胡傳鵬，張濤，李云剛

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，跨江越海的水下隧道不斷增多，沉管法隧道以環(huán)保友好、易于兩岸接線、施工快速等優(yōu)點(diǎn)逐漸得到重視和青睞。特別是隨著上海外環(huán)線、港珠澳大橋、深中通道等隧道的建設(shè)，沉管法設(shè)計(jì)施工與理論技術(shù)不斷發(fā)展，沉管隧道基礎(chǔ)的研究也取得長(zhǎng)足進(jìn)步[1-2]。在實(shí)際隧道建設(shè)過程中，沉管地基基礎(chǔ)所面臨的地質(zhì)條件或環(huán)境條件通常比較復(fù)雜。由于天然地質(zhì)條件或上覆荷載的差異性，同一管節(jié)基底或相鄰管節(jié)基底地層存在較大變化。在工程設(shè)計(jì)中，最直接影響就是地基剛度的變化，進(jìn)而影響沉管隧道地基的不均勻沉降，而不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致剪力鍵結(jié)構(gòu)受力不利和管節(jié)接頭的變形或滲漏。因此考慮地層復(fù)雜性和不同荷載作用下地基剛度和地基沉降對(duì)沉管隧道結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)沉管地基基礎(chǔ)的研究取得大量成果，李建宇等[3]對(duì)外海軟土地層條件下沉管基礎(chǔ)沉降和差異控制技術(shù)問題進(jìn)行研究，提出基礎(chǔ)沉降主要組成和復(fù)合地基建議計(jì)算方法；許昱等[1]對(duì)離岸人工島島隧結(jié)合部沉管隧道基礎(chǔ)沉降控制進(jìn)行研究，提出基礎(chǔ)加固措施和管節(jié)預(yù)抬量值；王勇等[4]通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)值分析對(duì)砂卵石地層的力學(xué)特性和變形規(guī)律進(jìn)行研究；王延寧等[5]基于物理模型試驗(yàn)和理論分析對(duì)港珠澳大橋島隧結(jié)合部地基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)和研究。以上關(guān)于沉管基礎(chǔ)的研究大多基于軟弱地層處理或砂卵石地層，對(duì)于硬巖軟巖不均勻地層以及管節(jié)上覆荷載突變等工況研究相對(duì)較少。

本文以大連灣海底隧道工程為背景，對(duì)下穿防波堤段軟硬不均地層條件的沉管基礎(chǔ)進(jìn)行研究，分析上覆荷載突變作用、強(qiáng)中風(fēng)化硬巖與粉質(zhì)黏土軟質(zhì)地層不均勻過渡條件下地基剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及沉降的影響[6-11]，為沉管地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也為今后同類工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

大連灣海底隧道工程北起梭魚灣20號(hào)路，向南進(jìn)入大連灣海域，以沉管的形式下穿大連灣，在大連港3號(hào)、4號(hào)碼頭中間的港池登陸，隧道在港池中平行于碼頭走行，然后隧道主線折向東、沿港隆西路東街至人民路西側(cè)接地。隧道全長(zhǎng)約5.1 km，沉管段隧道長(zhǎng)3 080 m，采用城市快速路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度60 km/h。

城市道路為雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)，沉管斷面采用兩孔一管廊斷面，中間管廊設(shè)排煙道，結(jié)構(gòu)寬度33.4 m，結(jié)構(gòu)高度9.7 m。

隧道縱向采用0.3%～4%坡度的W形縱坡設(shè)計(jì)，單個(gè)沉管標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180 m，為節(jié)段式管節(jié)結(jié)構(gòu)，每個(gè)管節(jié)由8個(gè)小節(jié)段組成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度為22.5 m，全線共布置18個(gè)管節(jié)；防波堤位于E12管節(jié)管頂，沉管施工過程中拆除并在沉管施工完成后復(fù)建；E8—E12管節(jié)位于粉質(zhì)黏土等軟土地層，其余管節(jié)位于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化硬巖地層。隧道地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 沉管隧道地質(zhì)縱斷面圖Fig.1 Geological profile of immersed tunnel

2 計(jì)算參數(shù)取值

根據(jù)地勘報(bào)告，管節(jié)沉降及地基剛度巖土計(jì)算參數(shù)如表1所示。由于防波堤下地基土體壓密作用，地基強(qiáng)度相對(duì)其他斷面較高，本計(jì)算選取e-p曲線的Es2-4壓縮模量作為計(jì)算參數(shù)。地質(zhì)參數(shù)取值如表2所示。

表1 軟土下臥層段地質(zhì)參數(shù)Table 1 Geological parameters of soft soil underlying layer

表2 防波堤位置地質(zhì)參數(shù)Table 2 Geological parameters of breakwater location

3 下穿防波堤沉管地基處理及沉降控制

3.1 沉管基礎(chǔ)墊層設(shè)計(jì)

大連灣沉管隧道基礎(chǔ)采用先鋪法碎石墊層，墊層為V形槽的壟溝相間形式，縱斷面呈鋸齒形，平面S形鋪設(shè)，標(biāo)準(zhǔn)沉管段碎石頂橫向?qū)挾?7.4 m，單壟溝縱向?qū)挾?.8 m，V形槽頂縱向?qū)挾?.05 m，碎石墊層厚度為1.3 m。

沉管下穿防波堤段土層分布較復(fù)雜，自上而下依次為素填土、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化板巖，局部分布有角礫。

假定下穿防波堤段僅鋪設(shè)1.3 m厚碎石墊層的天然地基條件下縱向荷載變化和地基剛度計(jì)算如圖2、圖3所示。由計(jì)算結(jié)果可知，防波堤位置最大管底荷載超250 kPa，地基剛度相較臨近管節(jié)有明顯下降，剛度變化存在較大突變。

圖2 沉管管節(jié)縱向管底荷載值Fig.2 Load value of longitudinal tube bottom of immersed tube element

圖3 沉管地基剛度Fig.3 Foundation stiffness of immersed tunnel

3.2 基礎(chǔ)處理

下穿防波堤位置的地基沉降和結(jié)構(gòu)內(nèi)力，采用數(shù)值分析軟件進(jìn)行荷載-結(jié)構(gòu)模型有限元數(shù)值計(jì)算，分析管節(jié)接頭的非線性效應(yīng)，并考慮地基不均勻剛度對(duì)結(jié)構(gòu)和接頭的影響。地層采用地基彈簧模擬，地層變形遵從溫克假定，管節(jié)法向土彈簧用只受壓的線性彈簧單元模擬；管節(jié)切向土彈簧采用雙向多線性彈簧單元來模擬；管節(jié)接頭采用多線性彈簧模擬GINA和鋼剪力鍵支座，并采用多線性彈簧模擬混凝土剪力鍵傳力墊層。天然地基條件下管節(jié)縱向沉降及結(jié)構(gòu)內(nèi)力見圖4～圖6。

圖4 SLS組合管節(jié)縱向最大沉降分布圖Fig.4 Distribution diagram of maximum longitudinal settlement of SLS combined element

圖5 ULS組合管節(jié)接頭最大剪力Fig.5 Maximum shear force of ULS combined element joint

圖6 ULS組合節(jié)段接頭最大剪力Fig.6 Maximum shear force of ULS combined segment joint

沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管節(jié)接頭剪力鍵抗剪承載力為20 000 kN，節(jié)段接頭剪力鍵抗剪承載力為14 880 kN。計(jì)算可知，僅鋪設(shè)1.3 m碎石墊層的天然地基下管節(jié)沉降最大值為8.95 cm，位于臨近防波堤的E11管節(jié)，主要是因?yàn)樵摴芄?jié)下存在約16 m厚紅黏土軟土層；管節(jié)接頭和節(jié)段接頭張開量、管節(jié)接頭抗剪滿足要求，E11管節(jié)S3&S4接頭（地基剛度突變處）、E12管節(jié)S3&S4接頭（防波堤下方）、E12管節(jié)S5&S6接頭（防波堤南側(cè)）節(jié)段接頭剪力超出設(shè)計(jì)值。

這是由于處于軟土地層的防波堤處管底荷載突然增大，防波堤段前后管底地基剛度過渡不滿足設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致該處的節(jié)段接頭剪力增大，因此考慮對(duì)該區(qū)段范圍地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，以滿足剛度過渡的要求。

下穿防波堤E12管節(jié)、E11管節(jié)位于黏土層，E13管節(jié)部分位于硬巖層，為保證下穿防波堤管節(jié)與臨近管節(jié)地基剛度的均勻過渡，減小中間軟土層地基與兩端基巖地基區(qū)段基礎(chǔ)剛度的差異突變，在E8—E13管節(jié)存在軟土層基底段均設(shè)置2.0 m厚換填塊石，并換填管底軟弱高壓縮性紅黏土，考慮防波堤復(fù)建對(duì)管節(jié)沉降和變形的影響，對(duì)該部分區(qū)域軟土深槽采取加深夯填塊石的地基處理措施，換填深度6.2 m?；A(chǔ)處理方案見圖7。

圖7 地基處理方案示意圖Fig.7 Schematic diagram of foundation treatment scheme

地基處理后的地基剛度見圖3，管節(jié)最大沉降6.50 cm，節(jié)段接頭最大剪力見圖8。由計(jì)算結(jié)果可知，地基處理加固后地基剛度能夠滿足結(jié)構(gòu)變形和受力需要，接頭內(nèi)力滿足結(jié)構(gòu)承載能力。

圖8 地基加固節(jié)段接頭最大剪力Fig.8 Maximum shear force of element joint of foundation reinforcement

3.3 沉降控制

防波堤所在位置存在下臥軟弱土層，在沉管施工完成防波堤復(fù)建后由防波堤自重及由波浪力、水流力引起的防波堤附加應(yīng)力，使沉管管底承受更大的荷載，增大管底沉降和變形，為控制管節(jié)下穿防波堤位置的管底沉降，減小縱向管節(jié)接頭的差異變形和剛度變化，提出以下處理方案。

1）防波堤結(jié)構(gòu)減載

為減小防波堤復(fù)建結(jié)構(gòu)荷載對(duì)沉管的影響，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，滿足抗傾覆、抗滑移和承載力條件下，為減小用海范圍、降低造價(jià)及降低施工難度，采用直立式沉箱結(jié)構(gòu)，擋浪墻頂高3.64 m，坐落在沉管覆蓋層上，沉箱寬16.5 m，高13.0 m，箱內(nèi)不滿回填，前3個(gè)倉(cāng)格內(nèi)填料標(biāo)高-10.0 m，第3個(gè)倉(cāng)格內(nèi)填料標(biāo)高-5.0 m，擋浪墻海側(cè)上頂寬6.0 m。基床采用10～100 kg塊石，基床防護(hù)采用50～100 kg塊石，計(jì)算最不利工況下對(duì)管底附加荷載為148 kPa，滿足地基承載和變形要求。防波堤與沉管平面位置關(guān)系見圖9，防波堤結(jié)構(gòu)立面圖見圖10。

圖9 防波堤與沉管平面位置關(guān)系圖Fig.9 Plane position relationship between breakwater and immersed tube

圖10 防波堤結(jié)構(gòu)立面圖Fig.10 Elevation of breakwater structure

2）設(shè)置管節(jié)預(yù)抬量

根據(jù)沉管管底沉降計(jì)算可知，下穿防波堤段管節(jié)在基礎(chǔ)加固處理及防波堤復(fù)建后E12管底最大沉降為5.3 cm，E13管底已進(jìn)入基巖，最大沉降為2 cm，E11臨近E12管節(jié)接頭側(cè)最大沉降為3.6 cm?？紤]在沉管完成沉放對(duì)接和頂部回填覆蓋階段，頂部荷載以回填碎石及塊石為主，本階段產(chǎn)生的沉降為2.36 cm，為減小管節(jié)差異沉降造成的影響，對(duì)E12管節(jié)預(yù)抬量確定設(shè)為5.3 cm-3.6 cm+2.36 cm=4.06 cm。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以大連灣海底隧道工程為背景，采用理論計(jì)算和數(shù)值分析的方法，對(duì)下穿防波堤管節(jié)的基礎(chǔ)處理和沉降控制進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）下穿防波堤段沉管隧道由于上覆荷載的突變?cè)龃螅捎锰烊坏鼗荒軡M足結(jié)構(gòu)受力和變形的需要，E11和E12節(jié)段接頭剪力超出結(jié)構(gòu)抗剪承載能力；

2）軟土地層采用整體換填2 m厚塊石和下穿防波堤沉管管底局部深槽塊石夯填的地基處理方式，有利于地基剛度的均勻過渡，保證結(jié)構(gòu)受力滿足設(shè)計(jì)要求；

3）采用部分充填塊石的直立式沉箱結(jié)構(gòu)和設(shè)置管節(jié)預(yù)抬量的方式，可有效控制下穿防波堤管節(jié)的差異沉降，減小縱向管節(jié)接頭的差異變形和剛度變化。

4）目前E12管節(jié)上部防波堤復(fù)建結(jié)構(gòu)尚未完成施工，應(yīng)持續(xù)監(jiān)測(cè)管節(jié)變形和受力情況，鑒于防波堤結(jié)構(gòu)對(duì)沉管受力和變形影響復(fù)雜，建議建立防波堤與沉管結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型研究防波堤荷載作用下對(duì)管節(jié)沉降和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。