砂流法施工常见问题及解决措施

褚 晟

（华南理工大学，广东 广州 510641）

0 引言

近年来，沉管隧道由于其预制构件水密性好、断面适应性强、工期短、可控性好，逐渐成为水下隧道建设的主要形式。沉管隧道基槽底部开挖时产生的许多不规律空隙，不仅会使管段结构受到较高的局部应力而开裂，还会因不均匀沉降导致管段接头处产生过大错动而渗漏，因此必须对沉管隧道的地基进行处理。其中，砂流法因其成本低、对砂样要求低、对航道影响小的优点，是目前较为常用的一种水下沉管隧道地基处理方法。

砂流法是指在沉管管段底板处预设灌砂孔道，待管段沉放后，利用灌砂设备经由底板的灌砂孔道，往底板与沉管隧道基槽之间的间隙压注砂水混合料，从而压实间隙形成稳定的砂垫层。本文对于沉管隧道砂流法施工中所出现的灌砂孔道堵塞、管节大幅度抬升、砂盘充满度不足等常见工程问题进行分析，并结合工程实例给出相应的解决对策。

1 灌砂孔道堵塞

1.1 现象及后果

在进行沉管隧道基础灌砂过程中，管段内部灌砂孔道被堵塞的现象十分普遍。如位于广东省广州市的洲头咀隧道，E1～E2管段共设置52个灌砂孔道，在进行基础灌砂过程中，管段共计有13 处灌砂孔道堵塞，堵孔率25.0%，且均为边孔。又如位于江西省南昌市的红谷隧道，E1～E4管段共设置147个灌砂孔道，在进行基础灌砂过程中，管段共计有24处灌砂孔道堵塞，堵孔率16.3%，依旧均为边孔[1]。由此可见，隧道管段基础灌砂过程中，灌砂孔道堵塞是一种极为常见的现象，且极易发生于边孔。

灌砂孔道堵塞会产生一系列不良影响，不仅会延误工期，浪费人力、物力、财力，更会造成基础灌砂量减少，砂盘扩散半径减小，灌砂基础密实度降低，砂基础厚度不一等后果，以致后期隧道在使用阶段存在不均匀沉降的风险，进而对隧道的使用寿命造成影响。

1.2 原因分析

灌砂孔道的堵塞大致可分为两类：一类为正常堵孔；另一类为意外堵孔。

所谓正常堵孔，即因砂盘已经充满而导致孔道内砂无法排出的堵孔现象。例如，管段第一个灌砂孔道的灌砂量远超理论单孔灌砂量，这势必会导致其他灌砂孔道的实际所需灌砂量低于理论单孔灌砂量，当按理论单孔灌砂量灌注时，常会出现堵孔的现象。由于灌砂顺序一般为先中孔、后边孔，而中孔灌砂量高，砂盘扩展半径较大，故相邻的边孔易堵孔。

意外堵孔，即因监测不当、参数控制不当、环境复杂等意外因素而导致孔道内砂无法排出的堵孔现象。分析其原因，主要有以下几种：

（2）参数控制不当。在施工过程中，砂水质量比、压力、时间等参数的精准控制也极为重要，若有不当也极易导致孔道的堵塞。

（3）复杂的环境状况。若隧道基槽开挖阶段施工效果不佳，导致开挖后的基槽地形不够平整，极易因砂盘的扩展受阻而使灌砂孔道堵塞。

1.3 预防对策

为了尽量避免堵孔现象的发生，在设计阶段，应合理设计基槽间隙（即砂层灌注厚度）、灌砂孔布置以及砂水质量比等参数，有条件时应事先进行模型试验。在基槽开挖阶段，应尽量使基槽面保持平整以利于砂盘的扩展。在灌砂阶段，应实时监测灌砂孔道畅通情况，若有灌砂孔道堵塞的征兆出现，应及时采取减小砂水比注砂或灌注清水等方式，疏通灌砂孔道。最后，当砂量接近预计量时，应采用设备探测或组织潜水员下水探摸，检查砂盘的形成状况。

2 管节大幅度抬升

2.1 管节抬升影响

实际施工中，不同程度的管节抬升对沉管隧道有着不同的影响。小幅度的、均匀的管节抬升可对缩小流缝和流槽等结构缝隙的厚度有着显著作用，可以在管节底部形成硬壳层，提高砂盘密实度。所以经常在工程施工中预留允许范围内的小幅上抬量，使施工时管节小幅度抬升，以减少管节施工后的沉降及地基地震液化几率等风险。虽然小幅的抬升对施工有利，但是大幅度的抬升却会对沉管隧道工程的质量安全造成很大的影响。管段连接处将会受到较大应力，导致连接处开裂、漏水，进而对工程质量和通行安全造成影响。因此，灌浆过程中应实时监测管节上抬情况，避免较大幅度的上抬。施工中，还要设置防渗的保护措施，保障工程质量。

2.2 解决对策

在工程中可以把管节小幅度抬升作为停止加砂的标志，此外，为了严格防止管节大幅度抬升，通常采用对管节位置和对砂盘扩展进行实时监测以及人工潜水探摸等方法来控制停止加砂的时机。

（1）对管节位置进行实时监测。施工中常用水平仪对沉管的轴线位置进行实时监测，保证管节处在预定范围内。此外，也可以采用全站仪法、RTK—GPS法、声纳法、机械法等多种管节沉放定位测量方法，或者由这几种方法互相配合所形成的组合方法：如GPS法与声纳法相结合、差分GPS水下定位法等[2]。比如上海外环隧道便采用了全站仪法[3]；广州洲头咀采用了由测量塔、全站仪、倾斜仪、光纤罗经、GPS、通讯系统和软件系统相互配合的组合方法来对管节沉放位置进行准确监测[4]。

（2）对砂盘扩展进行实时监测。在砂流法的施工过程中，砂盘在基槽间隙中不断扩展使流体边界条件、流场与水压力也不断变化。实际工程中常用的方法有：在喷砂口进行压力监测，当压力达到0.1MPa时，作好停止加砂准备；也可在基槽间隙中设置水压力计，测出基槽间隙水压力随试验时间的变化规律，与管节状态对比总结砂盘发展的大致规律从而估计停止加砂的时间；在管内预先安装好测量仪器，以15min为周期对管段的标高变化进行监测，当管段顶高量达到5mm时应随时准备控制加砂；或当两侧基槽边上都有不同程度向上翻涌约1m高的砂层时，做好停止加砂准备；另外，也可以采用记录每次加砂停止时间并综合多次试验结果，从而得到用作参考的停止加砂的时间。

航标巡检维护的工作任务是预防性发现并排除航标故障，主要包括巡检设备是否正常运行，检查航标设备有无异常现象，并对航标进行巡检维护，使得航标设备运行状态更加的良好。同时巡检维护工作的有效完成也可以为维修工作提供更好的依据，缩短维修时间，尽快恢复设备正常运行。

比如上海外环沉管隧道管段基础在中间孔压砂施工中便使用了压力监测、砂量控制、管内测量的方法综合监测砂积盘的形成[5]；洲头咀沉管隧道地基砂流法处理模型试验中采用了压力监测和砂盘扩展量测方法[6]；珠江沉管隧道地基处理工程则对砂盘的标高、坡度等进行测量来控制加砂[7]。

（3）人工潜水探摸。在监测到管段出现顶高或脉动现象时，派潜水员下潜探摸确定压砂效果，准备停止加砂。

比如上海外环沉管隧道管段基础在边孔压砂采用上述两种方法结合人工潜水探摸进行判断；港珠澳大桥在施工中则采取了人工潜水探摸的方法来停止加砂[8]。

3 砂盘充满度不足

3.1 充满度的试验研究

砂盘的充填情况关系着砂流法施工优劣。在实际灌砂过程中，由于水流冲击，砂盘中央位置会形成冲击坑，砂盘外表面也会存在水流冲击形成的流缝、流槽。故在进行砂流法试验中，将砂盘顶面面积与单个灌砂孔控制面积之比称为充满度。

充满度通常是由模型试验确定的，工程中利用模型试验得到砂基础，调整实际施工时各种参数。黎志均、陈韶章等对珠江隧道进行了砂流法模型试验[9-10]，莫海鸿、房营光等进行了广州洲头咀变截面沉管隧道砂流法试验[11]；郑爱元、王光辉等介绍了生物岛—大学城沉管隧道模型试验过程[12-13]；郭俊、吴刚等研究了南昌红谷隧道模型试验[14]，其基本试验参数见表1所示。

表1 模型试验基本参数及砂盘充满度

通常，充满度较高的砂盘，砂盘饱满，其稳定性较好，表面充满度一定程度反映了砂盘半径扩展速率情况，当基槽间隙高度增大时，砂盘半径扩展速度减慢，但砂盘扩展较均衡，模型板尺寸增大也会使充满度有所减小。故在设计基槽间隙时应考虑模型板的尺寸影响。

3.2 提高充满度的措施

3.2.1 增大灌砂量

在管节未上抬的前提下，足够的灌砂量会使砂盘因水流冲击造成的流缝流槽得到填补，从而使得砂盘完整性更好，充满度更高。工程应用中，灌砂量可取稍大于模型试验所得的值。

3.2.2 灌砂孔布置遵循重叠原则

灌砂孔布置也影响着砂盘充满度情况。灌砂孔间距过大会使砂基础充满度降低，甚至形成空穴。根据珠江隧道模型试验结果，较为合理的布置原则是每个砂孔形成的砂盘能相交重叠，宁满毋缺，通常采取梅花形布置，砂盘之间互相填补，这样形成的砂盘充满度更高。

3.2.3 减小单个砂盘的半径

广州生物岛—大学城模型试验结果表明减小砂盘设计半径，并降低灌砂速度，使砂盘扩展更为均匀，砂盘的充满度也有一定提高。

3.2.4 施工末阶段进行灌浆处理

灌砂阶段施工完成后，为进一步填补砂盘形成过程中产生的空隙（如冲击坑、流槽流缝等），并提高砂盘的稳定性，工程中常采取灌浆进行辅助处理。

当模型试验中砂盘充满度较高时，可在灌砂阶段同时注入浆料。当空隙估算体积过大时，可采取压力注浆的方式进行补充注浆处理，即从预留的孔道中注入浆料来填补空隙。灌浆压力要与灌浆用料相匹配，并注意压力不宜过大，以免对砂盘造成较大影响。珠江隧道模型试验采用50号砂浆稳定液（注浆压力0.1～0.2MPa）及水泥浆液（注浆压力0.4～0.6MPa）；南昌红谷隧道选择的灌浆料为粒径2～5mm的无收缩细石混凝土。

4 结束语

通过总结各地试验研究资料和施工数据，本文较为系统地介绍了沉管隧道砂流法在施工中遇到的灌砂孔道堵塞、管节大幅度抬升、砂盘充满度不足等常见问题，并就工程实际给出了可行的解决思路和方法。

砂流法作为沉管隧道地基处理较优方案之一，在沉管隧道基础工程中的应用已越来越广泛。但在实际工程施工中，砂流法仍需更多模型试验研究和工程实例的指导，从而促进砂流法施工技术的提升。