后铺法灌砂基础沉管隧道沉管差异沉降原因分析及对策

欧伟山，王雪刚

（1.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510220；2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

随着全国乃至全球经济的发展，水下互通立交已成为城市湾区现代化综合交通运输体系的重要组成部分，而水下隧道是实现水下互通立交的有效结构形式。国内先后建成及开工的沉管隧道有10 多条，但沉管隧道的基础沉降，特别是差异沉降问题一直是个难题[1-4]。

国内最早建成通车的广州黄沙沉管隧道，5节管节基本上连续安装，安装间隔期约30 d，沉管基础垫层采用灌砂基础，其地基是岩质地基。施工监测结果显示广州黄沙沉管隧道管节基础沉降不大，差异沉降也不明显。2003年建成的上海外环越江沉管隧道，基础垫层也是采用灌砂基础，但地基为冲积层地基，施工监测结果显示沉管基础沉降量大，基础差异沉降也较大，以致对沉管接头的剪切键造成了不利影响。2015年建成通车的广州洲头咀隧道，施工中发现E2 沉管与E3 沉管基础因不连续安装等原因引起的差异沉降较大，如趋势继续发展，可能危及接头的安全，施工中参考相关沉管隧道工程经验[1，5-7]，及时采取了针对性应对措施。

本文针对洲头咀沉管隧道E2 和E3 沉管因安装时间间隔2 a 引起的差异沉降问题，进行了差异沉降机理分析和探讨，得出了针对洲头咀沉管不连续安装引起的差异沉降问题的针对性解决方案，并在相关差异沉降分析方法基础上进行了总结[2，8-11]，为后续同类工程施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

广州洲头咀隧道工程是连接海珠区与荔湾区芳村之间的一条过江通道，工程全长约3 253 m，包含江中段、江中两侧暗埋段、敞开段等。其中江中沉管段340 m，共分4 节管节，每节管节长度约85 m，标准管节截面尺寸31.4 m×9.68 m（宽×高）。江中沉管隧道采用轴线干坞法施工，沉管管节分2 次在干坞预制，沉管基础采用后铺法灌砂基础，最终接头设在E3 与E4 沉管之间。江中沉管段平面布置见图1 所示。

图1 江中段沉管隧道平面布置示意图Fig.1 Plane layout of the immersed tube tunnel in the middle section of the river

1.2 施工时间节点

江中段隧道各沉管主要工序施工时间如表1所示。

表1 江中段隧道各沉管主要工序施工时间Table 1 Main working procedure construction time of each immersed tube of tunnel in the middle section of the river

1.3 沉放安装精度

管节的安装顺序为E1、E2、E4、E3，其中E1 管节与海珠侧暗埋段对接，E2 管节与E1 管节对接，E4 管节与芳村侧暗埋段对接，最终接头设置于E3 沉管与E4 沉管之间。沉管的安装对接精度如表2 所示。

表2 洲头咀隧道沉管安装精度Table 2 Installation accuracy of immersed tube in Zhoutouzui Tunnel mm

2 基础沉降及原因分析

2.1 后铺法灌砂基础沉降量

对于岩质地基的灌砂基础，在拆除垂直千斤顶及鼻托后，其沉降一般在30 d 内趋于稳定。在管内压载施工及管顶回填施工期间，会各有10 mm左右的沉降量，最大累计沉降量约为70 mm。佛山汾江沉管隧道基础最大沉降发生在E4 沉管，其基础累计沉降76 mm；广州仑头—生物岛沉管隧道基础最大沉降在E1 沉管，其累计沉降70 mm。而软土地基（冲积层）的灌砂基础稳定需更长时间，可长达数月，沉降量也比较大，可达300 mm。

2.2 差异沉降的原因分析

2.2.1 基础沉降观测数据

洲头咀隧道4 节沉管的地基都是岩基，管节沉放前基槽进行了清淤处理，灌砂过程也在严格的监控中进行，基础灌砂的施工质量满足设计要求。E1、E2 沉管基础沉降观测开始时间为2012年6 月18 日，结束时间为2014年7 月8 日，时间跨度约2 a，E3、E4 沉管因后续施工影响观测时间跨度较短。灌砂基础沉降观测显示，沉降量符合预期，在正常范围内。沉管沉降监测结果如表3。

表3 洲头咀隧道沉管沉降监测结果Table 3 Monitoring results of immersed tube settlement in Zhoutouzui Tunnel mm

2.2.2 沉降数据分析

E3 与E2 沉管沉放安装时间相差约2 a，在安装E3 管节时，E2 沉管的灌砂基础沉降早已稳定。另外，E3 沉管对接端的安装高差为北侧-45 mm，南侧-25 mm（负值表示E3 沉管对接端低于E2 沉管尾端），而E3 沉管基础灌砂后的沉降量预估值达50～70 mm。因此，极端情况下E3 沉管可能会出现对接端低于E2 管节尾端115 mm，这会使E2沉管与E3 沉管间的接头处于危险之中。图2 为管节接头状况图。

图2 E2 沉管和E3 沉管接头状况图Fig.2 Condition diagram of E2 and E3 immersed tube joint

E2 与E3 沉管接头高差过大，将产生以下后果：

1） GINA 止水带损坏或局部脱离E2 沉管的对接面，造成接头漏水。

2）如为了防止E3 沉管继续沉降而过早安装接头垂直剪切键，会使垂直剪切键受力过大，以致造成垂直剪切键损坏。

3 沉降应对措施

3.1 采取的应对措施

为了预防以上情况的发生，E3 沉管基础灌砂完成后，采取了以下措施：

1）在E2 沉管鼻托梁的混凝土结构垂直剪切键上安置2个3 000 kN 和1个5 000 kN 的液压千斤顶，使E3 沉管沉降过程处于受控状态，液压千斤顶布置如图3 所示。

图3 液压千斤顶布置示意图Fig.3 Diagram of hydraulic jack arrangement

2）操作液压千斤顶，使3个液压千斤顶的顶力各为100 kN，同时监测E3 沉管的基础沉降，分析GINA 止水带与端钢壳对接面的位置关系。当监测结果显示E3 沉管基础沉降趋于稳定时，3个液压千斤顶继续保持100 kN 受力，安装沉管接头两外侧墙的钢剪切键及橡胶支座，然后再拆除液压千斤顶，浇筑中隔墙的混凝土结构垂直剪切键；如果分析结果显示GINA 止水带压接面下缘与端钢壳对接面下翼板之间的距离已达到25 mm，则锁住液压阀门，不再调整液压千斤顶的受力。施工中应该尽早安装钢剪切键及橡胶支座，然后再拆除液压千斤顶，浇筑中隔墙的混凝土结构垂直剪切键。

3）为增大沉管接头的垂向抗剪能力，在接头底板的混凝土水平剪切键位置上增设剪力杆，布置及结构简图如图4 所示。

图4 剪力杆平面布置示意图Fig.4 Schematic diagram of shear bar layout

4）对钢剪切键进行受力监测，分析评估接头的安全性。对钢剪切键进行实体建模，采用结构软件分析建立钢剪切键顶部压力与应力关系曲线。钢剪切键及其橡胶支座安装完成后，在钢剪切键上选取特征位置安装应变片，监测其应力，并由应力-压力关系曲线得出钢剪切键的顶部压力。

3.2 钢剪切键监测结果

钢剪切键监测时间为2014年12 月13 日—2015年5 月21 日，此时E2—E3 沉管中隔墙千斤顶已拆除，E2—E3 沉管水平剪切键于2014年12月18 日完成混凝土浇筑，监测数据如图5 所示。钢剪切键应力-顶面压力监测结果表明，自2015年3 月27 日—5 月21 日，E2、E3 沉管间北侧侧墙中钢剪切键荷载未出现异常情况，数据平稳，无明显波动，钢剪切键顶面压力最大值930 kN。因此可以认为：E2、E3 沉管基础沉降已稳定；而钢剪切键设计允许荷载为2 400 kN，E2 与E3 沉管间的接头钢剪切键是安全的。

图5 E2-E3 沉管接头侧墙钢剪切键顶面压力监测结果Fig.5 Monitoring results of top surface pressure of steel shear key on side wall of E2 to E3 immersed tube joint

4 结语

后铺法灌砂基础的差异沉降现象比较普遍，也是无可避免的。但应控制基础总沉降量，避免产生过大差异沉降。基于国内沉管隧道灌砂基础沉降数据，以及广州洲头咀隧道灌砂基础差异沉降的处理实例，主要结论如下：

1）广州洲头咀隧道项目E2 与E3 沉管基础不同步沉降问题的应对措施，有效监控了E3 沉管基础沉降、稳定过程，保证了E2 与E3 沉管接头施工的质量和安全。

2）E2、E3 沉管侧墙钢剪切键近5个月的监测结果以及隧道近6 a 的良好运营情况，都证明E2 与E3 沉管基础不同步沉降问题得到有效解决，E2 与E3 沉管接头施工质量满足设计要求。

3）采用临时垫块方式沉放安装管节，垫块基床清淤施工需彻底。

4）管节沉放安装前，沉管基槽需重视清淤检查，确保基槽清淤质量满足要求。

5）必须保障灌砂基础的施工质量。

6）相邻两节沉管沉放安装间隔时间不宜过长，最好不超过30 d。如受条件限制无法避免，应通过调整鼻托梁支撑座的标高预抬高后安装的沉管。沉管对接端接头预抬高量约50 mm 为宜，且安装标高误差宜取正值。

7）冲积层地基的沉管隧道基础应慎重采用未经地基加固的灌砂基础。