沉管隧道下穿防波堤基础设计及沉降控制

胡传鹏，张涛，李云刚

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

0 引言

随着我国经济社会的发展，跨江越海的水下隧道不断增多，沉管法隧道以环保友好、易于两岸接线、施工快速等优点逐渐得到重视和青睐。特别是随着上海外环线、港珠澳大桥、深中通道等隧道的建设，沉管法设计施工与理论技术不断发展，沉管隧道基础的研究也取得长足进步[1-2]。在实际隧道建设过程中，沉管地基基础所面临的地质条件或环境条件通常比较复杂。由于天然地质条件或上覆荷载的差异性，同一管节基底或相邻管节基底地层存在较大变化。在工程设计中，最直接影响就是地基刚度的变化，进而影响沉管隧道地基的不均匀沉降，而不均匀沉降会导致剪力键结构受力不利和管节接头的变形或渗漏。因此考虑地层复杂性和不同荷载作用下地基刚度和地基沉降对沉管隧道结构安全具有重要意义。

目前国内外对沉管地基基础的研究取得大量成果，李建宇等[3]对外海软土地层条件下沉管基础沉降和差异控制技术问题进行研究，提出基础沉降主要组成和复合地基建议计算方法；许昱等[1]对离岸人工岛岛隧结合部沉管隧道基础沉降控制进行研究，提出基础加固措施和管节预抬量值；王勇等[4]通过物理模型试验和数值分析对砂卵石地层的力学特性和变形规律进行研究；王延宁等[5]基于物理模型试验和理论分析对港珠澳大桥岛隧结合部地基沉降进行预测和研究。以上关于沉管基础的研究大多基于软弱地层处理或砂卵石地层，对于硬岩软岩不均匀地层以及管节上覆荷载突变等工况研究相对较少。

本文以大连湾海底隧道工程为背景，对下穿防波堤段软硬不均地层条件的沉管基础进行研究，分析上覆荷载突变作用、强中风化硬岩与粉质黏土软质地层不均匀过渡条件下地基刚度变化对结构内力及沉降的影响[6-11]，为沉管地基基础设计提供依据，也为今后同类工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

大连湾海底隧道工程北起梭鱼湾20号路，向南进入大连湾海域，以沉管的形式下穿大连湾，在大连港3号、4号码头中间的港池登陆，隧道在港池中平行于码头走行，然后隧道主线折向东、沿港隆西路东街至人民路西侧接地。隧道全长约5.1 km，沉管段隧道长3 080 m，采用城市快速路标准，设计速度60 km/h。

城市道路为双向六车道标准，沉管断面采用两孔一管廊断面，中间管廊设排烟道，结构宽度33.4 m，结构高度9.7 m。

隧道纵向采用0.3%～4%坡度的W形纵坡设计，单个沉管标准管节长180 m，为节段式管节结构，每个管节由8个小节段组成，标准节段长度为22.5 m，全线共布置18个管节；防波堤位于E12管节管顶，沉管施工过程中拆除并在沉管施工完成后复建；E8—E12管节位于粉质黏土等软土地层，其余管节位于强风化、中风化硬岩地层。隧道地质纵断面如图1所示。

图1 沉管隧道地质纵断面图Fig.1 Geological profile of immersed tunnel

2 计算参数取值

根据地勘报告，管节沉降及地基刚度岩土计算参数如表1所示。由于防波堤下地基土体压密作用，地基强度相对其他断面较高，本计算选取e-p曲线的Es2-4压缩模量作为计算参数。地质参数取值如表2所示。

表1 软土下卧层段地质参数Table 1 Geological parameters of soft soil underlying layer

表2 防波堤位置地质参数Table 2 Geological parameters of breakwater location

3 下穿防波堤沉管地基处理及沉降控制

3.1 沉管基础垫层设计

大连湾沉管隧道基础采用先铺法碎石垫层，垫层为V形槽的垄沟相间形式，纵断面呈锯齿形，平面S形铺设，标准沉管段碎石顶横向宽度37.4 m，单垄沟纵向宽度1.8 m，V形槽顶纵向宽度1.05 m，碎石垫层厚度为1.3 m。

沉管下穿防波堤段土层分布较复杂，自上而下依次为素填土、淤泥、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、强风化、中风化板岩，局部分布有角砾。

假定下穿防波堤段仅铺设1.3 m厚碎石垫层的天然地基条件下纵向荷载变化和地基刚度计算如图2、图3所示。由计算结果可知，防波堤位置最大管底荷载超250 kPa，地基刚度相较临近管节有明显下降，刚度变化存在较大突变。

图2 沉管管节纵向管底荷载值Fig.2 Load value of longitudinal tube bottom of immersed tube element

图3 沉管地基刚度Fig.3 Foundation stiffness of immersed tunnel

3.2 基础处理

下穿防波堤位置的地基沉降和结构内力，采用数值分析软件进行荷载-结构模型有限元数值计算，分析管节接头的非线性效应，并考虑地基不均匀刚度对结构和接头的影响。地层采用地基弹簧模拟，地层变形遵从温克假定，管节法向土弹簧用只受压的线性弹簧单元模拟；管节切向土弹簧采用双向多线性弹簧单元来模拟；管节接头采用多线性弹簧模拟GINA和钢剪力键支座，并采用多线性弹簧模拟混凝土剪力键传力垫层。天然地基条件下管节纵向沉降及结构内力见图4～图6。

图4 SLS组合管节纵向最大沉降分布图Fig.4 Distribution diagram of maximum longitudinal settlement of SLS combined element

图5 ULS组合管节接头最大剪力Fig.5 Maximum shear force of ULS combined element joint

图6 ULS组合节段接头最大剪力Fig.6 Maximum shear force of ULS combined segment joint

沉管结构设计管节接头剪力键抗剪承载力为20 000 kN，节段接头剪力键抗剪承载力为14 880 kN。计算可知，仅铺设1.3 m碎石垫层的天然地基下管节沉降最大值为8.95 cm，位于临近防波堤的E11管节，主要是因为该管节下存在约16 m厚红黏土软土层；管节接头和节段接头张开量、管节接头抗剪满足要求，E11管节S3&S4接头（地基刚度突变处）、E12管节S3&S4接头（防波堤下方）、E12管节S5&S6接头（防波堤南侧）节段接头剪力超出设计值。

这是由于处于软土地层的防波堤处管底荷载突然增大，防波堤段前后管底地基刚度过渡不满足设计要求，导致该处的节段接头剪力增大，因此考虑对该区段范围地基基础进行加固处理，以满足刚度过渡的要求。

下穿防波堤E12管节、E11管节位于黏土层，E13管节部分位于硬岩层，为保证下穿防波堤管节与临近管节地基刚度的均匀过渡，减小中间软土层地基与两端基岩地基区段基础刚度的差异突变，在E8—E13管节存在软土层基底段均设置2.0 m厚换填块石，并换填管底软弱高压缩性红黏土，考虑防波堤复建对管节沉降和变形的影响，对该部分区域软土深槽采取加深夯填块石的地基处理措施，换填深度6.2 m。基础处理方案见图7。

图7 地基处理方案示意图Fig.7 Schematic diagram of foundation treatment scheme

地基处理后的地基刚度见图3，管节最大沉降6.50 cm，节段接头最大剪力见图8。由计算结果可知，地基处理加固后地基刚度能够满足结构变形和受力需要，接头内力满足结构承载能力。

图8 地基加固节段接头最大剪力Fig.8 Maximum shear force of element joint of foundation reinforcement

3.3 沉降控制

防波堤所在位置存在下卧软弱土层，在沉管施工完成防波堤复建后由防波堤自重及由波浪力、水流力引起的防波堤附加应力，使沉管管底承受更大的荷载，增大管底沉降和变形，为控制管节下穿防波堤位置的管底沉降，减小纵向管节接头的差异变形和刚度变化，提出以下处理方案。

1）防波堤结构减载

为减小防波堤复建结构荷载对沉管的影响，在其结构设计中，满足抗倾覆、抗滑移和承载力条件下，为减小用海范围、降低造价及降低施工难度，采用直立式沉箱结构，挡浪墙顶高3.64 m，坐落在沉管覆盖层上，沉箱宽16.5 m，高13.0 m，箱内不满回填，前3个仓格内填料标高-10.0 m，第3个仓格内填料标高-5.0 m，挡浪墙海侧上顶宽6.0 m。基床采用10～100 kg块石，基床防护采用50～100 kg块石，计算最不利工况下对管底附加荷载为148 kPa，满足地基承载和变形要求。防波堤与沉管平面位置关系见图9，防波堤结构立面图见图10。

图9 防波堤与沉管平面位置关系图Fig.9 Plane position relationship between breakwater and immersed tube

图10 防波堤结构立面图Fig.10 Elevation of breakwater structure

2）设置管节预抬量

根据沉管管底沉降计算可知，下穿防波堤段管节在基础加固处理及防波堤复建后E12管底最大沉降为5.3 cm，E13管底已进入基岩，最大沉降为2 cm，E11临近E12管节接头侧最大沉降为3.6 cm。考虑在沉管完成沉放对接和顶部回填覆盖阶段，顶部荷载以回填碎石及块石为主，本阶段产生的沉降为2.36 cm，为减小管节差异沉降造成的影响，对E12管节预抬量确定设为5.3 cm-3.6 cm+2.36 cm=4.06 cm。

4 结语

本文以大连湾海底隧道工程为背景，采用理论计算和数值分析的方法，对下穿防波堤管节的基础处理和沉降控制进行研究，得出以下结论：

1）下穿防波堤段沉管隧道由于上覆荷载的突变增大，采用天然地基不能满足结构受力和变形的需要，E11和E12节段接头剪力超出结构抗剪承载能力；

2）软土地层采用整体换填2 m厚块石和下穿防波堤沉管管底局部深槽块石夯填的地基处理方式，有利于地基刚度的均匀过渡，保证结构受力满足设计要求；

3）采用部分充填块石的直立式沉箱结构和设置管节预抬量的方式，可有效控制下穿防波堤管节的差异沉降，减小纵向管节接头的差异变形和刚度变化。

4）目前E12管节上部防波堤复建结构尚未完成施工，应持续监测管节变形和受力情况，鉴于防波堤结构对沉管受力和变形影响复杂，建议建立防波堤与沉管结构的三维数值模型研究防波堤荷载作用下对管节沉降和结构内力的影响。