，， ，

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222)

1 工程背景

港珠澳大橋是連接香港特別行政區(qū)、珠海市與澳門特別行政區(qū)的重要交通樞紐，是國家規(guī)劃的珠三角區(qū)域環(huán)線的重要組成部分。主體工程長約29.6 km，采用橋-島-隧結(jié)合方案，穿越伶仃西航道和銅鼓航道段約6.7 km采用沉管隧道方案，其余約22.9 km采用橋梁方案，如圖1所示。為方便實(shí)現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換和設(shè)置通風(fēng)井， 主體工程隧道兩側(cè)設(shè)置東、西人工島。人工島與隧道的過渡段接口設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，需要隧道不同區(qū)段(從暗埋段到沉管段)的結(jié)構(gòu)剛度、地基變形和幾何尺寸的平滑過渡，如圖2所示。島—隧過渡段隧道由于埋深逐漸變小，下臥軟弱土層厚度也逐漸變化，設(shè)計(jì)時(shí)須同時(shí)考慮上述結(jié)構(gòu)因素和地質(zhì)因素。根據(jù)地勘報(bào)告，沉管下部天然地層以淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土為主，主要加固土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖1 港珠澳大橋項(xiàng)目位置Fig.1 Location of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge

2 沉管基礎(chǔ)沉降監(jiān)測

2.1 施工工藝

設(shè)計(jì)采用擠密砂樁+堆載預(yù)壓的方式對(duì)該區(qū)段軟弱地基進(jìn)行處理以減小總沉降，控制相鄰管節(jié)間的差異沉降，同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。擠密砂樁法(sand compaction pile，SCP)自1967年在日本開始應(yīng)用于海上工程，先后在日本的關(guān)西機(jī)場一期工程、東京灣海隧海橋公路工程及韓國的釜山公路沉管隧道工程中成功應(yīng)用[1- 2]。目前大型砂樁作業(yè)船具備自動(dòng)供砂投砂計(jì)量、砂面監(jiān)測、擠密壓力控制和GPS海上定位等功能，自動(dòng)化程度較高，因此具有很好的施工效率，可在較短時(shí)間內(nèi)提高地基承載力[3]。配合堆載預(yù)壓技術(shù)，在海上地基加固工程中具有非常明顯的優(yōu)勢[4-5]。因此在沉管過渡段地基處理方案選擇時(shí)采用SCP工藝，如圖3所示。通過控制擠密砂樁的置換率來實(shí)現(xiàn)過渡段地基剛度的平滑過渡。監(jiān)測工作開始前對(duì)擠密砂樁進(jìn)行3次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(standard penetration test，SPT)，其結(jié)果如圖4所示。通過水下設(shè)置沉降監(jiān)測設(shè)備對(duì)其產(chǎn)生的沉降進(jìn)行監(jiān)測，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖5所示。

表1 主要加固土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical indexes of the reinforcement layers

注：下標(biāo)UU代表不固結(jié)、不排水剪試試驗(yàn)；下標(biāo)CU代表固結(jié)、不排水剪試驗(yàn)

圖3 海上擠密砂樁施工工藝Fig.3 Construction techniques of sand compaction piles(SCP) on the sea

圖4 擠密砂樁標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of standard penetration test on SCP

圖5 過渡段堆載試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.5 Arrangement of settlement monitoring points for loading test

水下堆載采用皮帶船加定位駁定向拋填的方式進(jìn)行，A—C斷面碎石拋填從2012年4月27日開始，到5月18日基本達(dá)到堆載高度要求開始滿載計(jì)時(shí)，截至8月23日該區(qū)域從開始堆載累計(jì)計(jì)時(shí)118 d；D—F斷面從2012年5月27日開始堆載，到2012年6月12日基本達(dá)到堆載高度要求開始滿載計(jì)時(shí)，截至8月23日該區(qū)域從開始堆載累計(jì)計(jì)時(shí)88 d。

2.2 沉降監(jiān)測設(shè)備

圖6 液體壓差式沉降儀原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of liquid pressure settlement sensor

圖7 分布式網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)Fig.7 Distributed network measurement system

圖8 沉降儀安裝過程Fig.8 Installation process of settlement sensor

試驗(yàn)現(xiàn)場位于伶仃洋開敞海域，常規(guī)的沉降桿等光學(xué)測量方法無法應(yīng)用于本試驗(yàn)的水下環(huán)境，因此，需要開發(fā)一種可靠穩(wěn)定的水下沉降監(jiān)測設(shè)備。經(jīng)比選，采用液體壓差式沉降儀來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。該儀器是通過測量系統(tǒng)內(nèi)固定點(diǎn)與沉降點(diǎn)之間的相對(duì)液體壓力的差值導(dǎo)致的不同振弦頻率來獲得沉降。它由儲(chǔ)液罐、傳感器和液體傳遞管路3部分組成，隨著地基沉降的發(fā)生，系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)液罐和傳感器相對(duì)距離的變化引起容器內(nèi)壓力差值的改變，進(jìn)而通過振弦頻率的不同來獲得沉降。根據(jù)壓力差的變化可以計(jì)算出兩點(diǎn)之間的高程變化，從而得出地基的沉降。液體壓差式沉降儀的原理如圖6所示。國外學(xué)者將該系統(tǒng)部分應(yīng)用于陸域形成過程中堆載處理軟土地基時(shí)的沉降監(jiān)測，而深海水下環(huán)境中鮮有應(yīng)用案例。因此,需要對(duì)其測量主體及附屬的導(dǎo)線進(jìn)行密封性能的改進(jìn)，使其適用于深水工作環(huán)境[6-7]。另外，為實(shí)現(xiàn)無線測量，還需配備數(shù)據(jù)采集模塊和無線傳輸模塊，如圖7所示。

儀器安裝時(shí)，首先用70 m大型自航駁定位，通過四角卷錨機(jī)調(diào)整船體與沉管軸線呈90°，中心位置與埋設(shè)鉆孔中間點(diǎn)位置重合。鉆機(jī)鉆進(jìn)，打設(shè)預(yù)鉆孔至基巖層；根據(jù)鉆孔進(jìn)尺，計(jì)算10寸鍍鋅鋼管長度使其底部到達(dá)基巖后桿頂部恰好在泥面下1 m附近，將其連接傳感器后安放至基巖層，然后由潛水員潛至水下基底處，將帶有沉降板的儲(chǔ)液罐等部件(如圖8所示)安放在預(yù)定位置。整個(gè)安裝過程儲(chǔ)液罐傾斜角度不宜超過15°，沉降板應(yīng)平整置于泥面上，不能懸空。儀器安放完成后，在預(yù)鉆孔內(nèi)回填黏土球或水泥砂漿，沉降板上覆砂袋保護(hù)。潛水員將水中的導(dǎo)線整理至高強(qiáng)螺紋外保護(hù)管內(nèi)，外保護(hù)管用U型卡與地面固定并上覆砂袋保護(hù)，沿隧道軸線引至鋼圓筒上的自動(dòng)采集裝置(如圖7所示)。 傳感器埋設(shè)完成后，測讀初讀數(shù)并設(shè)置連續(xù)觀測。

本試驗(yàn)在開敞海域水下進(jìn)行，儀器安裝難度極大，作業(yè)船易受風(fēng)浪和潮汐作用影響發(fā)生較大位移。受這一不利因素影響，在儀器埋設(shè)過程中極易造成傳感器測量電纜或通氣通液管撕扯斷裂或密封失敗，另外也易造成水平和垂直定位偏差。因此，選擇作業(yè)時(shí)機(jī)非常關(guān)鍵。實(shí)施過程須避開漲落潮時(shí)間段，盡可能選擇在一個(gè)平潮期內(nèi)完成單個(gè)儀器的埋設(shè)。除此之外，還采取多個(gè)措施，例如：盡可能選擇大型自航駁，一個(gè)斷面布設(shè)多組鉆機(jī)同時(shí)作業(yè)提高效率(圖9)；根據(jù)潮汐漲落及時(shí)調(diào)整纜繩；測量電纜保護(hù)管間設(shè)置快接接頭以盡量減少安裝時(shí)間等。采取上述一系列措施使得測點(diǎn)埋設(shè)成功率大大提高，除A2點(diǎn)和B點(diǎn)發(fā)生損壞外，其余各點(diǎn)均工作良好，水下儀器埋設(shè)成功率達(dá)到85.7%。

圖9 鉆探作業(yè)平臺(tái)示意圖Fig.9 Schematic diagram of drilling platform

2.3 數(shù)據(jù)采集

監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集方式一般有2種：一種是通過電纜直接測讀或是將其引至在測點(diǎn)附近設(shè)置浮標(biāo)或測量平臺(tái)測讀的有線測讀方式；另一種則是數(shù)據(jù)采集與發(fā)送集成的無線方式，將采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊經(jīng)由移動(dòng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)至接收端[7]。本次試驗(yàn)采用第1種方法，即采用導(dǎo)線沿隧道軸向引至鋼圓筒后進(jìn)行陸上采集。數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備采用美國基康的BGK-Micro-40分布式網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)(見圖7)，該方式技術(shù)成熟可靠，環(huán)境適應(yīng)性好，便于故障排查，節(jié)約成本。具體過程是：由監(jiān)測儀器引出的測量導(dǎo)線通過高強(qiáng)保護(hù)管沿管節(jié)的軸向引至鋼圓筒，由設(shè)置在鋼圓筒上的自動(dòng)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

采用長導(dǎo)線陸上采集的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，具備技術(shù)成熟、儀器穩(wěn)定可靠和便于排查故障3方面優(yōu)勢。但導(dǎo)線過長之后，上部拋石作業(yè)施工及往來船只對(duì)導(dǎo)線的安全存在隱患。導(dǎo)線的水下布設(shè)和保護(hù)工作對(duì)整個(gè)監(jiān)測工作的順利進(jìn)行至關(guān)重要。因此，我們?cè)趦x器埋設(shè)后即刻把儀器導(dǎo)線穿入保護(hù)管，沉入清除隆起后的砂樁頂面，沿基槽軸線方向引至鋼圓筒底部，拋填基床碎石將其覆蓋保護(hù)，再通過焊在鋼圓筒外側(cè)的720 mm鋼護(hù)管引至設(shè)在筒頂?shù)淖詣?dòng)采集系統(tǒng)。與此同時(shí)，采取如下多種措施對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行保護(hù)。

(1)各組傳感器導(dǎo)線事先用鋼絲繩1 m一結(jié)捆好，繩子短而導(dǎo)線長，既避免在穿高強(qiáng)膠管的時(shí)候?qū)Ь€受拉，又可以為日后地面沉降留出余量，如圖10所示。

圖10 測試導(dǎo)線綁扎示意圖Fig.10 Schematic diagram of test lead wire binding

(2)每個(gè)傳感器自帶導(dǎo)線長度約35 m，傳感器埋設(shè)完畢后，導(dǎo)線頭留在鉆探平臺(tái)上，然后提套管，套管總長大約25 m，每3 m卸一段套管，每卸一段套管，將導(dǎo)線抽過來，直到將所有套管都卸完。在抽導(dǎo)線的過程中要注意保護(hù)導(dǎo)線，防止導(dǎo)線外絕緣皮被套管刮破。

圖11 “L”型保護(hù)裝置示意圖Fig.11 Schematic diagram of L-shaped wire protector

(3)提完套管后順導(dǎo)線頭穿入高強(qiáng)保護(hù)膠管，高強(qiáng)度膠管端頭連接一個(gè)“L”型三通，三通外端開一個(gè)3 cm的小槽，“L”型三通如圖11所示。高強(qiáng)度膠管每根10 m，且裝有專門接頭，便于連接，高強(qiáng)度膠管上每間隔2 m開一個(gè)小洞，使膠管在下沉過程中順利注水，防止漂浮。將膠管順導(dǎo)線引入傳感器根部，根部導(dǎo)線順 “L”型三通上的小槽壓入保護(hù)管內(nèi)，再將“L”型三通下部壓入砂面，使高強(qiáng)度膠管與砂面平，如圖12所示。

圖12 “L”型保護(hù)裝置安裝過程示意圖Fig.12 Installation of L-shaped wire protector

(4)每組儀器埋設(shè)完畢并且穿上足夠長度(約為儀器埋設(shè)的孔口位置到鉆探船中部的距離)支路高強(qiáng)度膠管后，用圖13所示密封裝置進(jìn)行導(dǎo)線連接。同一斷面的3處儀器均按照上述保護(hù)措施完成后，3條支路高壓膠管按照?qǐng)D14所示的方式合并至主線，主線沿軸線連接至測試平臺(tái)。高強(qiáng)膠管布設(shè)時(shí)應(yīng)使用預(yù)先加工的U型夾將其固定到海底表面處。高強(qiáng)膠管接頭部位采用快接式接頭以減小布設(shè)時(shí)間，提高效率的同時(shí)盡量減少作業(yè)時(shí)間而提高成活率，如圖14所示。

圖13 導(dǎo)線密封接頭示意圖Fig.13 Schematic diagram of wire sealing joint

圖14 高強(qiáng)保護(hù)管三通示意圖Fig.14 Schematic diagram of T-joint of high strength protection tube

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

液體壓差式沉降儀獲得的沉降-時(shí)間曲線如圖15所示。從圖15可看出，擠密砂樁復(fù)合地基沉降變形特點(diǎn)主要體現(xiàn)為前期固結(jié)沉降迅速，后期沉降緩慢。經(jīng)加固后的地基沉降最大值控制在400 mm以內(nèi)。

圖15 現(xiàn)場實(shí)測沉降-時(shí)間曲線Fig.15 Settlement-time curves measured on site

基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)預(yù)估地基最終沉降有多種方法[8-9]。Tan 等[10]于1991年提出雙曲線方法，該方法認(rèn)為復(fù)合地基沉降St與加載時(shí)間t之間呈雙曲線關(guān)系，任意時(shí)刻的沉降St可用式(1)表示。

(1)

則復(fù)合地基最終沉降可表示為

(2)

式中：S為預(yù)測最終沉降；S0為滿載前的初始沉降；St為t時(shí)刻的沉降；α和β分別是經(jīng)變換后曲線的截距和斜率；t為自滿載后的加載時(shí)長。

Asaoka[11]于1978年提出一種基于圖形的最終沉降預(yù)測方法，通過對(duì)全部監(jiān)測數(shù)據(jù)取不同時(shí)間間隔而后作圖，第i個(gè)點(diǎn)的沉降Si可由i-1點(diǎn)的沉降Si-1按式(3)來表示，即

Si=β0+β1Si-1。

(3)

式中β0，β1為擬合系數(shù)。當(dāng)沉降不再增加，逐漸穩(wěn)定時(shí)為最終沉降，則有

S=Si=Si-1。

(4)

將式(3)和式(4)聯(lián)立，地基最終沉降可表示為

(5)

除此之外，根據(jù)Terzaghi一維固結(jié)理論[12]，固結(jié)沉降曲線符合指數(shù)形式，沉降St可由式(6)表示。

St=(S-S0)(1-αe-βt)+S0。

(6)

在St-t曲線上選取時(shí)間間隔相同的3點(diǎn)S1，S2，S3，則最終沉降可表示為[13]

(7)

以C點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，選取不同的時(shí)間間隔獲得的預(yù)測最終沉降結(jié)果如圖16所示。從圖16可以看出時(shí)間間隔不同，則預(yù)測結(jié)果的離散程度不同，時(shí)間間隔越小，結(jié)果離散程度越高。因此，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在合理范圍內(nèi)選取盡可能大的時(shí)間間隔來獲得理想結(jié)果。

圖16 三點(diǎn)法推算的最終沉降Fig.16 Final settlements predicted by Three-point Method

擠密砂樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算往往采用未加固地基的計(jì)算沉降乘以沉降折減系數(shù)β來獲得[14-15]。Aboshi基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)提出擠密砂樁沉降計(jì)算時(shí)沉降折減系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為[16]

(8)

式中：as為面積置換率；n為樁土應(yīng)力比。

以C點(diǎn)為例，其所在位置擠密砂樁置換率為42%，取樁土應(yīng)力分擔(dān)比為6.2[15]，根據(jù)Aboshi方法計(jì)算得到的結(jié)果與基于實(shí)測數(shù)據(jù)預(yù)測的最終沉降結(jié)果對(duì)比如圖17所示。

圖17 預(yù)測最終沉降與計(jì)算值對(duì)比Fig.17 Predicted settlements compared with calculated results

從圖17可看出除三點(diǎn)法(10 d)計(jì)算結(jié)果明顯偏小外，使用雙曲線法、Asaoka法和三點(diǎn)法所得到的計(jì)算結(jié)果與Aboshi方法得到的結(jié)果均非常接近。其中雙曲線法得到的結(jié)果略大，偏于保守，而Asaoka法則略小于計(jì)算值。三點(diǎn)法(20 d)預(yù)測結(jié)果與Aboshi計(jì)算值最為接近。

4 結(jié)論和建議

本文詳細(xì)介紹了深海條件下沉管隧道基礎(chǔ)水下沉降觀測的技術(shù)方法。初步結(jié)論與建議如下：

(1)通過特殊處理增強(qiáng)密封性能的液體壓差式沉降儀可適用于水深20 m以內(nèi)的沉降監(jiān)測應(yīng)用，具有精度高、可遠(yuǎn)程測讀和無人值守等突出優(yōu)點(diǎn)。

(2)水下儀器安裝難度大，應(yīng)選擇合理的埋設(shè)時(shí)機(jī)以及一系列技術(shù)措施，包括減少導(dǎo)線接頭、設(shè)置密封箱、高強(qiáng)保護(hù)膠管配合U型卡及快接接頭等來提高監(jiān)測儀器的埋設(shè)成功率。

(3)基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，采用指數(shù)三點(diǎn)法、雙曲線法和Asaoka法預(yù)測地基最終沉降，結(jié)果表明3種方法得到的結(jié)果差距不大，雙曲線法得到的預(yù)測值略大，而使用三點(diǎn)法應(yīng)盡可能選取較大時(shí)間間隔來獲得理想結(jié)果。

(4)采用Aboshi提出的SCP復(fù)合地基沉降計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算并與實(shí)測結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明在低置換率時(shí)(as<50%)，Aboshi方法與基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的預(yù)測結(jié)果具有很高的一致性。

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