沉管隧道最终接头基床稳定性试验研究

马宗豪，韩小锐

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266001）

1 工程概况

沉管隧道最终接头安装后对基床施加较大的荷载，碎石基床会产生一定的沉降，对隧道线形以及最终接头安装协调性和止水等都有直接的影响。为获得最终接头着床后碎石基床沉降及变形情况，进行了碎石基床稳定性验证试验。

港珠澳大桥沉管隧道最终接头碎石基床共包括3条碎石垄，基床宽42.95 m，采用横向垄结构，垄顶宽1.7 m，垄沟宽0.55 m，垄中心距2.25 m，基床厚度为1.3 m。

2 试验方案设计

2.1 试验材料

碎石级配与实际施工相同，采用能够自由散落且未受污染、干净、耐久性良好、级配良好的碎石，碎石含泥量严格控制，不大于2%，石料饱和单轴极限抗压强度不低于50 MPa，碎石材料粒径及级配满足表1的要求[1-2]。

表1 碎石粒径及级配指标Table1 Particle sizeand gradation index for gravel

2.2 试验装置和方法

2.2.1 场地选择和设备

选择条件合适的试验场地，场地长40 m，宽30 m，开山体基础，上部硬化混凝土路面。采用50 t吊机进行结构吊装。

2.2.2 基床整平

碎石基床按照1.3 m、1.5 m、1.7 m三种厚度进行铺设，各为两条碎石垄，垄长9 m，垄顶宽1.7 m，垄沟宽0.55 m，四周侧限碎石厚度为基床厚度的2/3，分别为0.86 m、1 m、1.13 m，侧限碎石肩宽为1.5 m，坡比为1颐1.5。

试验碎石基床采用人工整平工艺铺设。先铺设1.0 m、1.2 m、1.4 m厚碎石，然后安置导轨，导轨设置在第1条和第2条碎石垄中心处，导轨间距2.2 m。导轨按设计高程安置好后采用刮道铺设0.3 m碎石垄，整平完成后导轨拆除。碎石基床铺设效果如图1所示。

图1 碎石基床铺设效果图Fig.1 Laying effect diagram of rubble bedding

2.2.3 加载底板制作及测量装置布设

加载底板采用钢柱焊接而成，加载底板平面尺寸采用4.95 m伊5 m，底板总重量为8 t。加载底板的4个角点安装4个沉降监测点，每个测点用角钢与钢片组合焊接。试验期间选择测点安装百分表，对沉降监测数据进行验证。每一层压载物放置完成后，均用水准仪测量4个点的沉降值。

碎石基床垫层压力监测采用振弦式土压力计，碎石垫层中布置4支土压力计，1号、2号测点布置于垄顶压载区域中间位置，3号布置于压载区域边缘，4号布置于压载区域外部。测点位置如图2所示。每次荷载变化时记录工况，并采集一次土压力计读数。

2.2.4 压载块加载

底板上部的压载块分为3层，第1层载荷约60 t，第2层载荷约70 t，第3层载荷约60 t。每一层载荷加完后逐点进行沉降观测，直至沉降稳定后进入下一层加载[3-4]。

3 碎石基床稳定性分析

碎石基床按照1.3 m、1.5 m、1.7 m三种厚度进行铺设为1个组，为使试验更准确，排除偶然因素影响，共铺设3组。在每层荷载进行压载后，每隔10 min进行一次沉降观测，共观测4次（40 min）并记录其沉降量。

根据试验得出的数据对碎石基床的沉降速度、沉降值和基床压力传递等进行分析。

图2 土压力盒布置图Fig.2 Layout of soil pressure cell

3.1 基床沉降速度与沉降量分析

通过试验收集的数据，分别以每组压载试验时间和沉降量大小为轴做折线图如图3所示。

由图3可看出，每层荷载施加完成后30耀40 min沉降基本达到稳定，沉降速度较快，主要集中在10耀20 min内，沉降量在10耀20 mm范围内。在每组沉降试验中可以看出，在厚度1.3耀1.7 m范围内，基床厚度与沉降量无显著对应关系，基床累计沉降量范围为25耀40 mm。

3.2 基床荷载分析

在每层荷载加载后，监测每个压力计数值并记录。各点所测得压力值，在每组压力监测中各点的受力变化相似，取第2组压力监测值并分析，如图4所示[5]。

图3 压载试验沉降监测Fig.3 Settlement monitoring of loading experience

图4 土压力计监测结果Fig.4 Monitoring results of soil pressure cell

可以看出，试验期间土压力盒监测到最大压力值为厚度1.5 m的第2组试验中3号测点118.4 kPa。设定碎石应力扩散角为38毅，碎石垫层重度为16 000 N/m3，计算最终加载至199 t时，厚度1.3 m基床底面应力为68.6 kPa，厚度1.5 m基床底面应力为66.4 kPa，厚度1.7 m基床底面应力为66.5 kPa。在厚度1.3 m基床试验中，底面应力扩散范围约为1 m，因此4号测点没有监测到压力随加载变化的影响[6]。

4 结语

通过最终接头碎石基床稳定性试验，对监测数据进行对比分析。

1）在每层加载后，10耀20 min出现瞬时沉降，在30耀40 min范围内基床沉降基本结束，且较大沉降过程均集中在前20 min内。

2）根据沉降监测数据，基床厚度为1.3 m、1.5 m、1.7 m的加载试验中，3种基床的最终沉降量与基床厚度无显著的关联性及规律。

3）最终加载完成后，监测到最大压力值达到118.4 kPa，与理论计算值116.47 kPa相近，监测精度达到预期效果。对比不同厚度基床加载试验中4号监测点的压力值，可知碎石应力扩散范围约为38毅，厚度为1.3 m的基床地面应力扩散范围约为1 m。

通过最终接头碎石基床稳定性试验，得到了基床加载与碎石基床的沉降量、沉降速度等参数的对应关系及规律，对后续类似工程具有重要的借鉴意义。