褚 晟

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

0 引言

近年來，沉管隧道由于其預(yù)制構(gòu)件水密性好、斷面適應(yīng)性強(qiáng)、工期短、可控性好，逐漸成為水下隧道建設(shè)的主要形式。沉管隧道基槽底部開挖時(shí)產(chǎn)生的許多不規(guī)律空隙，不僅會(huì)使管段結(jié)構(gòu)受到較高的局部應(yīng)力而開裂，還會(huì)因不均勻沉降導(dǎo)致管段接頭處產(chǎn)生過大錯(cuò)動(dòng)而滲漏，因此必須對(duì)沉管隧道的地基進(jìn)行處理。其中，砂流法因其成本低、對(duì)砂樣要求低、對(duì)航道影響小的優(yōu)點(diǎn)，是目前較為常用的一種水下沉管隧道地基處理方法。

砂流法是指在沉管管段底板處預(yù)設(shè)灌砂孔道，待管段沉放后，利用灌砂設(shè)備經(jīng)由底板的灌砂孔道，往底板與沉管隧道基槽之間的間隙壓注砂水混合料，從而壓實(shí)間隙形成穩(wěn)定的砂墊層。本文對(duì)于沉管隧道砂流法施工中所出現(xiàn)的灌砂孔道堵塞、管節(jié)大幅度抬升、砂盤充滿度不足等常見工程問題進(jìn)行分析，并結(jié)合工程實(shí)例給出相應(yīng)的解決對(duì)策。

1 灌砂孔道堵塞

1.1 現(xiàn)象及后果

在進(jìn)行沉管隧道基礎(chǔ)灌砂過程中，管段內(nèi)部灌砂孔道被堵塞的現(xiàn)象十分普遍。如位于廣東省廣州市的洲頭咀隧道，E1～E2管段共設(shè)置52個(gè)灌砂孔道，在進(jìn)行基礎(chǔ)灌砂過程中，管段共計(jì)有13 處灌砂孔道堵塞，堵孔率25.0%，且均為邊孔。又如位于江西省南昌市的紅谷隧道，E1～E4管段共設(shè)置147個(gè)灌砂孔道，在進(jìn)行基礎(chǔ)灌砂過程中，管段共計(jì)有24處灌砂孔道堵塞，堵孔率16.3%，依舊均為邊孔[1]。由此可見，隧道管段基礎(chǔ)灌砂過程中，灌砂孔道堵塞是一種極為常見的現(xiàn)象，且極易發(fā)生于邊孔。

灌砂孔道堵塞會(huì)產(chǎn)生一系列不良影響，不僅會(huì)延誤工期，浪費(fèi)人力、物力、財(cái)力，更會(huì)造成基礎(chǔ)灌砂量減少，砂盤擴(kuò)散半徑減小，灌砂基礎(chǔ)密實(shí)度降低，砂基礎(chǔ)厚度不一等后果，以致后期隧道在使用階段存在不均勻沉降的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而對(duì)隧道的使用壽命造成影響。

1.2 原因分析

灌砂孔道的堵塞大致可分為兩類：一類為正常堵孔；另一類為意外堵孔。

所謂正常堵孔，即因砂盤已經(jīng)充滿而導(dǎo)致孔道內(nèi)砂無法排出的堵孔現(xiàn)象。例如，管段第一個(gè)灌砂孔道的灌砂量遠(yuǎn)超理論單孔灌砂量，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致其他灌砂孔道的實(shí)際所需灌砂量低于理論單孔灌砂量，當(dāng)按理論單孔灌砂量灌注時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)堵孔的現(xiàn)象。由于灌砂順序一般為先中孔、后邊孔，而中孔灌砂量高，砂盤擴(kuò)展半徑較大，故相鄰的邊孔易堵孔。

意外堵孔，即因監(jiān)測(cè)不當(dāng)、參數(shù)控制不當(dāng)、環(huán)境復(fù)雜等意外因素而導(dǎo)致孔道內(nèi)砂無法排出的堵孔現(xiàn)象。分析其原因，主要有以下幾種：

（2）參數(shù)控制不當(dāng)。在施工過程中，砂水質(zhì)量比、壓力、時(shí)間等參數(shù)的精準(zhǔn)控制也極為重要，若有不當(dāng)也極易導(dǎo)致孔道的堵塞。

（3）復(fù)雜的環(huán)境狀況。若隧道基槽開挖階段施工效果不佳，導(dǎo)致開挖后的基槽地形不夠平整，極易因砂盤的擴(kuò)展受阻而使灌砂孔道堵塞。

1.3 預(yù)防對(duì)策

為了盡量避免堵孔現(xiàn)象的發(fā)生，在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)合理設(shè)計(jì)基槽間隙（即砂層灌注厚度）、灌砂孔布置以及砂水質(zhì)量比等參數(shù)，有條件時(shí)應(yīng)事先進(jìn)行模型試驗(yàn)。在基槽開挖階段，應(yīng)盡量使基槽面保持平整以利于砂盤的擴(kuò)展。在灌砂階段，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌砂孔道暢通情況，若有灌砂孔道堵塞的征兆出現(xiàn)，應(yīng)及時(shí)采取減小砂水比注砂或灌注清水等方式，疏通灌砂孔道。最后，當(dāng)砂量接近預(yù)計(jì)量時(shí)，應(yīng)采用設(shè)備探測(cè)或組織潛水員下水探摸，檢查砂盤的形成狀況。

2 管節(jié)大幅度抬升

2.1 管節(jié)抬升影響

實(shí)際施工中，不同程度的管節(jié)抬升對(duì)沉管隧道有著不同的影響。小幅度的、均勻的管節(jié)抬升可對(duì)縮小流縫和流槽等結(jié)構(gòu)縫隙的厚度有著顯著作用，可以在管節(jié)底部形成硬殼層，提高砂盤密實(shí)度。所以經(jīng)常在工程施工中預(yù)留允許范圍內(nèi)的小幅上抬量，使施工時(shí)管節(jié)小幅度抬升，以減少管節(jié)施工后的沉降及地基地震液化幾率等風(fēng)險(xiǎn)。雖然小幅的抬升對(duì)施工有利，但是大幅度的抬升卻會(huì)對(duì)沉管隧道工程的質(zhì)量安全造成很大的影響。管段連接處將會(huì)受到較大應(yīng)力，導(dǎo)致連接處開裂、漏水，進(jìn)而對(duì)工程質(zhì)量和通行安全造成影響。因此，灌漿過程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管節(jié)上抬情況，避免較大幅度的上抬。施工中，還要設(shè)置防滲的保護(hù)措施，保障工程質(zhì)量。

2.2 解決對(duì)策

在工程中可以把管節(jié)小幅度抬升作為停止加砂的標(biāo)志，此外，為了嚴(yán)格防止管節(jié)大幅度抬升，通常采用對(duì)管節(jié)位置和對(duì)砂盤擴(kuò)展進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及人工潛水探摸等方法來控制停止加砂的時(shí)機(jī)。

（1）對(duì)管節(jié)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。施工中常用水平儀對(duì)沉管的軸線位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證管節(jié)處在預(yù)定范圍內(nèi)。此外，也可以采用全站儀法、RTK—GPS法、聲納法、機(jī)械法等多種管節(jié)沉放定位測(cè)量方法，或者由這幾種方法互相配合所形成的組合方法：如GPS法與聲納法相結(jié)合、差分GPS水下定位法等[2]。比如上海外環(huán)隧道便采用了全站儀法[3]；廣州洲頭咀采用了由測(cè)量塔、全站儀、傾斜儀、光纖羅經(jīng)、GPS、通訊系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)相互配合的組合方法來對(duì)管節(jié)沉放位置進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)[4]。

（2）對(duì)砂盤擴(kuò)展進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在砂流法的施工過程中，砂盤在基槽間隙中不斷擴(kuò)展使流體邊界條件、流場(chǎng)與水壓力也不斷變化。實(shí)際工程中常用的方法有：在噴砂口進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)，當(dāng)壓力達(dá)到0.1MPa時(shí)，作好停止加砂準(zhǔn)備；也可在基槽間隙中設(shè)置水壓力計(jì)，測(cè)出基槽間隙水壓力隨試驗(yàn)時(shí)間的變化規(guī)律，與管節(jié)狀態(tài)對(duì)比總結(jié)砂盤發(fā)展的大致規(guī)律從而估計(jì)停止加砂的時(shí)間；在管內(nèi)預(yù)先安裝好測(cè)量?jī)x器，以15min為周期對(duì)管段的標(biāo)高變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)管段頂高量達(dá)到5mm時(shí)應(yīng)隨時(shí)準(zhǔn)備控制加砂；或當(dāng)兩側(cè)基槽邊上都有不同程度向上翻涌約1m高的砂層時(shí)，做好停止加砂準(zhǔn)備；另外，也可以采用記錄每次加砂停止時(shí)間并綜合多次試驗(yàn)結(jié)果，從而得到用作參考的停止加砂的時(shí)間。

航標(biāo)巡檢維護(hù)的工作任務(wù)是預(yù)防性發(fā)現(xiàn)并排除航標(biāo)故障，主要包括巡檢設(shè)備是否正常運(yùn)行，檢查航標(biāo)設(shè)備有無異?，F(xiàn)象，并對(duì)航標(biāo)進(jìn)行巡檢維護(hù)，使得航標(biāo)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)更加的良好。同時(shí)巡檢維護(hù)工作的有效完成也可以為維修工作提供更好的依據(jù)，縮短維修時(shí)間，盡快恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)行。

比如上海外環(huán)沉管隧道管段基礎(chǔ)在中間孔壓砂施工中便使用了壓力監(jiān)測(cè)、砂量控制、管內(nèi)測(cè)量的方法綜合監(jiān)測(cè)砂積盤的形成[5]；洲頭咀沉管隧道地基砂流法處理模型試驗(yàn)中采用了壓力監(jiān)測(cè)和砂盤擴(kuò)展量測(cè)方法[6]；珠江沉管隧道地基處理工程則對(duì)砂盤的標(biāo)高、坡度等進(jìn)行測(cè)量來控制加砂[7]。

（3）人工潛水探摸。在監(jiān)測(cè)到管段出現(xiàn)頂高或脈動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，派潛水員下潛探摸確定壓砂效果，準(zhǔn)備停止加砂。

比如上海外環(huán)沉管隧道管段基礎(chǔ)在邊孔壓砂采用上述兩種方法結(jié)合人工潛水探摸進(jìn)行判斷；港珠澳大橋在施工中則采取了人工潛水探摸的方法來停止加砂[8]。

3 砂盤充滿度不足

3.1 充滿度的試驗(yàn)研究

砂盤的充填情況關(guān)系著砂流法施工優(yōu)劣。在實(shí)際灌砂過程中，由于水流沖擊，砂盤中央位置會(huì)形成沖擊坑，砂盤外表面也會(huì)存在水流沖擊形成的流縫、流槽。故在進(jìn)行砂流法試驗(yàn)中，將砂盤頂面面積與單個(gè)灌砂孔控制面積之比稱為充滿度。

充滿度通常是由模型試驗(yàn)確定的，工程中利用模型試驗(yàn)得到砂基礎(chǔ)，調(diào)整實(shí)際施工時(shí)各種參數(shù)。黎志均、陳韶章等對(duì)珠江隧道進(jìn)行了砂流法模型試驗(yàn)[9-10]，莫海鴻、房營(yíng)光等進(jìn)行了廣州洲頭咀變截面沉管隧道砂流法試驗(yàn)[11]；鄭愛元、王光輝等介紹了生物島—大學(xué)城沉管隧道模型試驗(yàn)過程[12-13]；郭俊、吳剛等研究了南昌紅谷隧道模型試驗(yàn)[14]，其基本試驗(yàn)參數(shù)見表1所示。

表1 模型試驗(yàn)基本參數(shù)及砂盤充滿度

通常，充滿度較高的砂盤，砂盤飽滿，其穩(wěn)定性較好，表面充滿度一定程度反映了砂盤半徑擴(kuò)展速率情況，當(dāng)基槽間隙高度增大時(shí)，砂盤半徑擴(kuò)展速度減慢，但砂盤擴(kuò)展較均衡，模型板尺寸增大也會(huì)使充滿度有所減小。故在設(shè)計(jì)基槽間隙時(shí)應(yīng)考慮模型板的尺寸影響。

3.2 提高充滿度的措施

3.2.1 增大灌砂量

在管節(jié)未上抬的前提下，足夠的灌砂量會(huì)使砂盤因水流沖擊造成的流縫流槽得到填補(bǔ)，從而使得砂盤完整性更好，充滿度更高。工程應(yīng)用中，灌砂量可取稍大于模型試驗(yàn)所得的值。

3.2.2 灌砂孔布置遵循重疊原則

灌砂孔布置也影響著砂盤充滿度情況。灌砂孔間距過大會(huì)使砂基礎(chǔ)充滿度降低，甚至形成空穴。根據(jù)珠江隧道模型試驗(yàn)結(jié)果，較為合理的布置原則是每個(gè)砂孔形成的砂盤能相交重疊，寧滿毋缺，通常采取梅花形布置，砂盤之間互相填補(bǔ)，這樣形成的砂盤充滿度更高。

3.2.3 減小單個(gè)砂盤的半徑

廣州生物島—大學(xué)城模型試驗(yàn)結(jié)果表明減小砂盤設(shè)計(jì)半徑，并降低灌砂速度，使砂盤擴(kuò)展更為均勻，砂盤的充滿度也有一定提高。

3.2.4 施工末階段進(jìn)行灌漿處理

灌砂階段施工完成后，為進(jìn)一步填補(bǔ)砂盤形成過程中產(chǎn)生的空隙（如沖擊坑、流槽流縫等），并提高砂盤的穩(wěn)定性，工程中常采取灌漿進(jìn)行輔助處理。

當(dāng)模型試驗(yàn)中砂盤充滿度較高時(shí)，可在灌砂階段同時(shí)注入漿料。當(dāng)空隙估算體積過大時(shí)，可采取壓力注漿的方式進(jìn)行補(bǔ)充注漿處理，即從預(yù)留的孔道中注入漿料來填補(bǔ)空隙。灌漿壓力要與灌漿用料相匹配，并注意壓力不宜過大，以免對(duì)砂盤造成較大影響。珠江隧道模型試驗(yàn)采用50號(hào)砂漿穩(wěn)定液（注漿壓力0.1～0.2MPa）及水泥漿液（注漿壓力0.4～0.6MPa）；南昌紅谷隧道選擇的灌漿料為粒徑2～5mm的無收縮細(xì)石混凝土。

4 結(jié)束語

通過總結(jié)各地試驗(yàn)研究資料和施工數(shù)據(jù)，本文較為系統(tǒng)地介紹了沉管隧道砂流法在施工中遇到的灌砂孔道堵塞、管節(jié)大幅度抬升、砂盤充滿度不足等常見問題，并就工程實(shí)際給出了可行的解決思路和方法。

砂流法作為沉管隧道地基處理較優(yōu)方案之一，在沉管隧道基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用已越來越廣泛。但在實(shí)際工程施工中，砂流法仍需更多模型試驗(yàn)研究和工程實(shí)例的指導(dǎo)，從而促進(jìn)砂流法施工技術(shù)的提升。