異沉降的情況下，因港珠澳大橋島隧過渡段海域存在大回淤水道的特定條件，本文論證了需要改用“半剛性管節(jié)”的必要性。為此，在組成180 m大管節(jié)的12段@ 22.5 m/段的各個管段小接頭處、設(shè)計了保留全部預(yù)應(yīng)力束筋不再切斷而作為永久性留置的新的設(shè)計理念。通過詳細(xì)的計算分析，充分論證了該項對策措施的合理性和必要性；這樣，仍可保留各個管段小接頭的一定柔性，不使相鄰管節(jié)大接頭出現(xiàn)剪切錯移過大，并保證大管節(jié)間的相對轉(zhuǎn)角量為可控，以及GINA止水帶的預(yù)壓量仍保持有不超限的安全儲備。

3) 此外，還探討了因沿沉管隧道縱向上覆回淤土分布以及各部段地基土性的不均勻性，可能導(dǎo)致各管段小接頭(盡管保留了永久預(yù)應(yīng)力筋)因彎矩值超限而產(chǎn)生的相鄰管段小接頭接縫被拉開的不測情況。其時，如不能及時控制使接縫重歸壓緊，則將產(chǎn)生日后接頭滲漏水的突發(fā)性危險。對此，文中提出了臨時截斷部分預(yù)應(yīng)力筋人為產(chǎn)生反向彎矩，以抵消上述因不測出現(xiàn)的另向彎矩，從而達(dá)到被拉開的接縫又重新閉合的效果。同時，還提出了由此派生的若干疑慮，以供與設(shè)計方作進(jìn)一步商榷改進(jìn)。

8 致謝和說明

本文中的文字介紹部分和有關(guān)圖表，有些參考摘引了港珠澳大橋設(shè)計施工總承包單位中交集團聯(lián)合體的相關(guān)文字材料，謹(jǐn)在此感謝。

文章在整理過程中主要參考了以下文件：

1)港珠澳大橋第1～6次技術(shù)專家組咨詢研討會議上散發(fā)的有關(guān)文件、資料；

2)筆者在歷次專家會議上的書面意見；

3)鄭剛、劉松玉、龔曉南等教授在2007年10月中國土木工程學(xué)會于重慶市召開的第十屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會議期間有關(guān)地基處理方面所作的學(xué)術(shù)報告，并在此處摘引了論文中的幾張圖、表。

CountermeasuresforDeepandThickSoftFoundationunderSeriousBack-siltingConditionCaseStudyonArtificialIslandandImmersedTunnelofHongKong-Zhuhai-MacaoBridgeProject

SUN Jun1,2

(1.InstituteofTunnelandUndergroundEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.AcademicianWorkingOffice,ShanghaiUrbanConstructionGroup,Shanghai200122,China)

The construction of the artificial island and immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge has the following two features:1) The deep,thick and large-area soft foundation of the artificial island and the immersed tunnel needs to be consolidated; 2) Instead of being cut off after the tube elements have been immersed and the longitudinal settlement becomes almost stable,the prestressed reinfored ties at the flexible joints of the immersed tube are kept permanently under serious back-silting condition.Furthermore,emergency countermeasures should be established in case unexpected edge opening occurs at the joints of the tube segments of the immersed tunnel in its long-term service life.In the paper,detailed analysis and discussion are made on the above-mentioned points.

Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge; artificial island; immersed tunnel; soft foundation consolidation; composite foundation; compaction sand pile; waterway with serious back-silting; semi-rigid tube; prestressed reinfored ties

2014-06-23

孫鈞(1926—)，男，江蘇蘇州人，1949年解放前夕畢業(yè)于上海國立交通大學(xué)土木工程系結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，國內(nèi)外隧道與地下工程知名學(xué)者、專家，同濟大學(xué)榮譽、終身、一級教授，中國科學(xué)院(技術(shù)科學(xué)部)資深院士，前國際巖石力學(xué)學(xué)會副主席暨中國國家小組主席，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會名譽理事長(前理事長)，中國土木工程學(xué)會顧問、名譽理事(前副理事長)，中國土木工程學(xué)會、中國公路學(xué)會、上海市土木工程學(xué)會等學(xué)會隧道與地下工程分會前副理事長、理事長。港珠澳大橋技術(shù)專家組專家。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.09.001

U 45

A

1672-741X(2014)09-0807-08