港珠澳大通道岛隧工程深厚软基与大回淤水道条件下沉管隧道的工程处治研究

港珠澳大通道岛隧工程

深厚软基与大回淤水道条件下

沉管隧道的工程处治研究孙钧同济大学岩土力学与地下工程研究所上海市城建集团院士工作室港珠澳工程技术专家组2014年5月21日•北京市1目前一页\总数六十九页\编于十五点介绍纲目一.工程总体概况二.人工筑岛和岛内、外地基处理•岛隧过渡段复合地基——挤密砂桩、刚性减沉桩•沉管地基纵向长期沉降及其控制三.

大回淤水道管段接头预应力索筋设计•半刚性管节，留置永久性预应力索筋的思考

•管段接头有拉开情况下，预应力索筋的处置预案2目前二页\总数六十九页\编于十五点

一．港珠澳项目•国内首座于外海建设的超大型海洋工程项目，又是一桥连接三地，一国两制条件下的重大跨界工程（附总平面走向布置图）•桥、岛、隧三为一体的特大型交通集群工程，全长36km。三地总投资>1,000亿元人民币，将历时6年（不连前期工作约12年），计划2016年底建成通车。33目前三页\总数六十九页\编于十五点•港珠澳桥位地处伶仃洋下游，距珠江出海口以上不远位置处，海床稳定性好而年平均“风平浪静”的天数高达250天以上，这是在通航跨内选用修建沉管隧道施工的绝佳选择。•大桥主体工程中的控制性工程——“岛隧工程”，含：

l=5,770m沉管隧道，宽38m，高11.4m；沉放处海床面最大水深22m，隧道最大埋深23m。双向6车道高速公路，设计寿命120年。4目前四页\总数六十九页\编于十五点•东、西两座面积各约10万m2，长度各625m、最宽处105

m

的离岸深水人工筑岛，作为桥隧过渡段。附图若干•大桥筑岛工程已于2010年12月全面兴工，预计2015年5月底完成全部土建施工，工期4年5个月。其总体规模和技术难度居世界之最。5目前五页\总数六十九页\编于十五点61）水下基槽开挖底标高达-45m，深槽作业最深达23m，其海上施工风险控制难度大；2）外海海域，要历经4～5年的长时间施工作业期，遇突发热带气旋和强雷暴恶劣气象条件，可能导致深基槽坡壁失稳、坍槽，也对沉管浮运沉放构成威胁，并引起已沉放落底沉管（人工/天然地基）其横向沿圆弧面剪切滑动；在强风、暴雨期，需停止水上一切作业；3）泥砂回淤量大，开挖时基底清淤和结构面上淤土清除工作量大、难度高；工程难点及其成败要害（此处单就地基问题作归纳，未涉及其它工程方面的设计施工难点）：目前六页\总数六十九页\编于十五点74）通道位于具有一定高烈度（Ⅷ°）地震频发区，海床局部地段其浅部有松散饱和粉细砂地层（海床下15m以上部位），而浅表部又有3m～5m的中、薄层淤泥质软粘土。这种情况，对砂土地震液化的可能性大，将在相当程度上将严重影响场基的地震稳定性。5）隧道位于主通航孔下方，海上航运频繁，且有3条交错航道。船舶流量达4000艘次/日，施工船只＞500艘；沉管浮运、深槽开挖和沉放作业时，双方互为影响，干扰程度大。目前七页\总数六十九页\编于十五点8海底隧道平面图目前八页\总数六十九页\编于十五点9港珠澳大桥总平面图目前九页\总数六十九页\编于十五点人工岛与长引桥全貌示意（左首未能绘出的为水下沉管隧道）10目前十页\总数六十九页\编于十五点沉管隧道纵剖面示意11目前十一页\总数六十九页\编于十五点沉管结构横剖面示意12目前十二页\总数六十九页\编于十五点深厚软基刚性钢管桩沉管基础(现在大部分已改用挤密砂桩复合地基)13目前十三页\总数六十九页\编于十五点中部海床的浅埋管节天然基础14目前十四页\总数六十九页\编于十五点主体工程项目与工期15目前十五页\总数六十九页\编于十五点16二.人工筑岛与岛内、外地基处理

1.工程地质条件：东、西人工岛内地基土和海床隧道过渡段，其下卧地层岩土的一般属性，大体划分为：•全新统海相沉积：流塑～软塑状淤泥和淤泥质粘土（厚1.5m

～4.5m）；•晚更新统晚期陆相沉积：软塑状粉质粘土（厚～2m）；•晚更新统中期海陆过渡相沉积：可塑～硬塑状粉质粘土夹粉细砂，中密状中细砂透镜体（厚9m～12m）；•晚更新统早期河流冲击相沉积：密实～中密中砂、粗砾砂、密实圆砾（厚～15m及以上）；

••

••震旦系：强、中风化混合片岩，工程未有触及。（第7、8层以下）目前十六页\总数六十九页\编于十五点172.西人工岛距珠海岸20km，平均水深10m，软土层深厚，达20～30m。•采用重达500t，φ22m的大直径钢圆筒，振沉法，插入不透水粘土层，作为岛周围护结构；而岛周外侧地基经砂桩处理后、加筑抛石斜坡堤形成岛岸，属止水型岛壁围护结构；其岛内软基，则：回填砂形成陆域，采用插打塑料排水板并再回填砂堆载，作“超载联合降水预压”进行岛内软基处理；深厚软基地段（<20～25m）采用挤密砂桩为复合地基;对要求加固处理的软土层更为深厚（>25m）的局部困难地段，则改用PHC刚性桩。目前十七页\总数六十九页\编于十五点18

挤密砂桩简介：1）用振动和水冲相结合，以加固、振密松砂土层地基，并推广用于浅表层粘性土地基，而形成由砂土散粒材料组成的桩体，并使之与被挤密后的原先砂性土共同承载，构成“复合地基”。它不是“振冲置换”（对软粘土适用），而是经过加入新砂，使原先松砂（和软粘土）因侧向挤压而更加密实，谓之“振冲挤压密实”，也即“挤密砂桩”（主要对砂土层更适用）。2）“振冲器”——原先用于振捣压实大坝砼，现发展成用“振动”和“高压水冲切”相结合，谓之“振冲器”。边振边冲，也加灌新的砂料，靠水平振动力从侧面将原先砂土、杂填土和浅层软粘土一并挤压增密。目前十八页\总数六十九页\编于十五点193）应予注意：振动加速度大小决定振冲力。振冲力大小的尺度掌握是该方法成败的关键。如振冲力过大，将导致砂土液化或局部液化；再则振冲使土层内孔压剧增，同时产生不利的“剪胀”作用，都会使土体有效应力降低，使加固体的抗剪强度反而减小，达不到地基加固处理的效果。经验上，可用土体加固前后的“固结度”做检测，还采用“标准贯入击数”来鉴别设计的成效。目前十九页\总数六十九页\编于十五点204）(1.0～1.5)g

目前二十页\总数六十九页\编于十五点215）用新灌砂法充填、挤密原先砂土，灌砂也不能过量、过度，否则会使砂土向两侧走移、向挤密区的左右挤出，并向土层表面隆起。如发生这种现象，将大大降低地基加固效果。

砂土向左右两侧挤移

目前二十一页\总数六十九页\编于十五点22•堆载预压采用5mm～80mm粒径、不同级配碎石；两侧和局部区域回填防台/防冲刷块石或混凝土块加固。

堆载区置换率（%）砂桩打设深度（m）桩径(φ，m)桩间距（m×m）说明40～7025～351.5～1.71.8×2.2部分区段另加打大直径的排水砂井非堆载区55～65～351.51.8×1.8挤密砂桩配置用表目前二十二页\总数六十九页\编于十五点人工岛钢圆筒围护结构布置（右端圈内为沉管暗挖段）23目前二十三页\总数六十九页\编于十五点钢圆筒24目前二十四页\总数六十九页\编于十五点挤密砂桩25目前二十五页\总数六十九页\编于十五点26目前二十六页\总数六十九页\编于十五点27目前二十七页\总数六十九页\编于十五点岛壁外防波堤施工28目前二十八页\总数六十九页\编于十五点整岛形成29目前二十九页\总数六十九页\编于十五点止水围护结构30目前三十页\总数六十九页\编于十五点围护结构内挤密砂桩地基处理31目前三十一页\总数六十九页\编于十五点32岛上施工沉管刚性桩基础目前三十二页\总数六十九页\编于十五点岛头防撞结构33目前三十三页\总数六十九页\编于十五点岛头防船撞防护方案34目前三十四页\总数六十九页\编于十五点35岛壁（钢圆筒）和岛外防波、防台护壁方案目前三十五页\总数六十九页\编于十五点36沉管隧道地基处理加固的成效，体现在经过处理加固后：•相邻段管节的差异沉降，会否引起因接头张开（接头转角、相邻节相对受弯、受拉）而危及接头止水，产生接头处渗漏？•接头因相邻段差异沉降而产生竖向和水平向的剪切错动，会否导致接头剪切键变形过度并引起破坏？•因相邻段差异沉降，会否影响在管节接头处隧道内行车的平稳性和顺畅性；车辆穿行过接头时，不能有颠簸、跳车现象。•由于沉管管节因地基不均匀沉降而产生弯曲变形，管节底板会否产生弯、剪裂缝，缝宽控制在0.15mm。

可由上项4点要求，分别演算得计算允许的最大沉降控制值。三．岛隧过渡段和海床中段的地基处理目前三十六页\总数六十九页\编于十五点37

“多元复合地基”，表现在：

1.地基处理方案

1）PHC刚性桩（如要求的地基加固深度>20～25m仍用砂桩不能满足设计标准时，酌量选用）

2）人工地基中的复合地基，此处应用了：•

竖向增强（加固）体，同时形成竖向排水体，采用挤密砂桩；•竖向增强体+桩间土参与受力，形成刚性减沉桩。除浅表土外，因中、深层地基的土体承载力尚好，如不考虑中间土参与受力，而选用深桩基础，显不经济。

目前三十七页\总数六十九页\编于十五点383）预压地基（指人工岛岛外过渡段深厚软基）堆（超）载预压（如单只使用堆载预压，则土体固结时间太长）+塑料排水板为辅，能使土体快速固结、压密。4)中间海床部分：因浅层以下的土层坚实，甚至是风化岩，只置换表层淤泥土后，填实碎石垫层（属天然地基）即可，不需另作加固处理。目前三十八页\总数六十九页\编于十五点392.在大面积、纵向又为大长度的复合地基施工中，此处存在的主要问题:①砂桩加固体直径过大后，加固后各局部地块复合地基的承载力大小不均匀，其离散性很大；②挤密砂桩的加固机理还不够清晰，使设计缺乏规范方法；③砂桩成桩工艺尚未有标准化；④加固质量检测原理和方法尚不成熟，使成桩后的质量检测也难以标准化。目前三十九页\总数六十九页\编于十五点40岛隧过渡段沉管软基处理工程方案——挤密砂桩复合地基1）设计分为堆载区和非堆载区•堆载区工程工序：①

基槽挖泥、②挤密砂桩打设、③

清除基底隆起后的浮土、④做排水垫层、⑤排水砂井打设、

⑥沉降监测、⑦堆载预压、⑧基槽外侧挡浪块石铺设。先后共8道工序。•非堆载区工程工序：只有上项工序的①、②、③、⑥、⑧，其他项免做。2）挤密砂桩按地质条件设定各段不同的置换率，采用不同的砂桩桩径和桩间距与打设深度：目前四十页\总数六十九页\编于十五点岛隧过渡段沉管砂桩复合地基处理工序41目前四十一页\总数六十九页\编于十五点岛隧过渡段沉管地基开挖、砂桩、（堆载预压、开挖卸载）、沉管落座、回填断面示意42目前四十二页\总数六十九页\编于十五点43

刚性桩复合地基的问题之一，反映在：较之软土而言，刚性桩的剪、弯刚度都要大得多，它与桩间软土常难以协调变形，在桩间土层先发生滑动时往往带动桩身整体倾覆（倾侧）、侧移走动或弯断、拉断，而不是剪断。如此，桩体在圆弧滑动面上形成的抗剪（滑）机制不清楚。复合桩基：

“复合桩基”也是一种从广义上言的复合地基，要求桩群刚度与上覆碎石垫层两者刚度的合理匹配；且需要做到桩尖力不产生插进入垫层内的“穿刺”现象。目前四十三页\总数六十九页\编于十五点44对刚性减沉桩加固软基复合地基的稳定性研究，表明：桩体弯曲破坏更远多于剪切破坏；对长细桩身，甚至桩体发生两次弯曲破坏（见后页的两张附图）。目前四十四页\总数六十九页\编于十五点水平剪切条件下复合桩基（减沉桩）的受力机理及其破坏模式45圆弧滑动（路堤）条件下桩体的破坏模式目前四十五页\总数六十九页\编于十五点水平剪切条件下复合桩基（减沉桩）受力机理的试验研究（倾侧、走动、弯曲，而非水平受剪）46路堤圆弧滑动条件下桩体的破坏模式离心试验目前四十六页\总数六十九页\编于十五点47四．沉管地基纵向长期沉降及其控制

沉管隧道纵向设计的重要性：“强迫变形”

（forceddeformation）和“作用效应”（actioneffect）。对于港珠澳项目的沉管隧道言，在运营期，除了部分区段属于“深埋沉管”之外，还有因回淤产生的土压力荷载过大、导致地基产生纵向持续不均匀/差异沉降而不易控制的问题（详后述）。目前四十七页\总数六十九页\编于十五点48

“作用效应”，指外加荷载引起的沉降，因土方开挖卸载和水浮力作用，这部分的沉降量很小（但此处“深埋”段和“大回淤”情况下，则属例外）；而“强迫变形”，是指：因深槽开挖使深部土体应力释放致土层松弛，含：•基底软土回弹；•因槽坡外侧上方土体向坑底槽内挤涌产生基底土体的塑性隆起。待再承沉管和回填、泥沙回淤等压重后，基土又将再次压实而沉降；•基土经开挖扰动产生的应力松弛（基土受扰而松动）而地基下沉。目前四十八页\总数六十九页\编于十五点49

由于地基土土性不一，加固体质量不均匀，使“强迫变形”可达到可观的大值；但由于它的大部分沉降在施工期先已基本完成，不致造成过大的工后沉降。在沉管浮运、沉放和落底后达到沉降稳定的前一段时间，采用PC拉索将各个管段拉系成一整体，对控制节段接头的沉降变形将起到有效的控制作用。

•为防范海床过渡段（深厚软基）沉管管节与人工岛暗挖段（加固地基较密实）相邻管节接头附近的差异沉降过大（类似于桥头跳车情况），局部补充打设刚性短桩以加强人工基础。目前四十九页\总数六十九页\编于十五点•从过去国内外先例：实测沉降量可观，可达300mm，相邻管节首、尾差异沉降量也达100mm以上；•施工期沉降：开挖回弹、隆起和垫层置换压实，三者占最终沉降的（50~60）%；•工后沉降（指隧道建成后的后续沉降）：总的工后沉降控制在≤200mm；而工后差异沉降≤30~50mm。•上海外环沉管隧道等处已建立了长期健康检测系统。50目前五十页\总数六十九页\编于十五点沉管管段工厂预制图照51目前五十一页\总数六十九页\编于十五点52目前五十二页\总数六十九页\编于十五点管节/管段大、小接头剪切键布置53目前五十三页\总数六十九页\编于十五点GINA止水带（天然橡胶）54目前五十四页\总数六十九页\编于十五点Ω止水带（天然橡胶、薄钢钣条带）55目前五十五页\总数六十九页\编于十五点1.

问题的提出：水下开挖深槽后，珠江下游出海口水道的回淤情况将严重加剧，“随淤随清”就航道疏濬工作言，已不可能做到；在大量回淤的土压力荷载作用下，因沉管地基持续沉降使相邻管段小接头（原设计为柔性）的接头张开、并又剪移错动大，其受力安全和变形控制均不能保证，接头错动和张开从而产生渗漏将难以避免，寻求解决对策，已成当务之急！五.对大回淤荷载情况下的沉管隧道，如何保证管段间小接头受力安全的设计研究56目前五十六页\总数六十九页\编于十五点572.此处大回淤荷载条件下，如仍沿用管段柔性小接头，必将导致管段接头拉开、张角扩大和因剪切变形过大而错动，产生渗漏。

大接头大接头大回淤土压荷载小接头目前五十七页\总数六十九页\编于十五点3.管段间的小接头原先都设计成“柔性接头”，这是为了协调、分摊、均衡和适应软基运营期间后续的不均匀/差异沉降；所以，在地基沉降基本稳定之后，需将管节预应力索筋全部切断，接头安全由水力压接产生的轴压来保证。58目前五十八页\总数六十九页\编于十五点594.管段间采用柔性小接头：待地基沉降基本稳定以后，将大管节内的预应力索筋全部切断。此时，管节适应地基差异沉降的情况很好。22.5m/管段×8段=180m/管节大接头大接头预应力索筋目前五十九页\总数六十九页\编于十五点5.上世纪80年代之前，早前修建的沉管隧道，因为其时还没有“GINA止水带”和“水力压接法”工艺，所有当时的管段接头都普遍做成为“刚性接头”；而由于它的水密性差，就必要将地基沉降降至最小，而相应地都采用了刚性桩基。晚近三十年来，在出现“复合地基”和“水力压接法”之后，管段柔性接头已全面取代了刚性接头，而复合地基（如上面所述的“挤密砂桩”地基处理）则取代了刚性长桩。60目前六十页\总数六十九页\编于十五点6.

有如上述，此处由于回淤荷载太大，使管段间如仍沿用传统的柔性接头，将产生小接头大量渗漏和剪切破坏。这就想到了能否保留部分预应力索筋不再切断，而永久性地留置在管段小接头处通过，并贯通管节全长，这就形成了“半刚性管节”。现该法已在港珠澳深厚软基地段获设计采用。这在国外，尚只有荷兰海音（Hein)沉管隧道一处先例。61目前六十一页\总数六十九页\编于十五点7.但如果管段接头的刚性过大，则将使整个管节的刚性过大，而其沉降量则都将集中于管节大接头一处，从而导致GINA止水带预压量（约16～20cm）耗尽而被拉开、相邻管节间在大接头处张角过大以及管节大接头剪切键变形过大甚至破坏。最终将使大接头渗漏，甚致突水、涌水，从而沉管内浸水，而导致修复工作极其困难的风险。62目前六十二页\总数六十九页\编于十五点638.如设计的管段小接头刚性过大，将导致整个管节的沉降变形向管节大接头一处集中，致使GINA止水带被拉开、接头张角过大和剪切键变形位移大、甚至剪断，产生接头处突、涌水破坏。管段小接头刚性过大后，将不能调节、均衡和适应地基不均与沉降，导致管节大接头变形过度而破坏。大接头破坏大接头破坏目前六十三页\总数六十九页\编于十五点六.按上述方法进行接头处治的情况下，预期还有可能将出现的问题：管段小接头有不可预计的“拉开”，则临时性切断所留存