汾江路南延线沉管隧道砂基础模型试验研究

李帆

本文依托汾江路南延线沉管隧道工程，建造其单孔压砂等比例模型，采用变化砂水比的压砂工艺，考虑压砂过程中抗浮系数影响进行了相关试验研究。试验结果可为汾江路南延线沉管隧道及类似工程砂基础设计与施工提供借鉴与参考。

沉管隧道;砂基础;等比例试验模型;砂盘扩展规律;预抬升量

汾江路南延线沉管隧道基础处理采用压砂法，压砂法是目前沉管隧道较为先进的地基处理施工方法之一。但由于影响基础压砂质量的因素很多，施工中极易出现各种问题。为提高施工安全可靠性，在正式施工前利用压砂模型试验确定最优的砂水配比，了解压砂过程中灌砂压力变化规律，并通过试验验证扩散半径、砂盘相对密实度是否满足设计要求，砂基础荷载-沉降关系、砂盘形态、充满度等关键数据。根据模型试验数据调整实际压砂参数，对沉管隧道基础压砂施工有重要指导意义。

本文采用等比例试验模型研究了沉管隧道压砂工艺，按照实际沉管隧道底板设计参数进行压砂工艺等比例试验模型底板设计制作。考虑实际施工过程中沉管隧道抗浮系数的影响，首次采用模型侧壁设计，压砂过程中始终保持实际施工中抗浮系数K=1.05。根据实际压砂过程中砂盘对模型托浮力变化的影响，分析砂盘扩展堆积规律。为获取砂基础在不同荷载作用下的沉降特性，首次采用降水法进行加载，得到不同荷载下砂盘沉降量。

本次压砂工艺等比例模型底板设计为直径12m的圆形底板。试验模型底板厚度、混凝土强度、配筋、底部钢板参数设计，完全按照汾江路沉管隧道工程实际设计值进行施工。为模拟实际沉管隧道压砂时抗浮系数，本次压砂试验模型进行模型侧壁设计，如图1和图2所示。试验模型总重360t，最大排水体积440m。

压砂试验所用压砂设备、供砂、供水设备性能参数均与实际沉管隧道压砂施工一致。按照设计方案模型底部配备四个液压千斤顶，每个千斤顶最大量程320t，其由一个加压泵同时给四个千斤顶加压。模型底部砂积盘预留空间，砂基础设计厚度60cm，如图3所示。为测量在压砂试验过程中模型的抬升情况和压砂完毕后预抬升量试验模型沉降观测，在模型侧壁布置四个标尺和三个百分表。压砂过程如图4所示。

压砂过程详细记录不同时间段砂水比、压砂泵转速、模型标高等数据变化情况，压砂过程砂水比调节时间节点根据砂盘实际扩散情况来确定，当砂盘扩散半径达到模型半径后调节砂水比，如表1所示。明：表中模型标高变化，（+）代表模型抬升，（-）代表模型下降。

压砂过程中模型抬升量随压砂时间的变化情况，如图5所示。在整个压砂过程中始终保持压砂开始时K=1.05水头高度，即由模型自重产生的砂盘附加荷载保持不变，所以模型抬升量变化又反映了压砂过程中浮托力的变化情况，此外还可以进一步分析砂盘的形成扩散过程，根据抬升量的变化情况将砂盘的堆积扩散分为四个阶段：

（1）从压砂开始至100min。模型未发生抬升现象，该阶段内砂盘扩散堆积阻力最小，所以扩散速度最大，但此时还未形成圆台形态的砂盘，是砂盘扩散以冲击坑为圆心向四周均匀扩散，堆积厚度逐步接近模型底板的过程，如图6（a）所示。

（2）100～370min。砂盘顶部已接基本接近模型底板，并以圆台形态逐步扩大，浮托力随着砂盘半径的扩大逐步增大，在此过程中砂盘顶部半径相对较小，对水流冲击阻力较小，砂盘扩散仍以冲击坑为圆心向四周均匀扩散堆积为主，如图6（b）所示。

（3）370～580min。随着砂盘不断扩大，顶面半径逐步接近模型底板半径，对水流冲击产生较大阻力，此时冲击坑内压力已不足以使砂水混合体向冲击坑周围同时扩散，而是会选择径流阻力较小路径或环形砂盘薄弱处冲开扩散，当该路径扩散达到一定程度，摩擦阻力增大，经过一段时间后，砂盘又在其他处冲开扩散，图6（c）所示。这个阶段模型抬升量的波动现象应是砂盘不均匀扩散引起。

（4）580min至压砂结束。该阶段内砂盘底部扩散半径均大于7m，且顶部半径已超出模型底板，并在模型侧壁处不断隆起，模型底部预留空间已被砂盘充满，此时贯入阻力最大，从图6（d）可以看出580min后模型抬升量突增，浮托力达到最大。

压砂过程中，记录探尺探测砂积盘扩散情况和探测时间，如表2所示。

砂盘扩散速度随着压砂时间增大逐渐变小，如图7所示。

实测砂积盘形态主要参数：砂积盘最大扩散半径、冲击坑尺寸、堆积倾角并计算砂盘充满度。如表3所示。

模型底部四周均有堆积隆起现象，所以模型底面积充满度达到100%，砂积盘整体形态呈圆台形，顶面平整，呈现以冲击坑为圆心向四周放射性扩展流动痕迹，无明显沟槽，这印证了圆形模型底板设计的优点，如图8所示。根据实测数据计算砂盘体积充满度，体积充满度为（砂盘总体积-冲击坑体积-砂流槽体积）/砂盘总体积，本次压砂试验砂盘总体积约为89.5m，冲击坑体积约0.35m，砂盘体积充满度达到99.6%。

通过等比例模型试验压砂结果及数据分析主要得出以下结论：

（1）压砂试验砂盘最大扩散半径达到7.5m，平均扩散半径为7.4m，砂盘顶面均匀平整，整体形态接近圆台形，平均密实度为0.604。模型底部四周均有堆积隆起现象，模型底面砂积盘充满度达100%，砂盘体积充满度达到99.6%。

（2）压砂工艺采用前期砂水比为1﹕10，后期砂水比首次试验采用1﹕30，通过增大砂水比可相对节约压砂时间，在确保压砂施工流畅，可适当提高砂水比，为保证砂盘扩展半径和提高砂盘充满度，压砂后期应减小砂水比，建议调整为前期砂水比的1/2～1/3。

In this paper， relying on the immersed tube tunnel project on the south extension of Fenjiang Road， the scale model of single-hole sand pressure is built， and the sand pressure process with varying sand-water ratio is adopted， and the relevant experimental research is carried out considering the influence of the anti-floating coefficient during the sand pressure process. The test results can provide references and references for the design and construction of sand foundations for immersed tube tunnels and similar projects on the southern extension of Fenjiang Road.

Immersed tunnel;Sand foundation;Equal proportion test model;Law of sand deposit expansion;Pre uplift