沉管隧道地基砂流法处理时砂盘扩展过程浅析

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摘要：以往的沉管隧道砂流法地基处理试验研究受试验条件的限制，无法实时探测砂盘扩展数据，即无法了解砂盘扩展过程规律。介绍了沉管隧道砂流法地基处理足尺试验模型及试验中的砂盘探测方法。利用砂盘探测器获得了砂盘扩展尺寸随时间变化的系列曲线，初步探索了砂盘形成和扩展的过程规律。为广州洲头咀变截面沉管隧道地基处理的设计和施工提供了参考。

关键词：沉管隧道；地基处理；砂流法；砂盘扩展过程

中图分类号：U 459.5 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

沉管隧道因其优越性而在国内外水下隧道工程中得到了广泛应用[1，2]。沉管隧道地基处理是沉管隧道建设中的关键一环，方法有多种[3，4]，其中的砂流法为当今的主流工法之一。

砂流法工艺中砂盘扩展过程决定沉管隧道底部砂盘地基的充满程度及地基处理的效果。荷兰弗拉克隧道[5]、广州珠江隧道[6]、广州生物岛―大学城隧道[7]均进行了砂流法模型试验，用以检验砂流法地基的设计参数及指导施工，但因当时试验条件的限制而未能获得砂盘扩展过程的实时数据。

本文以广州洲头咀变截面沉管隧道地基砂流法处理为实例，建造足尺模型对砂盘扩展过程规律进行试验研究，利用砂盘探测器获得了砂盘扩展尺寸随时间变化的系列曲线，初步探索了砂盘形成和扩展过程。为广州洲头咀变截面沉管隧道设计和施工提供了参考。

2 砂流法试验模型及砂盘探测方法

2.1 砂流法试验模型

砂流法试验模型系统由模型板、试验水池、循环水池、地下水库组成。模型主体为置于试验水池中的现浇钢筋混凝土模型板(图1)，用以模拟单个压砂孔等效范围内的沉管隧道底板。模型板与地面之间预留0.8～1.0m空隙以模拟沉管隧道底板下的基槽间隙；试验时模型板顶水深为1.0m以模拟沉管隧道水下环境。隧道模型化原则为：试验模型尺寸及试验边界条件足尺模拟广州市洲头咀变截面沉管隧道一个砂盘范围的隧道底板。

图1试验模型系统示意图

试验设备系统由输水、输砂、压注、控制四大部分组成(图2)，为试验提供稳定的砂水流。

图2试验设备系统示意图

在模型及设备相应位置安装水压力计、砂盘探测器以对试验过程中的水压力、砂盘扩展过程进行实时量测。

2.2 砂盘探测方法

砂盘扩展过程的实时测试数据由安装于模型板上的砂盘探测器测得。测点布置于X、N、L、Y、M轴线上，如图3所示。

图3砂盘探测器示意图

测量时，砂盘探测器的探测盘触及基底或砂盘外缘面，在测量尺上读取探杆的插入深度数据便可换算出测点处的砂盘高度；各测点的测量频率为3min～10min。

3 试验结果及分析

图4所示为以时间为横坐标，以X轴上每个测点测得的砂盘高度为纵坐标的砂盘扩展高度―时程关系曲线图。图5是根据实测数据拟合而成的砂盘扩展半径的二次时程曲线。曲线显示了试验中砂盘半径在整体上的扩展时程规律。

图4X轴各测点处砂盘 图5砂盘扩展半径的二次

高度―时程曲线图时程曲线

图6为砂盘剖面图。砂盘中的纹理结构呈斜层状，其倾角与砂盘外缘面实测倾角相近。

(a) 剖切面曲线图 (b)剖切面实物图

图6砂盘剖面斜层状结构图

通过对砂盘扩展尺寸的实测数据分析以及试验形成的砂盘切开剖面的细致观察可知，试验开始时砂水混合流直接冲至基底后向四周散开，砂粒呈环状堆积并逐渐形成环状“坝体”，且在压砂口下方形成圆形积水坑，随着堆积“坝体”高度增加积水坑深度也增加；积水坑达到一定深度时，喷入的砂水混合流冲击坑内的水体后从“坝体”顶部“喷射”而出，尔后其水压力急剧降低，砂粒则在环形“坝体”外缘面不断堆积，使得“坝体”宽度和高度不断增加，逐步扩展形成砂盘，坝体中心处的积水坑形成冲积坑。当砂盘竖向堆积至与模型板底接触时，砂水流冲破砂盘顶部薄弱处形成流缝和流槽，砂粒从流缝或流槽中流出并堆积于砂盘外缘面上形成斜层状结构。流缝和流槽则时而被砂粒阻断，时而又被冲破或在邻近薄弱处形成新的流缝或流槽，因此其周向分布具有随机性。

4 结语

本文以广州洲头咀变截面沉管隧道地基砂流法处理为实例，建造足尺模型对砂盘扩展规律进行试验研究，利用砂盘探测器获得了砂盘扩展尺寸随时间变化的系列曲线。通过分析了解了砂流法工艺中砂盘扩展过程。为广州洲头咀变截面沉管隧道设计和施工提供了参考。

参考文献(References)：

[1] 傅琼阁. 沉管隧道的发展与展望[J]. 中国港湾建设，2004，(05)：5458.

[2] 王艳宁，熊刚. 沉管隧道技术的应用与现状分析[J]. 现代隧道技术，2007，44(04)：14.

[3] 陈韶章，陈越，张弥. 沉管隧道设计与施工[M]. 北京：科学出版社，2002.

[4] 宋建，陈百玲. 沉管隧道穿越江河海湾的优越性[J]. 现代隧道技术，2005，42(3)：2830+36.

[5] Glerum A. Developments in immersed tunnelling in Holland[J]. Tunneling and Underground Space Technology，1995，10(4)：455462.

[6] 黎志均，谭洋铭，黎海涛等. 珠江隧道工程基础灌砂模型试验报告[R]，广州：交通部第四航务工程局科学研究所，1992.

[7] 郑爱元，谭忠盛，李治国. 沉管隧道基础灌砂模拟试验[J]. 中国工程科学，2009，11(7)：8185.