沉管隧道深水基槽边坡稳定性分析研究

周云亮，韩鸿胜，田会静，蔡 磊

（1.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津300461；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

沉管隧道以其适应软弱地层、造价相对较低、管段形式可通过预制灵活选择、工期较短等诸多优势，越来越多地被应用于海底隧道建设工程中［1］。1993年8月我国大陆第一条大型水下隧道——珠江隧道建成，这是我国首次采用沉管法施工的隧道［2］。沉管隧道基槽边坡的稳定性是决定沉管隧道方案能否可行的关键技术之一。本文结合中交股份特大型科技研发项目“港珠澳大桥沉管隧道设计、施工及耐久性关键技术研究”中“深水基槽边坡稳定性研究”专题成果，对沉管隧道深水基槽边坡的稳定性及坡度选取进行了分析和评价，提出了在深水条件下沉管隧道基槽边坡坡度确定的建议方法。

图1 港珠澳大桥平面示意图［3］Fig.1 Sketch of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge［3］

1 工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道。海中桥隧主体工程总长约35 km，其中海底隧道长约6.5 km，图1中东、西人工岛之间为港珠澳大桥海底隧道位置。大桥建成后，将形成包括香港、澳门和广东全省在内的大珠三角经济圈，珠江流域城市、粤东西两翼和粤北山区城市将迎来一轮新的发展机遇。沉管隧道工程作为大桥的重要组成部分，其对安全性、经济型、可操作性等方面的要求十分严格。港珠澳大桥沉管隧道采用水下疏浚施工形成沉管基槽，为沉管管段的沉放提供前提条件［3］。

港珠澳大桥工程所在的珠江口区域，自然环境多变，外部条件复杂。沉管隧道基槽疏挖工程具有以下几个主要特点：（1）基槽挖掘深度大，最深处底高程在-40 m左右（国家85高程系统），开挖工程量相对较大；（2）工程区域地质条件复杂，包括了淤泥、淤泥质粘土、粘土、亚粘土、细粉砂、中粗砂等，对应的疏浚土级多样复杂；（3）基槽与水流方向基本垂直，水流流速大，增加了基槽疏挖的难度，同时也会加重成槽后的回淤程度，对沉管的沉放产生不利的影响。

另外，环保要求、施工干扰等也是基槽疏挖工程需要面对的问题。

2 分析方法

按照我国航道工程建设的实践，航道开挖深度不大，在满足航道边坡安全稳定的前提下，从施工便利角度考虑，航道边坡自上而下一般采用同一设计边坡坡度。港珠澳大桥工程开挖深度大，地质条件复杂，各土层土质差别较大，分层明显，为兼顾安全性和经济性，在保证边坡稳定的同时尽量减少开挖工程量，沉管基槽边坡考虑采用变边坡型式。

港珠澳大桥深水基槽边坡稳定性研究从建立基槽边坡与土体指标关系、边坡稳定性理论计算、实测调研对比分析、类似工程经验借鉴等4个方面开展研究，分析和评价沉管隧道基槽边坡的稳定性，推荐合理的基槽边坡坡度。

2.1 基槽边坡与土体指标关系

根据地质资料，参考航道边坡设计规范［4］并结合基槽开挖工程实际情况，建立基槽边坡与开挖深度以及基槽边坡与土体指标的关系，提出不同土层、不同土质的建议边坡坡度。

按照土体指标，开挖范围内土层可分为3个大层。

第一层为海床面至海床面下9 m厚土层，为淤泥层，含水率大于55%，平均天然重度15.5 kN/m3，孔隙比介于1.58～2.5。参照规范，第一层边坡坡度可取1：15～1：25。本层上部约5 m厚土层土体物理力学性质较差，结合我国相关港口航道工程中同等土质浅层边坡缓、深层边坡陡的建设经验，本层海床面下0～5 m厚土层边坡坡度取1：25，海床面下5～9 m厚土层边坡坡度取1：15。

第二层为海床面下9～16 m厚土层，为淤泥质土层，含水率介于40%～56%，平均天然重度16.7 kN/m3，孔隙比介于1.1～1.5。根据本层土体指标，边坡坡度可取 1：7～1：8。

第三层为海床面下16 m至开挖基槽底面，以粘土层为主，含水率介于22%～44%，平均天然重度18 kN/m3，孔隙比介于0.73～1.18。本层边坡取 1：3。

根据所建立的基槽边坡与土体指标关系，开挖范围内土层可采用自上而下四级变边坡型式：海床面下0～5 m厚土层边坡坡度取1：25，海床面下5～9 m厚土层边坡坡度取 1：15，海床面下9～16 m厚土层边坡坡度取1：7或1：8，海床面下16 m至基槽底面边坡坡度取 1：3［5］。

图2 钻孔位置示意图Fig.2 Sketch of drill hole position

2.2 理论计算

根据建立基槽边坡与土体指标关系所建议的四级变边坡型式，基槽开挖工程量大，相应地会产生工程造价高、工期长、施工难度大等问题。为在满足边坡稳定的前提下尽量减少开挖工程量、降低工程造价，缩短工程工期，将2.1节中所建议的海床面下5～9 m厚土层采用1：15边坡坡度调整为1：7，海床面下9～16 m厚土层边坡坡度按1：7考虑，并根据简单条分法理论［6-7］，采用地基计算软件进行边坡稳定性计算。根据图2所示地质钻探钻孔资料，采取分层参数选取法，对地质参数指标进行分析（表1～表3）。

根据对地质资料的分析，确定计算分层参数取值如表4所示。通过计算，土层产生滑弧的最小安全系数为1.284，出现在土体力学性质指标较差的9号土层。则理论上可以判定采用海床面下0～5 m厚土层边坡坡度取1：25、海床面下5～16 m厚土层边坡坡度取1：7、海床面下16 m至基槽底面边坡坡度取1：3的三级变边坡型式是可行的。

理论计算中保留上层5 m厚土层采用1：25边坡坡度，主要是考虑到上部淤泥层强度较小，存在一定范围的流泥，理论上应采用较缓边坡形式，以维持上层基槽边坡的稳定。

表1 钻孔1地质资料分析表Tab.1 Analysis of geological data（Z1）

表2 钻孔2地质资料分析表Tab.2 Analysis of geological data（Z2）

表3 钻孔3地质资料分析表Tab.3 Analysis of geological data（Z3）

表4 地质参数计算取值表Tab.4 Calculated value of geologic parameter

2.3 实测调研

为进一步分析基槽上层土体稳定性及边坡开挖情况，对深圳港西部港区公共航道断面进行了实测。深圳港西部港区公共航道总长8.93 km，有效宽度210 m，航道设计边坡坡度1：7，航道设计底高程-15.8 m（赤湾理论最低潮面）。共实测4个断面，实测断面位置如图3所示，断面三与断面四间距500 m，其余断面间距400 m。图4～图7为实测断面与竣工时测量断面对比分析图，2次测量的时间间隔为半年，图中虚线为竣工时测量断面，实线为竣工半年后的实测断面。

通过测量断面图对比分析，竣工半年后的实测断面与竣工时测量断面相比，航道底部存在一定的淤积，可能由上层流泥流入、软泥坍塌或泥沙淤积所致，但整体1：7的边坡是稳定的。2.1节及2.2节中所建议的上部5 m厚土层取1：25边坡坡度主要是考虑到上层软弱土层的稳定，在实际开挖施工时是分层进行开挖，上层塌落或流入的软泥在进行下层施工时将被开挖清除，且在沉管沉放前也将对槽底淤土进行清理，因此，从边坡稳定及工程安全考虑，上层土体边坡坡度取1：7或1：8是可行的。

2.4 类似工程经验分析

临近港珠澳大桥工程处曾实施天然气管线管沟开挖工程（图 8），伶仃施工段总长 2 865 m，宽 10 m，边坡 1：5，挖深-10～-22 m。处在珠江径流与深圳湾落潮流能量汇集区，最大落潮流速2.0～2.6 m/s，几乎与沟槽垂直。该段自然条件与本工程基本相同，可以作为参考。

但该段管沟开挖深度较港珠澳大桥沉管基槽浅，管沟内的回淤、坍塌等情况对后续施工环节的影响比沉管隧道工程要小。因此，将1：5边坡用于港珠澳大桥沉管基槽稍显激进。通过测算比较港珠澳大桥沉管基槽采用1：7、1：3二级变边坡和 1：5 一种边坡两种型式的开挖工程量，1：7、1：3 二级变边坡型式的工程量略小，且其稳定性占优。

图3 实测断面位置图Fig.3 Location of actual measurement sections

图4 测量断面对比图一Fig.4 Comparison of measuring section（1）

图5 测量断面对比图二Fig.5 Comparison of measuring section（2）

图6 测量断面对比图三Fig.6 Comparison of measuring section（3）

图7 测量断面对比图四Fig.7 Comparison of measuring section（4）

图8 管沟开挖工程位置图Fig.8 Location of pipe trench engineering

2.5 推荐边坡

综合上述分析研究，推荐海床面下0～16 m即上部淤泥及淤泥质土层采用1：7或1：8边坡坡度，海床面下16 m至基槽开挖底面即下部粘土层采用1：3边坡坡度。采取该种型式基槽边坡可以在保证边坡稳定性的同时，减少开挖工程量。目前正在实施的港珠澳大桥沉管隧道开挖工程采用的是自上而下1：7、1：3二级变边坡型式［8］。

3 结论及建议

（1）因深水基槽工程条件复杂，不确定性因素多，通过单一方法分析沉管隧道深水基槽边坡稳定性有局限性，可通过建立基槽边坡与土体指标关系、边坡稳定性理论计算、实测调研对比分析、类似工程经验借鉴等方式进行综合研究，分析深水基槽边坡的稳定性并合理确定深水基槽开挖边坡坡度。

（2）根据港珠澳大桥沉管埋深及地质土层条件，基槽横断面边坡采取自上而下分别为1：25、1：7或1：8、1：3的三级连续变边坡形式是合适的，但存在上部开挖量大的缺陷。通过系列研究，推荐按自上而下1：7或1：8、1：3 两级变边坡形式。

（3）建议在基槽工程实施前开展试挖段工程并加以监测，以便对设计边坡进行相应修正。

（4）应紧密衔接基槽开挖与沉管铺设两道工序，槽内回淤对沉管沉放有不利影响时，需进行清淤。同时，可考虑清除槽顶两侧一定范围的流泥，以降低槽内回淤程度。

［1］陈韶章.沉管隧道设计与施工［M］.北京：科学出版社，2002.

［2］李兴碧，王明洋，钱七虎.沉管隧道的发展综述与琼州海峡的沉管隧道方案［J］.岩土工程界，2003，6（7）：7-11.LI X B，WANG M Y，QIAN Q H.Development of pipe-sinking tunnels and the pipe-sinking tunnel scheme of Qiongzhou Strait［J］.Geotechnical Engineering World，2003，6（7）：7-11.

［3］韩鸿胜，闫勇，韩西军，等.港珠澳大桥工程方案人工岛局部动床冲刷物理模型试验研究［J］.水道港口，2012，33（1）：25-29.HAN H S，YAN Y，HAN X J，et al.Physical model study for tidal current and sediment on movable bed of the artificial islands in the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge project［J］.Journal of Waterway and Harbor，2012，33（1）：25-29.

［4］JTJ 211-99，海港总平面设计规范局部修订（航道边坡坡度和设计船型尺度部分）［S］.

［5］杨树森，李孟国，韩西军，等.港珠澳大桥沉管隧道基槽施工方案边坡稳定、二维潮流数模及泥沙淤积计算综合论证分析［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2008.

［6］钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算［M］.北京：中国水利水电出版社，1996.

［7］JTS 147-1-2010，港口工程地基规范［S］.

［8］曹慧江，肖烈兵.港珠澳大桥岛隧工程沉管基槽开挖回淤强度研究［J］.水运工程，2012（1）：12-17.CAO H J,XIAO L B.Back-silting of trench excavation for the immersed tunnel in Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge construction［J］.Port＆ Waterway Engineering，2012（1）：12-17.