張志剛，付佰勇，劉曉東，劉亞平，劉洪洲

（1.中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京 100088；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門特別行政區(qū)的大型跨海通道，是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲地區(qū)環(huán)線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關鍵性工程。港珠澳大橋主體工程是由海中橋梁、海底隧道及人工島組成的集群公路交通工程。

隧道采用沉管方案，隧道全長6.704 km，沉管段總長5 664 m，共33節(jié)，其中曲線段管節(jié)5節(jié)，半徑5 500 m，標準管節(jié)長180 m，采用分節(jié)段預制的半剛性縱向結構體系，由8節(jié)長22.5 m、寬37.95 m、高11.4 m的節(jié)段組成，重約7.8萬t，基槽底標高最深處約-47.2 m，最大沉放水深45 m。

該海底隧道為目前世界上唯一的深埋沉管，隧道頂板至原始海床的回淤厚度達23 m的縱向長度約3 km，隧道兩端均位于海中離岸人工島上，縱向穿越5種地層，建成后是世界上最長的公路沉管隧道，也是我國首條于外海修建的海底沉管隧道[1-2]。

由于水下沉管基槽施工控制的難度大、水流條件復雜，槽底處理后表層的施工精度難以達到隧道結構的剛度支撐要求，因而沉管隧道無論是采用天然地基還是經(jīng)過特殊措施改良后的人工地基均需要在地基與隧道管節(jié)之間充填墊層材料[3]。墊層的主要功能是充填管節(jié)底部與基槽底之間的空隙，保證上部荷載均勻傳遞到下部地基，避免由于地基受力不均導致結構的局部破壞或者產(chǎn)生較大的不均勻沉降。基礎墊層的工程規(guī)模不大，多數(shù)設計為1 m左右的厚度，但在沉管隧道工程中起的作用卻是至關重要的，墊層選擇或設計的合適與否，直接關系到沉管隧道工程的長期運營安全。港珠澳海底沉管隧道管節(jié)數(shù)量多、工程區(qū)域航運繁忙、水流條件復雜、下覆地層種類多，再加上項目風險控制要求高、工期緊張，基礎墊層的選擇是本項目設計中重要的一個環(huán)節(jié)。

近年來，我國沉管隧道建設進入了快速發(fā)展時期，江西紅谷最長內(nèi)河沉管隧道已經(jīng)合龍，深圳至中山過江通道工程與大連灣海底隧道工程已相繼啟動。本文以在建港珠澳沉管隧道工程為研究對象，從基礎墊層選型思路、總體方案設計、支撐試驗的研究成果、工程現(xiàn)場檢測情況等幾個方面進行系統(tǒng)分析，以便為類似工程提供借鑒。

2 基礎墊層選型

從沉管隧道墊層設計的發(fā)展及實例調(diào)查來看，按處理方法大致可分為先鋪法和后鋪法兩大類，先鋪法指先鋪碎石墊層，后鋪法包括噴砂、砂流與壓漿3種方法[4]。

從國際上的應用情況來看，每種方法均有各自的優(yōu)缺點，具體采用哪種方法，需要根據(jù)工程條件、承包商施工經(jīng)驗、風險控制、工期及經(jīng)濟性等因素，結合相應的地基處理方案或天然地基現(xiàn)狀綜合確定。表1中所列為港珠澳海底沉管隧道基礎墊層比選情況。

表1 沉管隧道墊層對比Table1 Comparison of immersed tunnel bedding

2.1 先鋪碎石墊層

先鋪碎石墊層是采用一個固定在指定位置上的簡單開口鋼箱來實現(xiàn)，一邊沿隧道軸線方向移動鋼箱，一邊向箱內(nèi)補充碎石，形成隧道基礎墊層，是最早使用的沉管基礎方式。早期美國修建的沉管隧道，不論規(guī)模大小均采用這種方式。這種方法對于基礎寬度較大的隧道，需要將鋼箱的規(guī)模與牽引力設計的很大，經(jīng)濟性差。在20世紀末的厄勒海峽隧道建設期間，承包商首次將全覆蓋滿鋪碎石墊層更改為壟溝相間的碎石基礎墊層形式，取得了良好的工程效果。

2.2 噴砂墊層

噴砂法是用砂泵把砂水混合填料通過管節(jié)外部管道噴入沉管管段底部和基槽之間的空隙中。噴砂前，管節(jié)放在臨時支座上，噴砂結束后可卸開支座上的千斤頂，管節(jié)重量從而全部作用到砂墊層基礎。噴砂基礎可用于寬度較大的沉管隧道，在早期歐洲修建的多座沉管隧道中應用，如德國的Elbe隧道、比利時的Scheldt E3隧道、荷蘭的Spij-kenisse隧道。

2.3 壓砂墊層

壓砂基礎也稱為砂流基礎或灌砂基礎，是在噴砂基礎上發(fā)展起來的一種新方法，依靠水流作用將砂通過預埋在管段底板（豎向或橫向）上的注料孔注入管段與基底間的空隙，其既可在管節(jié)外部施工，也可在管節(jié)內(nèi)充填。壓砂法不需專門的噴砂臺架，對砂粒徑的要求也較低，因此從20世紀70年代后期，壓砂基礎逐漸在世界各地的沉管隧道中采用，如荷蘭Vlake隧道、澳大利亞悉尼跨港隧道，我國廣州珠江沉管隧道、上海外環(huán)越江隧道及臺灣高雄跨港隧道等。

2.4 壓漿墊層

壓漿基礎是在管段沉放到位后，即沿管段邊墻及后封端墻邊拋堆高1 m的砂石混合料，封閉管底空間。接著從管段里面通過預埋在管段底板上的壓漿孔向管底空隙壓注混合砂漿，充填管段底部與碎石墊層間的空隙。此法在日本廣泛應用，如Tokyo港隧道的中間區(qū)段、Dainikoro隧道、Kawasaki隧道，可避免“強震區(qū)”中常規(guī)砂基礎的液化問題。

經(jīng)綜合比選，港珠澳海底沉管隧道推薦采用先鋪碎石墊層方式。

3 基礎墊層設計

港珠澳海底沉管隧道采用壟溝相間的碎石墊層設計理念，呈S形布設，如圖1所示。碎石壟用于支撐管節(jié)及外部荷載作用，碎石溝提供臨空面，用于消除硬點、少量納淤，并可作為管節(jié)安裝觸底時重要的水力通道。

圖1 沉管隧道基礎碎石墊層構造Fig.1 Structureof gravel bedding for immersed tunnel

橫向上，根據(jù)管節(jié)寬度尺寸37.95 m，結合碎石整平形狀及墊層擴散角作用范圍，碎石墊層寬度設計為41.95 m?？v向上，首先按照設備下料管直徑，確定出碎石墊層壟頂面理論寬度為1.80 m，然后根據(jù)隧道管節(jié)長度劃分以及整平船機設備施工安全控制需要，按壟寬1.80 m與溝寬0.8～1.2 m的多種壟溝組合方式進行比選，以碎石壟與管節(jié)結構接觸面積所能達到的承載能力與結構沉降控制為標準，確定標準管節(jié)采用碎石壟寬1.80 m+碎石溝寬1.05 m的組合。豎向上，根據(jù)工程區(qū)水域內(nèi)基槽底的施工偏差控制及槽底地基剛度情況，結合沉降控制需要確定碎石墊層厚度為1.30 m，設計理論坡度為1∶1.5，接近水下碎石的休止角。本項目因地制宜地確定了相關設計參數(shù)，與國際上3座典型沉管隧道的類似墊層參數(shù)對比如表2所示。

表2 典型參數(shù)對比表Table2 Comparison of typical parameters

先鋪碎石墊層在設計時除了制定常規(guī)的幾何參數(shù)外，還需要根據(jù)管節(jié)在加載工況下的可能沉降，考慮一定的預抬量數(shù)值，結合管節(jié)施工期實測數(shù)據(jù)再進行動態(tài)修正，用以調(diào)節(jié)施工期相鄰管節(jié)之間的差異沉降，同時為運營期管節(jié)內(nèi)部空間所需的限界高度提供保障。

4 試驗及驗證

港珠澳沉管隧道基礎設計采用了先鋪碎石墊層，該基礎方案的工程案例較少，在我國尚屬首次采用，碎石墊層傳力的機理、理論分析資料，設計規(guī)范及依據(jù)資料缺乏，同時沉管隧道碎石墊層在水中作業(yè)時存在平整度、夾淤泥等諸多不確定性需要分析，為此設計之初開展了典型的物理模型試驗，如圖2所示為碎石墊層物理模型試驗裝置。試驗包括了天然地基段剛性場地無側限陸上試驗、標準情況下大試驗槽有側限水中試驗、不同壟溝構造小試驗槽完全側限水中試驗，以及不同碎石級配、落管預壓、回淤情況下小試驗槽完全側限水中試驗共計4類23組試驗。

通過試驗確定了沉管隧道基礎碎石墊層的合理碎石級配及組成（最大粒徑63 mm），以及碎石墊層的合理厚度，并獲得基礎碎石墊層沉降量、?等效壓縮模量等設計參數(shù)與指標。

圖2 碎石墊層物理模型試驗Fig.2 Physical model testing of gravel bedding

港珠澳沉管隧道基礎墊層施工歷時約4 a，完成了全部33個管節(jié)，從墊層鋪設的工后檢驗及管節(jié)安裝后總體沉降情況來看，先鋪碎石墊層達到了預期效果。圖3所示為單個深水整平船位碎石墊層的典型檢測結果，通過水下聲吶測試碎石層頂面的標高95%以上介于設計允許上下限區(qū)間之內(nèi)[5-6]，保證率大于設計要求的85%。通過對多管節(jié)的測試點進行統(tǒng)計分析可知，碎石整平墊層的分布符合正態(tài)分布規(guī)律，均值位于設計標高±2 cm附近。

圖3 單船位碎石墊層檢測結果Fig.3 Testing result of gravel bedding for a ship position

5 結語

通過對港珠澳海底沉管隧道基礎墊層方案選型及總體設計的分析，以及在工程實施過程中的再思考，得出以下結論與體會：

1）基于工程條件分析，經(jīng)過對各種沉管墊層方案進行綜合比選，提出港珠澳超長海底沉管隧道選用先鋪碎石墊層的方案，并結合管節(jié)結構、模型試驗與工程類比進行了參數(shù)設計。工程實踐證明，先鋪碎石墊層方案是合適的，先鋪法不用預設臨時支撐，管節(jié)安裝完成并確認平縱線形指標滿足設計要求后即可進入回填防護工序，避免了管節(jié)就位后在設定小負浮力條件下的壓砂與壓漿過程，降低了外海深水深槽的作業(yè)風險。

2）港珠澳海底沉管隧道地層復雜，為降低差異沉降，達到沉降控制的總體協(xié)調(diào)，縱向地基采用了擠密砂樁等不同的處理方式。先鋪碎石墊層是介于地基與結構之間的褥墊層，起到了承上啟下的重要作用。在每個沉管隧道中，基礎墊層的工程規(guī)模所占比重不大，但也應下大力氣去研究比選，因地制宜，不可盲目效仿，在自然回淤較大的水域，應慎重選用先鋪墊層方式。

3）先鋪碎石墊層的施工質(zhì)量控制參數(shù)制定應科學合理，不宜只強調(diào)某一項指標的數(shù)值高低，而降低方案整體的設計效果。港珠澳沉管隧道在墊層正式實施之前，開展了典型施工試驗，結合施工裝備能力與檢測驗收手段，通過參數(shù)敏感性分析，提出了一套適用于項目的施工質(zhì)量驗收管理辦法。

4）壟溝相間碎石墊層在港珠澳海底沉管隧道中首次采用并取得了良好效果，豐富了我國沉管隧道墊層的可選方案，可作為類似長大沉管隧道的重要參考。

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[4] 張志剛，劉洪洲，付佰勇.沉管隧道地基與基礎的設計選型[C]//公路隧道安全設計與運營管理暨水下隧道建設技術國際會議論文集.2011：500-510.ZHANGZhi-gang,LIUHong-zhou,FUBai-yong.Design selection of soil improvement and foundation for immersed tunnel[C]//Proceedingsof international seminar on construction,operation and management technology of road tunnel.2011:500-510.

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