蒋钦权 谷任国 邓 磊 房营光

(1.广州公路工程集团有限公司， 广州 510635； 2.华南理工大学土木与交通学院， 广州 510640)

沉管隧道是一种跨越江、河、海峡的水底交通隧道，具有结构断面使用率高，建设安全性高，结构防水性能好等优势[1-6]，因此得到了广泛的应用和发展。但同时其造价也极其昂贵，每公里造价高达数亿人民币，目前新建成的中国港珠澳大桥海底沉管隧道，全长5.6 km造价更高达211亿人民币。因此，对沉管隧道的施工及设计参数的微小优化或改进都将产生较大的经济效益。

沉管隧道建设中，地基处理是其中最重要的部分，其对于保证隧道建设质量及安全运营具有关键作用[6]。

砂流法是目前沉管隧道地基处理中较为常用的方法之一，具有施工效率高、设备要求低等优点[7-10]。砂流法中砂盘的最终扩展尺寸及基槽间隙填充情况是决定砂流法地基处理质量的关键指标，若砂盘扩展半径未能达到设计要求，则均衡性较差；若基槽间隙存在空洞，充满度较低，扩展质量较差则会导致使用期间基础应力集中和沉管段不均匀沉降[11]，影响沉管隧道的运营安全，严重时将造成巨大的经济损失[12]。因此，有必要深入探索不同施工及设计参数对砂盘的最终扩展尺寸及基槽间隙填充情况的影响，进一步优化设计及施工参数。

荷兰Vlake隧道建设时首次采用了砂流法，并采用了大型砂流法模型试验，验证了砂流法工艺的可行性，并对砂流法设计及施工参数进行了初步探索[13]。广州珠江隧道建设时，通过大比尺模型试验，研究了砂盘的密实度和充满度情况[14]。广州生物岛-大学城沉管隧道建造前，建立了缩尺模型，研究了不同水砂比条件下的喷砂压力及砂盘的各项参数[15]。

有学者设计了沉管隧道砂流法地基处理足尺试验模型，通过自行研制的砂盘检测器获得了砂盘扩展高度和半径的实时数据，发现砂盘平均扩展半径的扩展趋势符合二次时程曲线[16]，并测得模型板底处的水压力-时程典型曲线、砂盘发展半径-时程典型曲线以及试验后砂盘效果图[17]。同时采用不同模型板底面材质探讨其对砂盘扩展影响特性，获得砂盘扩展半径、压砂系统水压力、模型板底水压力随时间变化的关系曲线[18]。

文献[19]通过对沉管隧道地基砂流法处理的砂盘扩展规律试验和分析，发现改变边界条件或部分封堵边界对砂盘的最终尺寸和密实度的影响不大，因而可以不计实际施工中由于不同施工顺序造成的“人为边界封堵”现象对最终砂盘施工质量的影响。

前述研究或探索了砂流法的扩展规律，或验证了施工方案的可行性，为现场施工提供了有益的指导，但对于砂盘最终扩展均衡性及基槽间隙填充质量的影响因素缺乏研究。砂流法地基处理中，由于砂盘堆积及水压力作用，不可避免的将产生管段上抬现象，而目前工程实践中以管段上抬作为砂流法施工终止的控制标准，其合理性及对砂盘最终扩展均衡性及质量的影响尚无细致研究；为防止混凝土沉管隧道渗漏，常需对底板进行防水处理，底板粗糙度将可能发生改变，而目前对于底板粗糙度的对砂盘最终尺寸及充满度的影响尚无细致研究；由于沉管隧道管节较大，管节底部一般设计为多排砂盘，先施工砂盘即成为后施工砂盘的封堵边界，大部分砂盘都会受到边界封堵的影响，而目前对于边界封堵对砂盘扩展的影响仍缺少研究。

因此，将通过砂流法足尺模型试验，得到各参数下砂盘的半径、顶面和体积的充满度；并结合前人对砂盘扩展规律的研究，分析研究管段上抬、管节板底粗糙度及封堵边界分别对砂盘最终扩展均衡性及基槽间隙填充质量的影响，为工程实践提供参考。

1 砂流法试验模型及探测方法

模型板采用如图1所示的现浇钢筋混凝土板，以广州市洲头咀沉管隧道变截面段为原型，足尺模拟单个喷砂孔等效范围内的沉管隧道变截面底板，其尺寸为15.2 m(长)×8.2 m(宽)×0.1 m(厚)。利用混凝土柱将模型板架设于试验水池中，水池尺寸为17.2 m(长)×10.5 m(宽)×2.5 m(高)。模型板与水池侧壁间距约为0.8 ～1.3 m，与地面之间的空隙约为0.8～1.0 m，分别模拟沉管隧道侧壁与基槽边坡的间距及隧道底的基槽间隙，蓄水至板面以上时可模拟水下基槽及水下环境。

a—试验模型； b—模型试验现场。图1 试验布置 mFig.1 Arrangements of the test

试验模型系统具有砂水输入、比例控制、混合、输出、系统控制等功能，其性能参数与施工现场设备完全一致，可模拟沉管隧道砂流法地基处理过程。

模型板X、N、L、Y、M 轴线上各点处布置了砂盘探测器(图1b)，用于探测砂盘实时扩展数据，具体测量方式见文献[20]。

试验中通过改变模型板固定情况、模型板底摩擦因数和设置封堵边界情况来模拟不同施工条件。模型板上抬模拟喷砂过程中沉管管段上抬现象。粗糙的板底为未处理的现浇混凝土面，摩擦因数为0.24，对应于沉管隧道混凝土底板；光滑的板底为打磨后涂刷防水层底板，摩擦因数为0.16，对应于沉管管段底面涂刷防水层工况[21]。图1a所示的边界封堵用于模拟实际施工中管节底部的设计砂盘为多排时，先喷砂形成的砂盘对后喷砂的砂盘形成边界封堵现象如图2所示，目前工程中现行的喷砂顺序为逐列进行，先中间后两边。

图2 沉管管段砂盘设计示意 cmFig.2 The schematic diagram for sand-deposit design of the immersed tube section

2 充满度计算式

试验完成后，排干池水，采用皮尺等，测量砂盘在各方向的扩展情况及最终扩展高度，据此计算砂盘顶面充满度、体积充满度及半径充满度。

考虑到冲击坑及流缝、流槽在砂流法施工结束后将被细石混凝土填充，故在文献[5]对充满度计算的基础上，定义砂盘顶面充满度为忽略砂盘内部特征间隙(如冲击坑、流缝、流槽等)影响的模型板范围内砂盘顶面外轮廓线围成面积与模型板底面积之比值，表达式为：

(1)

式中：fA为砂盘顶面充满度；Asd为砂盘有效顶面积；Amb为模型板底面积。

定义砂盘体积充满度为忽略砂盘盘内部特征间隙(如冲击坑、流缝、流槽等)影响的模型板范围内砂盘体积与模型板下部空间体积之比值，表达式为：

(2)

式中：fV为砂盘体积充满度；Vsd为砂盘有效体积；Vmb为模型板下部空间体积。

此外，考虑到最终砂盘的不规则形状，有必要给出能描述其形状的参数。基于此，定义砂盘的“半径充满度”为不同方向的模型板边距喷口的距离(理论半径值)与对应方向实际砂盘半径值的比值，表达式为：

(3)

式中：fR为砂盘半径充满度；Rsd为砂盘有效半径；Rmb为模型板底面理论半径值。

3 试验结果及分析

采用足尺试验模型共进行了5次砂流法地基处理试验，试验参数设计详见表1。下文中符号“SFMT-X”表示第X次砂流法试验。

表1 试验参数Table 1 Test parameters

根据测量砂盘最终扩展情况，绘制了砂盘最终扩展图，俯视图轮廓线为砂盘顶面外轮廓线见图3。

a—SFMT-1砂盘； b—SFMT-2砂盘； c—SFMT-3砂盘； d—SFMT-4砂盘； e—SFMT-5砂盘。图3 砂盘最终扩展情况 mFig.3 The final expansion of sand-deposit

各方向设计标准半径见表2，模型板面积为125.9 m2。根据式(1)计算得到各次试验的砂盘顶面充满度，结果见图4；根据式(2)计算得到各次试验的砂盘体积充满度，结果见图5；根据式(3)计算得到各次试验的各方向砂盘半径充满度，结果见图6。由图6可见：

图4 试验砂盘顶面充满度Fig.4 The filling degrees for top surfaces of the test sand-deposit

图5 试验模型板底体积充满度Fig.5 The volume filling degrees for the bottom plates of test model

图6 砂盘各方向砂盘半径充满度对比Fig.6 Contrasts of filling degrees for radii of sand-deposit from different directions

表2 砂盘各方向设计标准半径Table 2 The design standard radii of sand-deposit in each direction m

1)从SFMT-1和SFMT-2的试验结果可以看出：管节模型上抬对砂盘半径的扩展极为不利，SFMT-1大多数方向半径充满度较低，小于模型板固定的SFMT-2试验约4%～20%，砂盘扩展均衡性差，且顶面充满度及体积充满度均小于SFMT-2试验的10%和6%，基槽间隙填充质量较差。

分析认为：试验开始后，砂盘在模型板底不断扩展，与管节模型之间围合成半封闭空间，且其密闭性随砂盘扩展而提高，从而使板底水压上升，当砂盘中心处填满板底间隙后，砂盘与水压力共同承担模型板重力。模型板逐步压在砂盘表面，使得砂盘顶面的流缝范围逐渐缩小，流缝、流槽厚度逐渐变薄，初期砂水流外输过程尚且顺畅，砂盘不断扩展，少部分砂颗粒因流槽厚度变薄，流动阻力增大等原因而被“压积”于模型板底，使得管段不断上抬。后期砂盘各处的流槽和流缝变得薄且窄，使得砂水流外输不通畅，通过流缝、流槽输送的砂颗粒被压积于砂盘顶面，砂盘难以继续向外缘扩展，从而导致砂盘扩展半径难以到达设计要求，砂盘充满度较低。

2)对比SFMT-2与SFMT-3的试验结果可以看出：粗糙的模型板试验中，砂盘半径未充满方向较多，占40%，扩展均衡性较光滑板底差，后者未充满方向占12.5%；砂盘顶面充满度及体积充满也低于光滑的模型板，砂盘扩展质量也较光滑模型板底差。表明光滑的模型底板有利于提高砂盘扩展均衡性及质量。

分析认为：粗糙的模型板其凹凸起伏面及蜂窝麻面在流槽中起到了径向涡发生器[22]的作用,成为天然的扰流元件，对砂水流输送具有一定的阻碍作用。光滑的模型板底使得形成径向涡的概率较小，减小了对砂水流的阻碍作用，提高了砂盘扩展速度，从而使得砂盘的半径充满度、顶面充满度及体积充满度高于在粗糙的模型板底下形成的砂盘。

3)对比SFMT-2与SFMT-4和SFMT-5的试验结果可以看出：单侧封堵边界条件下砂盘半径充满度最好，砂盘顶面充满度积及体积充满度最高，扩展均衡性及质量最好，双侧封堵条件下次之。表明适当的边界封堵可提高砂盘扩展均衡性及基槽间隙填充质量，对砂盘扩展无不利影响。

分析认为：当砂盘扩展接近封堵边界时，其离砂盘中心较远的砂盘顶部区域已形成流槽，砂水流通过流槽外输，并在封堵侧的流槽口迅速沉积，砂盘在该方向的尺寸继续扩展。当封堵侧的砂盘堆积充满后，流槽受封堵边界的影响而自动转向，形成众多蜿蜒的流槽，其总体走向顺着封堵边界流向封堵边界出口方向。砂水流向未封堵侧流动，加快了砂盘在其他方向的扩展，从而使得各方向砂盘半径充满度、砂盘顶面充满度及体积充满度明显提高。但随着封堵边界增多，边界对基槽底的流场扰动增大，使得各轴向的砂盘扩展速度不一致，从而造成部分方向扩展速度减慢，砂盘半径充满度减小，砂盘顶面充满度和体积充满度略微减小。

4 结束语

通过沉管隧道砂流法地基的充满度足尺模型试验研究及分析，得到如下主要结论：

1)管节模型上抬对砂盘半径的扩展极为不利，其大多数方向半径充满度较低，砂盘扩展均衡性差，且顶面充满度及体积充满度均有所降低，基槽间隙填充质量较差。与模型板固定工况对比，上述参量降低范围约为4%～20%。因此，在工程实践中仅以管节开始上抬作为砂流法施工终止的控制标准值得斟酌。

2)管节底面粗糙度对砂盘的充满度有影响，对沉管底板进行光滑处理可有效提高砂盘半径充满度，未充满的方向从40.0%降低到12.5%，有利于提高砂盘扩展均衡性及基槽间隙填充质量。

3)适当的边界封堵可提高砂盘扩展均衡性及基槽间隙填充质量，单侧边界封堵效果相对较好。