深海沉管隧道基础水下沉降监测技术

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(1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222)

1 工程背景

港珠澳大桥是连接香港特别行政区、珠海市与澳门特别行政区的重要交通枢纽，是国家规划的珠三角区域环线的重要组成部分。主体工程长约29.6 km，采用桥-岛-隧结合方案，穿越伶仃西航道和铜鼓航道段约6.7 km采用沉管隧道方案，其余约22.9 km采用桥梁方案，如图1所示。为方便实现桥隧转换和设置通风井， 主体工程隧道两侧设置东、西人工岛。人工岛与隧道的过渡段接口设计非常复杂，需要隧道不同区段(从暗埋段到沉管段)的结构刚度、地基变形和几何尺寸的平滑过渡，如图2所示。岛—隧过渡段隧道由于埋深逐渐变小，下卧软弱土层厚度也逐渐变化，设计时须同时考虑上述结构因素和地质因素。根据地勘报告，沉管下部天然地层以淤泥质土和粉质黏土为主，主要加固土层物理力学指标见表1。

图1 港珠澳大桥项目位置Fig.1 Location of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge

2 沉管基础沉降监测

2.1 施工工艺

设计采用挤密砂桩+堆载预压的方式对该区段软弱地基进行处理以减小总沉降，控制相邻管节间的差异沉降，同时进一步验证设计计算结果。挤密砂桩法(sand compaction pile，SCP)自1967年在日本开始应用于海上工程，先后在日本的关西机场一期工程、东京湾海隧海桥公路工程及韩国的釜山公路沉管隧道工程中成功应用[1- 2]。目前大型砂桩作业船具备自动供砂投砂计量、砂面监测、挤密压力控制和GPS海上定位等功能，自动化程度较高，因此具有很好的施工效率，可在较短时间内提高地基承载力[3]。配合堆载预压技术，在海上地基加固工程中具有非常明显的优势[4-5]。因此在沉管过渡段地基处理方案选择时采用SCP工艺，如图3所示。通过控制挤密砂桩的置换率来实现过渡段地基刚度的平滑过渡。监测工作开始前对挤密砂桩进行3次标准贯入试验(standard penetration test，SPT)，其结果如图4所示。通过水下设置沉降监测设备对其产生的沉降进行监测，获取试验数据，监测点布置如图5所示。

表1 主要加固土层物理力学指标Table 1 Physical and mechanical indexes of the reinforcement layers

注：下标UU代表不固结、不排水剪试试验；下标CU代表固结、不排水剪试验

图3 海上挤密砂桩施工工艺Fig.3 Construction techniques of sand compaction piles(SCP) on the sea

图4 挤密砂桩标准贯入试验结果Fig.4 Results of standard penetration test on SCP

图5 过渡段堆载试验监测点布置Fig.5 Arrangement of settlement monitoring points for loading test

水下堆载采用皮带船加定位驳定向抛填的方式进行，A—C断面碎石抛填从2012年4月27日开始，到5月18日基本达到堆载高度要求开始满载计时，截至8月23日该区域从开始堆载累计计时118 d；D—F断面从2012年5月27日开始堆载，到2012年6月12日基本达到堆载高度要求开始满载计时，截至8月23日该区域从开始堆载累计计时88 d。

2.2 沉降监测设备

图6 液体压差式沉降仪原理示意图Fig.6 Schematic diagram of liquid pressure settlement sensor

图7 分布式网络测量系统Fig.7 Distributed network measurement system

图8 沉降仪安装过程Fig.8 Installation process of settlement sensor

试验现场位于伶仃洋开敞海域，常规的沉降杆等光学测量方法无法应用于本试验的水下环境，因此，需要开发一种可靠稳定的水下沉降监测设备。经比选，采用液体压差式沉降仪来实现这一目标。该仪器是通过测量系统内固定点与沉降点之间的相对液体压力的差值导致的不同振弦频率来获得沉降。它由储液罐、传感器和液体传递管路3部分组成，随着地基沉降的发生，系统内储液罐和传感器相对距离的变化引起容器内压力差值的改变，进而通过振弦频率的不同来获得沉降。根据压力差的变化可以计算出两点之间的高程变化，从而得出地基的沉降。液体压差式沉降仪的原理如图6所示。国外学者将该系统部分应用于陆域形成过程中堆载处理软土地基时的沉降监测，而深海水下环境中鲜有应用案例。因此,需要对其测量主体及附属的导线进行密封性能的改进，使其适用于深水工作环境[6-7]。另外，为实现无线测量，还需配备数据采集模块和无线传输模块，如图7所示。

仪器安装时，首先用70 m大型自航驳定位，通过四角卷锚机调整船体与沉管轴线呈90°，中心位置与埋设钻孔中间点位置重合。钻机钻进，打设预钻孔至基岩层；根据钻孔进尺，计算10寸镀锌钢管长度使其底部到达基岩后杆顶部恰好在泥面下1 m附近，将其连接传感器后安放至基岩层，然后由潜水员潜至水下基底处，将带有沉降板的储液罐等部件(如图8所示)安放在预定位置。整个安装过程储液罐倾斜角度不宜超过15°，沉降板应平整置于泥面上，不能悬空。仪器安放完成后，在预钻孔内回填黏土球或水泥砂浆，沉降板上覆砂袋保护。潜水员将水中的导线整理至高强螺纹外保护管内，外保护管用U型卡与地面固定并上覆砂袋保护，沿隧道轴线引至钢圆筒上的自动采集装置(如图7所示)。 传感器埋设完成后，测读初读数并设置连续观测。

本试验在开敞海域水下进行，仪器安装难度极大，作业船易受风浪和潮汐作用影响发生较大位移。受这一不利因素影响，在仪器埋设过程中极易造成传感器测量电缆或通气通液管撕扯断裂或密封失败，另外也易造成水平和垂直定位偏差。因此，选择作业时机非常关键。实施过程须避开涨落潮时间段，尽可能选择在一个平潮期内完成单个仪器的埋设。除此之外，还采取多个措施，例如：尽可能选择大型自航驳，一个断面布设多组钻机同时作业提高效率(图9)；根据潮汐涨落及时调整缆绳；测量电缆保护管间设置快接接头以尽量减少安装时间等。采取上述一系列措施使得测点埋设成功率大大提高，除A2点和B点发生损坏外，其余各点均工作良好，水下仪器埋设成功率达到85.7%。

图9 钻探作业平台示意图Fig.9 Schematic diagram of drilling platform

2.3 数据采集

监测数据的采集方式一般有2种：一种是通过电缆直接测读或是将其引至在测点附近设置浮标或测量平台测读的有线测读方式；另一种则是数据采集与发送集成的无线方式，将采集的数据通过无线传输模块经由移动运营商网络至接收端[7]。本次试验采用第1种方法，即采用导线沿隧道轴向引至钢圆筒后进行陆上采集。数据采集处理设备采用美国基康的BGK-Micro-40分布式网络测量系统(见图7)，该方式技术成熟可靠，环境适应性好，便于故障排查，节约成本。具体过程是：由监测仪器引出的测量导线通过高强保护管沿管节的轴向引至钢圆筒，由设置在钢圆筒上的自动采集设备进行数据采集。

采用长导线陆上采集的方式进行数据采集和传输，具备技术成熟、仪器稳定可靠和便于排查故障3方面优势。但导线过长之后，上部抛石作业施工及往来船只对导线的安全存在隐患。导线的水下布设和保护工作对整个监测工作的顺利进行至关重要。因此，我们在仪器埋设后即刻把仪器导线穿入保护管，沉入清除隆起后的砂桩顶面，沿基槽轴线方向引至钢圆筒底部，抛填基床碎石将其覆盖保护，再通过焊在钢圆筒外侧的720 mm钢护管引至设在筒顶的自动采集系统。与此同时，采取如下多种措施对导线进行保护。

(1)各组传感器导线事先用钢丝绳1 m一结捆好，绳子短而导线长，既避免在穿高强胶管的时候导线受拉，又可以为日后地面沉降留出余量，如图10所示。

图10 测试导线绑扎示意图Fig.10 Schematic diagram of test lead wire binding

(2)每个传感器自带导线长度约35 m，传感器埋设完毕后，导线头留在钻探平台上，然后提套管，套管总长大约25 m，每3 m卸一段套管，每卸一段套管，将导线抽过来，直到将所有套管都卸完。在抽导线的过程中要注意保护导线，防止导线外绝缘皮被套管刮破。

图11 “L”型保护装置示意图Fig.11 Schematic diagram of L-shaped wire protector

(3)提完套管后顺导线头穿入高强保护胶管，高强度胶管端头连接一个“L”型三通，三通外端开一个3 cm的小槽，“L”型三通如图11所示。高强度胶管每根10 m，且装有专门接头，便于连接，高强度胶管上每间隔2 m开一个小洞，使胶管在下沉过程中顺利注水，防止漂浮。将胶管顺导线引入传感器根部，根部导线顺 “L”型三通上的小槽压入保护管内，再将“L”型三通下部压入砂面，使高强度胶管与砂面平，如图12所示。

图12 “L”型保护装置安装过程示意图Fig.12 Installation of L-shaped wire protector

(4)每组仪器埋设完毕并且穿上足够长度(约为仪器埋设的孔口位置到钻探船中部的距离)支路高强度胶管后，用图13所示密封装置进行导线连接。同一断面的3处仪器均按照上述保护措施完成后，3条支路高压胶管按照图14所示的方式合并至主线，主线沿轴线连接至测试平台。高强胶管布设时应使用预先加工的U型夹将其固定到海底表面处。高强胶管接头部位采用快接式接头以减小布设时间，提高效率的同时尽量减少作业时间而提高成活率，如图14所示。

图13 导线密封接头示意图Fig.13 Schematic diagram of wire sealing joint

图14 高强保护管三通示意图Fig.14 Schematic diagram of T-joint of high strength protection tube

3 试验结果分析

液体压差式沉降仪获得的沉降-时间曲线如图15所示。从图15可看出，挤密砂桩复合地基沉降变形特点主要体现为前期固结沉降迅速，后期沉降缓慢。经加固后的地基沉降最大值控制在400 mm以内。

图15 现场实测沉降-时间曲线Fig.15 Settlement-time curves measured on site

基于现场实测数据预估地基最终沉降有多种方法[8-9]。Tan 等[10]于1991年提出双曲线方法，该方法认为复合地基沉降St与加载时间t之间呈双曲线关系，任意时刻的沉降St可用式(1)表示。

(1)

则复合地基最终沉降可表示为

(2)

式中：S为预测最终沉降；S0为满载前的初始沉降；St为t时刻的沉降；α和β分别是经变换后曲线的截距和斜率；t为自满载后的加载时长。

Asaoka[11]于1978年提出一种基于图形的最终沉降预测方法，通过对全部监测数据取不同时间间隔而后作图，第i个点的沉降Si可由i-1点的沉降Si-1按式(3)来表示，即

Si=β0+β1Si-1。

(3)

式中β0，β1为拟合系数。当沉降不再增加，逐渐稳定时为最终沉降，则有

S=Si=Si-1。

(4)

将式(3)和式(4)联立，地基最终沉降可表示为

(5)

除此之外，根据Terzaghi一维固结理论[12]，固结沉降曲线符合指数形式，沉降St可由式(6)表示。

St=(S-S0)(1-αe-βt)+S0。

(6)

在St-t曲线上选取时间间隔相同的3点S1，S2，S3，则最终沉降可表示为[13]

(7)

以C点监测数据为例，选取不同的时间间隔获得的预测最终沉降结果如图16所示。从图16可以看出时间间隔不同，则预测结果的离散程度不同，时间间隔越小，结果离散程度越高。因此，实际应用中应在合理范围内选取尽可能大的时间间隔来获得理想结果。

图16 三点法推算的最终沉降Fig.16 Final settlements predicted by Three-point Method

挤密砂桩复合地基的沉降计算往往采用未加固地基的计算沉降乘以沉降折减系数β来获得[14-15]。Aboshi基于数值计算结果和现场实测数据提出挤密砂桩沉降计算时沉降折减系数的经验公式为[16]

(8)

式中：as为面积置换率；n为桩土应力比。

以C点为例，其所在位置挤密砂桩置换率为42%，取桩土应力分担比为6.2[15]，根据Aboshi方法计算得到的结果与基于实测数据预测的最终沉降结果对比如图17所示。

图17 预测最终沉降与计算值对比Fig.17 Predicted settlements compared with calculated results

从图17可看出除三点法(10 d)计算结果明显偏小外，使用双曲线法、Asaoka法和三点法所得到的计算结果与Aboshi方法得到的结果均非常接近。其中双曲线法得到的结果略大，偏于保守，而Asaoka法则略小于计算值。三点法(20 d)预测结果与Aboshi计算值最为接近。

4 结论和建议

本文详细介绍了深海条件下沉管隧道基础水下沉降观测的技术方法。初步结论与建议如下：

(1)通过特殊处理增强密封性能的液体压差式沉降仪可适用于水深20 m以内的沉降监测应用，具有精度高、可远程测读和无人值守等突出优点。

(2)水下仪器安装难度大，应选择合理的埋设时机以及一系列技术措施，包括减少导线接头、设置密封箱、高强保护胶管配合U型卡及快接接头等来提高监测仪器的埋设成功率。

(3)基于现场实测数据，采用指数三点法、双曲线法和Asaoka法预测地基最终沉降，结果表明3种方法得到的结果差距不大，双曲线法得到的预测值略大，而使用三点法应尽可能选取较大时间间隔来获得理想结果。

(4)采用Aboshi提出的SCP复合地基沉降计算方法进行计算并与实测结果对比，结果表明在低置换率时(as<50%)，Aboshi方法与基于现场实测数据的预测结果具有很高的一致性。

[1] 林 鸣，梁 桁，刘晓东，等.海上挤密砂桩工法及其在港珠澳大桥岛隧工程的应用[J].中国港湾建设，2012，(4): 72-77.

[2] HEO Y, JEONG G C, BAE W S. Evaluation of the Effect of Penetration Ratios on Composite Grounds Improved with Sand Compaction Piles[J].Marine Georesources & Geotechnology，2015，33(3)：253-263.

[3] 莫景逸,黄晋申.挤密砂桩在海洋接岸地基加固工程中的应用[J].水运工程,2007,(11):123-128.

[4] 任文峰,王星华,韩晓飞.高速铁路软土路基沉降试验研究[J].水利与建筑工程学报,2010,8(4):65-68.

[5] 朱森林.堆载预压技术在潮汕机场大面积深厚软土地基处理中的应用[J].长江科学院院报,2014,31(9):43-46.

[6] 解林博，许 浩，陈运涛，等.海上构筑物地基自动监测系统在深水中的密封保护措施[J].中国港湾建设，2013，(2): 40-43.

[7] 中交天津港湾工程研究院有限公司.具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法：中国，ZL201010149403.4 [P].2011-07-27.

[8]CHUNG S G, KWEON H J, JANG W Y. Observational Method for Field Performance of Prefabricated Vertical Drains[J].Geotextiles and Geomembranes，2014，42(4):405-416.

[9] 王延宁,蒋斌松,于 健,等.港珠澳大桥岛隧结合段高压旋喷桩地基沉降试验及研究[J].岩石力学与工程学报,2017,36(6):1514-1521.

[10] TAN T S, INOUE T, LEE S L. Hyperbolic Method for Consolidation Analysis[J].Journal of Geotechnical Engineering，1991,117(11): 1723-1737.

[11] ASAOKA A. Observational Procedure of Settlement Prediction[J].Soils & Foundations，1978,18(4): 87-101.

[12] TERZAGHI K, PECK R B, MESRI G. Soil Mechanics in Engineering Practice[M]. New Jersey：John Wiley & Sons, 1996:105-107.

[13] JGJ 79—2012，建筑地基处理技术规范 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012:148.

[14] 龚晓南.复合地基理论及工程应用[M]. 北京： 中国建筑工业出版社, 2007: 56-57.

[15] 王延宁，蒋斌松，胥新伟，等.挤密砂桩加固水下软土大型原位载荷试验研究[J].岩土力学，2015,36(增1):320-326.

[16] ABOSHI H,MIZUNO Y, KUWABARA M.Present State of Sand Compaction Pile in Japan[J].Deep Foundation Improvements: Design,Construction,and Testing，1991：32-46.