深埋长大沉管隧道沉降分析及控制措施研究

摘要

常规认识中，沉管隧道主要考虑结构抗浮问题，沉降、地基承载能力等问题不突出;但近年来诸多沉管隧道监测数据显示，运营期沉降实测值远大于理论预测值，而隧道结构开裂、渗漏等病害与沉降过大关系紧密;过大的绝对沉降和纵向不均匀沉降会使管节结构和接头受力变形超过允许值而发生损坏。尤其近年来外海深埋长大沉管隧道工程逐渐增多，其上部回淤荷载大，下部地基软弱的特点，更加大了人们对沉降问题的重视。如何合理计算预测结构沉降量，制定合理的沉降控制标准，采取有效措施控制结构沉降，避免隧道病害，成为沉管隧道建设中需慎重研究解决的问题。本文以港珠澳沉管隧道为背景，采用理论分析、数值模拟、模型试验、现场监测等研究手段，对深埋长大沉管隧道沉降分析和沉降控制问题进行系统研究。
　　港珠澳大桥海底沉管隧道初步设计阶段提出了支撑桩—减沉桩—先铺法碎石垫层天然地基的纵向基础设计方案，施工图设计阶段优化为刚性桩复合地基—高压旋喷桩—挤密砂桩复合地基—块石振平+碎石垫层的天然地基基础方案。不论哪一种方案，都需要解决混合基础沿纵向的沉降控制和刚度过渡问题。要解决上述问题，需要首先从沉管隧道接头对沉降的控制要求，明确基础沉降的控制标准，掌握基础可接受的最大绝对沉降和最大不均匀沉降，这是基础选型的依据和沉降分析计算的目标。论文分析了沉管隧道沉降产生机理及沉降影响因素，研究接头剪力和接头张开量沉降控制考核指标，提出了接头剪力的荷载影响线及刚度影响线分析方法，并以此建立了基于结构体系的纵向差异沉降控制标准简化计算公式，确定不同基础方案的总沉降和纵向差异沉降控制标准。
　　沉管沉放后的沉降主要由基础垫层的压缩量、土体的回弹再压缩沉降及次固结沉降三部分组成。土体的回弹再压缩沉降是总沉降中贡献最大的组成部分，该部分的沉降计算时对沉降进行准确分析的核心。论文基于JANBU切线模量法分析了基础回弹再压缩计算方法，对该方法的计算公式进行了分析，对基于室内试验和高精度原位CPTU测试的计算参数确定方法进行了分析，并与建规沉降计算方法、数值模拟计算方法进行对比验证，给出了数值模拟计算方法的沉降计算参数确定方法。
　　港珠澳沉管隧道基础设计采用了先铺的碎石垫层，该基础方案的工程案例较少，尤其是隧道斜坡段支撑桩基础桩顶设桩帽，桩帽与沉管间设置碎石垫层，碎石垫层作为桩基与沉管结构间传力构造的工程实践经验极少;此外，桩基础采用碎石垫层传力的机理、理论分析研究甚少，同时沉管隧道碎石垫层及桩基在水中作业时存在夹淤泥、平整度、倾斜、偏位、桩周软弱下卧层等诸多不确定性需要分析。论文通过碎石垫层物理模型试验研究先铺碎石垄沟在不同工况下的物理力学性能，分析碎石垫层及桩基在水中作业时存在诸多因素组合情况下的受力变形特性，分析确定碎石的合理级配和压缩模量计算参数，分析碎石的极限承载能力，为碎石层沉降计算提供参数依据，判断碎石垫层用于深埋大荷载沉管隧道的合理性。
　　论文基于对全线隧道的天然地基沉降计算分析，研究了沉管隧道地基刚度变化模式，提出混合地基刚度过渡的控制原则和常用控制技术，基于态势分析法(SWOT)分析基础选型的影响因素、基本原则和具体流程，研究挤密砂桩、PHC桩、高压旋喷桩、碎石桩等复合地基沉降控制技术的沉降计算方法。
　　沉管隧道需在施工期和运营期开展较为完善的沉管沉降观测，以客观真实的掌握管节的沉降变位发展，掌握沉管隧道基础的变形及稳定状态，预测未来的沉降发展，对可能发生的不可接受风险提出预警，以便各方提前采取措施应对，避免事故发生。论文结合现场沉降监测实施，对监测数据进行统计分析，采用双曲线法推算最终沉降量和当前固结度，并与理论计算沉降进行对比分析，获取各土层实测与理论计算沉降比η，对沉降计算公式进行修正。
　　总体而言，论文从沉降控制标准、沉降产生机理、土体力学参数高精度确定、土体回弹再压缩沉降计算方法、碎石垫层力学性能研究、沉降控制措施和现场沉降计算对理论计算修正等多个方面，对深埋长大沉管隧道沉降分析和沉降控制进行了系统研究，研究成果在港珠澳沉管隧道中得到了成功应用验证，研究成果具有较好的理论和现实价值，对于日后类似沉管隧道的建设具有较好的指导意义。

目录

声明

致谢

摘要

1．1沉管法隧道简介

1．1．1概述

1．1．2沉管隧道发展现状

1．2依托工程概况

1．2．1港珠澳沉管隧道总体概况及工程特点

1．2．2港珠澳沉管隧道基础工程建设条件及工程方案

1．3研究目的和意义

1．4研究现状及存在的问题

1．4．1研究现状

1．4．2存在的问题

1．6研究内容

1．7主要创新点

2沉管隧道沉降影响因素及沉降控制标准

2．1沉降影响因素

2．2沉管隧道沉降控制考核指标

2．2．1接头剪力考核指标及其计算方法

2．2．2接头张开量考核指标及其确定方法

2．3基于纵向结构体系的沉降控制标准研究

2．3．1沉管隧道结构体系研究

2．3．2沉管隧道纵向差异沉降控制标准研究

2．3．3分区段沉降控制标准的制定

2．3．4沉降控制标准的应用

2．3．5沉降控制标准研究的主要结论

3基于回弹再压缩的地基沉降计算分析

3．1概述

3．2基于Janbu切线模量法的回弹再压缩沉降计算

3．3建筑规范回弹再压缩沉降计算方法及对比验证

3．4数值计算方法及其计算参数确定

3．4．1数值计算方法

3．4．2其他参数的确定方法

4沉管隧道基础碎石垫层变形特性试验研究

4．1概述

4．2碎石垫层设计方案

4．3试验影响因素分析

4．3．1碎石级配

4．3．2碎石垫层铺设厚度

4．3．3碎石垄构造尺寸

4．3．4碎石垫层基底材料

4．3．5回淤层厚度

4．3．6钢桩帽与碎石垄顶面相对倾斜度

4．3．7钢桩帽与碎石垄相对平面偏位

4．3．8落管预压

4．4试验设备及材料

4．4．1试验槽

4．4．2加载系统

4．4．3量测系统

4．5试验结果

4．5．1天然地基段标准情况下大试验槽有限侧限试验

4．5．2天然地基段不同垄沟构造小试验槽完全侧限水中试验

4．5．3支撑桩段垄沟偏位和桩帽倾斜情况下大试验槽有限侧限水中试验

4．5．4支撑桩段碎石满铺和回淤情况下大试验槽有限侧限水中试验

4．5．5天然地基段不同碎石级配小试验槽完全侧限水中试验

4．6结论

4．6．1总体分析

4．6．2小槽(完全侧限)试验主要结论

4．6．3大槽(有限侧)试验主要结论

5沉管隧道基础选型及沉降控制措施

5．1沉管隧道地基刚度变化模式与幅值分析

5．1．1地基刚度变化分析方法

5．1．2天然地基的地基刚度变化分析

5．1．3挤密砂桩的地基刚度变化分析

5．1．4地基刚度变化分析小结

5．2混合基础刚度过渡控制技术研究

5．2．1常用混合基础刚度过渡技术简述

5．2．2典型过渡区段的分析和计算

5．2．3混合基础刚度过渡的原则和方式

5．3沉管隧道基础选型

5．3．1沉管隧道常用基础类型

5．3．2基础选型的影晌因素分析

5．3．3各类型基础的SWOT分析

5．3．4沉管隧道基础选型的流程

5．4沉降控制措施及其沉降计算

5．4．1常用地基处理措施

5．4．2挤密砂桩复合地基沉降计算

5．4．4高压旋喷桩复合地基

5．4．5碎石桩复合地基

5．4．6港珠澳沉管复合地基方案及沉降

6沉管沉降现场监测及对理论计算的修正

6．1沉降现场监测实施

6．1．1监测范围和方法

6．1．2测点布置

6．1．3监测频率及精度

6．2沉降监测数据分析

6．2．1管节E2沉降

6．2．2管节E4沉降

6．2．3管节E24沉降

6．2．4全隧纵向累计沉降

6．3沉降理论计算分析

6．3．1沉降理论计算

6．3．2实测与理论计算沉降对比分析

6．4基于实测数据的理论计算沉降修正

7．1主要研究成果

7．2主要创新点

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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