沉管基础处理与覆土回填

沉管法的基础处理~

处理沉放管段基础的目的是使沟槽底面平整，而不是为了提高地基的承载力。在水下开挖的沟槽，其底面凹凸不平，如不加以整平，管段沉放后会因地基受力不均匀而导致局部破坏，或因不均匀沉陷而开裂。为了提高沟槽底面的平整性，至今绝大多数建成的水底隧道采用垫平的方法。早期大多采用一种在管段沉放之前先铺砂石作为垫层的先铺法。它是在作业船上通过卷扬机和钢索操纵特制的刮铺机或钢犁，沿着沟槽底面两侧设置的、具有规定标高和坡度的导轨，将放下的垫料往复刮平。该法缺点较多。另一种垫平的方法为后填法。即先将管段沉放在沟槽底上的临时支座上，并使管底形成一定的空间（管段底板内预设液压千斤顶，在定位时可以顶向支座，调节管段高程），随后用垫层材料充填密实。后填法中最早用的是灌砂法，仅适用于底宽不大的船台型管段。40年代初创造成功的喷砂法，适用于宽度较大的大型管段。从水面上用砂泵将砂水混合料通过伸入管段底下的喷管向管底空间喷注，使形成一厚实均匀的砂垫层，喷砂作业须设专用台架和一套喷砂与回吸用的 L形钢管。喷砂开始前，可利用它清除沟槽底上回淤土或塌方土。喷砂完毕，随即松开定位千斤顶，利用管段重量将砂垫层压实。这一基础处理方法在欧洲用之较多。沉管法70年代日本用沉管法建造东京港、衣浦港等水底隧道时，采用了压浆法、压混凝土法等管段基础处理的新技术。

　　沉管法是预制管段沉放法的简称，是在水底建筑隧道的一种施工方法。其施工顺序是先在船台上或干坞中制作隧道管段（用钢板和混凝土或钢筋混凝土），管段两端用临时封墙密封后滑移下水（或在坞内放水），使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后，向管段内加载，使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。管段逐节沉放，并用水力压接法将相邻管段连接。最后拆除封墙，使各节管段连通成为整体的隧道。在其顶部和外侧用块石覆盖，以保安全。水底隧道的水下段，采用沉管法施工具有较多的优点。50年代起，由于水下连接等关键性技术的突破而普遍采用，现已成为水底隧道的主要施工方法。用这种方法建成的隧道称为沉管隧道。

尽管沉管隧道基础所承受的荷载通常较低，对地质条件的适应性比较强，但由于在基槽开挖过程中，不论使用哪一种挖槽方法，槽底表面都不会太平整，槽底表面与沉管底面之间必将存在很多不规则的空隙，导致地基土受力不均匀而局部破坏，从而引起不均匀沉降，使沉管结构受到局部应力而开裂，故必须进行基础处理（基础填平）。

沉管隧道基础处理的方法很多，主要分先铺法和后填法两大类。在管段沉放前进行的处理方法称先铺法，又叫刮铺法，包括刮砂法和刮石法；后填法是先将管段沉没在沟槽底的临时支座上，随后再补填垫实，它包括喷砂法、灌砂法、灌囊法、压砂法、压浆法等。

后填法的优点是在处理过程中基本上不干扰航运，不需特殊的专用设备，不受气象条件的影响，不需大量潜水作业，便于日夜连续施工，操作简易，省工省费用，全过程进行信息化控制。所以，目前大型沉管隧道的基础处理多用后填法，如喷砂法、压砂法、压浆法。

如沉管管段的地基土特别软弱时，仅靠上述“垫平”处理是不够的，还需进行特别处理。处理方法有置换法（以粗砂置换软弱土层，但地震时有液化危险，不安全）、打砂桩并加载预压法（需花费大量时间等待固结，影响工程进度，一般不用）、桩基法等。另外也可采用减轻管段的重量的办法，但效果不大。

基础处理结束后，还要对管段两侧和顶部进行覆土回填，以确保隧道的永久稳定。回填材料为级配良好的砂、石。为了使回填材料紧密地包裹在沉管管段上面和侧面不致散落，需要在回填材料上面再覆盖石块、混凝土块。全面回填工作须在相邻的管段沉放完后进行，采用喷砂法进行基础处理或采用临时支座时，则要等到管段基础处理完，落到基床上再回填。采用压注法处理时，先对管段两侧回填，但要防止过多的岩碴存落管段顶部。回填覆盖采用“沉放一段，覆盖一段”的施工方法，在低平潮或流速较小时进行。管段两侧应对称回填，回填应均匀，不要出现堆积和空洞现象。

一、先铺法（刮铺法）施工工艺

1.基本工序（图8-23，图8-24）

（1）在浚挖沟槽时先超挖0.6～0.8 m；

（2）沿沟槽底面二侧打数排短桩，安设导轨以便在刮铺时控制高程和坡度；

（3）用抓斗或通过刮铺机的喂料管，其宽度为管节底宽加 1.5～2m，长度为一节管节长度的范围内，投放铺垫材料。

（4）按导轨所规定的厚度、高程以及坡度，用刮铺机将铺垫材料刮平；

图8-23 先铺法基本工序图

图8-24 先铺法

1—碎石垫层；2—驳船组；3—车架；4—桁架及轨道；5—刮板；6—锚块

（5）在管节里灌足压载水，有时再压砂石料，使其产生超载，而使垫层压紧密贴；若铺垫材料为碎石，通过管节底面上预埋的压浆孔，向垫层里压注水泥膨润土斑脱土混合砂浆。

2.先铺法的缺点

（1）需要特制的专用刮铺设备；

（2）作业时间长，干扰航道；

（3）刮铺完后需经常清除回淤土或坍坡的泥土；

（4）当管节底宽较大，超过 1 5 m时，施工较困难。

二、后填法施工工艺

1.后填法施工的类型

后填法施工的类型主要有：①喷砂法；②灌囊法；③压浆法；④压砂法；⑤桩基法。

2.后填法的基本工序

后填法的基本工序如图8-25 所示。

图8-25 后填法的基本工序图

（1）浚挖沟槽时，先超挖 1m左右；

（2）在沟底安设临时支座（此项工作是后填法中的一项比较主要的工序）：

①水底临时支座，多数是用道碴堆成；②道碴堆的常用尺度为7m×7m×（0.5～1.0）m；③搁在临时支座上的支承板通常随管节一起浇制，一起沉埋，其尺寸一般为2m×2m×0.5m；④支承板由设在与管节底面之间的液压千斤顶实现调整定位。

（3）管节沉埋完毕（在临时支座上搁妥）后，往管底空间回填垫料。

3.喷砂法

（1）此法主要是从水面上用砂泵将砂、水混合料通过伸入管节底下的喷管向管底喷注，填满空隙。喷填的砂垫层厚度一般为 1m。

（2）喷砂作业需一套专用的台架，台架顶部突出在水面上，可沿铺设在管节顶面上的轨道作纵向前后移动（图8-26）。

（3）在台架的外侧，悬挂着一组（三根）伸入管节底部的 L 形钢管。中间一根为喷管，直径为 100cm，旁边两根为吸管，直径为80mm。

（4）作业时将砂、水混合料经喷管喷入管节底下空隙中，喷射管作扇形旋移前进。在喷砂进行的同时，经两根吸管抽吸回水。从回水的含砂量中可以测定砂垫的密实程度。

（5）喷砂时从管节的前端开始，喷到后端时，用浮吊将台架吊移到管节的另一侧，再从后端向前端喷填，如图8-27 所示。

图8-26 喷砂法原理

1—喷砂管；2—回吸管

图8-27 喷砂台架

1—喷砂台支架；2—喷管及吸管；3—临时支撑；4—喷入砂垫

（6）喷砂作业的施工进度约为200m³/h。当管节底面积为 3000～4000m²时，喷砂作业的实际时间仅 15～20h，大约两天便可完成。

（7）喷砂完毕后，随即松卸临时支座上的定位千斤顶，使管节的全部（包括压载物）重量压到砂垫层上去进行压密。这时产生的沉降量，一般在 5mm 以下。通车以后的最终沉降量，一般都在 15mm以内。

喷砂法的优缺点与适用性：

（1）优点：在清除基槽底的回淤土时十分方便，可在喷砂作业前，利用喷砂设备逆向作业系统进行。

（2）缺点：喷砂台架体积庞大，占用航道影响通航；设备费用昂贵；对砂子的粒径要求较严，因而增加了喷砂法的费用。

（3）适用性：适用于宽度较大的沉管隧道。

4.灌囊法

（1）首先在开挖好的基槽底面先铺一层砂、石垫层，然后于管节沉放前在管节底面下事先系扣上空囊袋一并下沉，先铺垫层与管节底面之间留出 15～20cm的空间。

（2）待管节沉放完毕后，从工程船上向囊袋内灌注由黏土、水泥和黄砂配置成的混合砂浆，直至管节底面以下的空隙全部填满为止，如图8-28 所示。

图8-28 灌囊法

（3）囊袋的尺寸按一次灌注量而定，一般不宜过大，以能容纳 5～6 m³为度。制造囊袋的材料要有一定牢度，并有较好的透水性和透气性，以便灌注砂浆时顺利地排出囊袋中的水和空气。

（4）混合砂浆的强度（标号）要求不高，只需略高于基槽原状土即可，但其流动性应较大。

（5）灌浆时，从水面通过 1m 直径的消防软管，靠砂浆自重自行灌注，而不加压。灌注时须采取适当措施防止管节顶起，除密切观测外，还可采取间隔（跳挡）轮灌等措施。

5.压浆法

（1）这是一种在灌囊法的基础上进一步改进和发展而来的处理方法，可省去较贵的囊袋，繁复的安装工艺、水上作业和潜水作业。

（2）在浚挖沟槽时，也是先超挖 1m 左右，然后摊铺一层厚约 0.4～0.6m 的碎石，但不必刮平，只要大致整平即可。再堆设临时支座所需的道碴堆，完成后即可沉埋管节。

（3）在管节沉埋结束后，沿着管节二侧边及后端底边抛堆砂、石封闭栏至管底以上1m左右，以封闭管底周边。

（4）然后从隧道内部，用压浆设备，通过预埋在管节底板上的Φ80mm 压浆孔，向管底空隙压注混合砂浆（图8-29）。

图8-29 压浆法

1—碎石垫层；2—砂；3—石封闭栏；4—压入砂浆

（5）混合砂浆由水泥、膨润土、黄砂和缓凝剂配成。强度应低于原地基强度。压浆材料也可用低标号、高流动性的细石子混凝土。压浆的压力不必太大，一般比水压大0.1～0.2MPa。压浆时同样对压力要慎加控制，以防顶起管节。

（6）压浆法可解决地震区软弱地基的液化问题（如我国宁波甬江水底隧道就是采用此种基础处理方法）。

6.压砂法

（1）此法与压浆法很相似，但压入的不是水泥砂浆，而是砂、水混合料。所用砂的粒径为0.15～0.27mm，注砂压力比静水压力大 50～140kPa。

（2）压砂法具体做法是：

在管节内沿轴向铺设Φ200mm 输料钢管，接至岸边或水上砂源，通过泵砂装置及吸料管将砂水混合料泵送（流速约为3 m/s）到已接好的压砂孔，打开单向球阀，混合料压入管底空隙。

停止压砂后，在水压作用下球阀自动关闭。每次只连接三个压砂孔，当一个压砂孔灌注范围填满砂子后，返回重压先前的孔，其目的是填满某些小的空隙。

完成一段后再连接另外的孔，进行下一段压砂作业。压砂顺序是从岸边注向中间，这样可避免淤泥聚积在隧道两端。待整个管节基础压砂完成后，再用焊接钢板封闭压砂孔。

（3）压砂法的优缺点（我国广州珠江沉管隧道也成功地采用压砂基础）：

优点。设备简单，工艺容易掌握，施工方便；对航道干扰小，受气候影响小。

缺点。在管底预留压砂孔时，要认真施工和处理，否则容易造成渗漏，危及隧道安全。此外，在砂基经压载后会有少量沉降。

7.桩基法

（1）当沉管隧道下的地基特别软弱时，其容许承载力很小，仅作“垫平”处理是不够的。采用桩基础支撑沉管，承载力和沉降都能满足要求，抗震能力也较强，桩较短，费用较小。

（2）沉管隧道采用水底桩基础后，由于施工中桩顶标高不可能达到齐平，为使各桩能均匀受力，必须在桩顶采取一些措施。这些措施大体有以下三种：

水下混凝土传力法。基桩打设好后，在桩群顶灌注水下混凝土，并在其上铺一层砂石垫层，使沉管荷载经砂石垫层和水下混凝土层均匀传递到桩基上，如图8-30 所示。

灌囊传力法。在管节底面与桩群之间，用灌囊法填实。

活动桩顶法。在所有的基桩上设一小段预制混凝土活动桩顶。活动桩顶与预制混凝土之间，留有一空腔。管节沉埋完毕后，向空腔中灌筑水泥砂浆，将活动桩顶顶升至与管底密贴接触（图8-31）。待砂浆强度达到要求后，卸除千斤顶，管节荷载便能均匀地传到桩群上。活动桩顶可用钢桩制作，在基桩顶部与活动桩顶之间，用软垫层垫实，垫层厚度按预计沉降来确定。管节沉放完毕后，再于管节底部与活动桩顶之间，灌注水泥砂浆填实。

图8-30 水下混凝土传力法

1—基桩；2—碎石；3—水下混凝土；4—砂石垫层

图8-31 活动桩顶法

1—活动桩顶；2—尼龙布套；3—压浆孔

三、覆土回填工艺

（1）回填工作是沉管隧道施工的最终工序，回填工作包括沉管侧面回填和管顶压石回填。

（2）沉管外侧下半段，一般采用砂砾、碎石、矿碴等材料回填，上半段则可用普通土砂回填。

（3）顶部回填处理分四层进行（图8-32），即：①顶部片石保护层；②碎石反滤层；③一般回填材料；④经挑选过的回填材料。

图8-32 沉管隧道回填处理实例

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