沉管隧道勘察设计的关键技术探究

沉管隧道勘察设计的关键技术探究

武鹏

中国公路工程咨询集团有限公司 北京市 100089

摘要：本文就沉管隧道勘察设计的流程进行了介绍，并指出在沉管隧道的勘察中，除采取传统隧道的勘察手段外，应该结合工程水域相关资料、原位试验等手段做好土体的分层和分类。同时，沉管隧道的设计是一个系统工程，其中起控制作用的主要是地基基础的设计、水下多种荷载的耦合计算、沉管主结构设计和管节接头的设计。

关键词：沉管隧道；勘察设计； 沉管结构

我国拥有大量的河流海域，随着我国经济的快速发展，人民群众跨江越海快速通达的需求日益增加。目前，各国对穿越河口、海湾的重大交通工程进行了广泛探索，其中，沉管隧道凭借其断面利用率高、展线方便、防水性能优越在越来越多的世纪工程中大放异彩。我国的港珠澳工程、深中通道等沉管隧道工程更是备受赞誉。但总体而言，由于我国的相关技术相比国外起步较晚，因此，在沉管隧道勘察设计的关键技术上仍存在着一些不足，本文也对此展开了技术探讨。

1、沉管隧道的勘察技术

相较于传统隧道，沉管隧道的勘察不仅包含了传统意义上的工程地质勘察，还涉及了气象与水文信息勘察等。隧道工程，地质先行，开展沉管隧道勘察的目的是将工程水域范围内的环境尽可能还原，为沉管隧道的结构设计、沉放施工提供依据。在勘察阶段，第一步要对相关的水域资料进行收集，并根据资料采取合理的勘察方式，对水域样本进行取样。随着工程实施的各阶段不同，其采用的勘测手段也应该有所侧重。

1.1沉管隧道常用工程地质勘探方法

在项目的工可阶段及工程前期，首先需要对水下地层进行划分。目前常利用的方法有浅层地震反射法，瞬变电磁法，高密度地震映像法等。结合上述方法，结合钻孔探测的方法进行验证补充。在以往的工程实践中，钻孔布置常呈梅花形，交错的布置在隧道的轴线和两边的基槽底边线上。钻孔的间距密度根据工程的复杂程度确定。勘探孔的深度一般利用应力比法进行确定，而如果沉管隧道的地基区域存在软土或沙土地基，则应将部分的勘探孔换成精力触探孔。

1.2原位试验

传统隧道的原位试验主要包括标准贯入试验，十字板剪切试验以及切剪波速试验（SPT、VST以及VS），试验主要在技术钻孔中进行。

差异沉降控制是沉管隧道的重点关注因素，目前在此类沉管隧道工程中，普遍采用静态接触试验控制勘察精度。为了确保原位测试结果和深层黏土抗剪指数的准确性，可以选择在静接触孔周围放置孔的十字板抗剪试验，获取静力触探端阻力和不排水强度之间存在的经验公式，对试验结果进行验证。而对于较厚的沙土层，就不适合用静力触探进行实验，在此情况下，可采用标准贯入试验或圆锥动力触探试验。

1.3土体的分层和分类

得到物探、钻孔、原位试验的数据后，可以按照土体的沉积年代以及土层的成因类型来进行划分，划分时还应该结合工程的特点来对土体进行划分。目前常采用的流程如下：首先根据钻孔资料，结合物探资料对土质进行分析分类，之后再根据原位试验的成果等进行修正，就能够较为准确的得到土体的地质分层。

1.4水域内其他资料的收集

沉管隧道工程应该基于系统工程的思想考虑，其建设方案会受到多方面因素的影响。由于此类项目的建设周期较长，因此，通常是按照各工作阶段的要求来进行水域内相关资料的收集和整理工作，对于一些可能对工程设计产生影响的因素，还会进行专门的专题研究，才能够确保设计方案的合理性和可靠性。除了一些常规的地质勘察资料外，沉管隧道工程的开展还需要收集以下专项资料，详见表1。

表1 沉管隧道工程的相关专项资料

2、沉管隧道的设计

沉管隧道的设计也是一个系统工程，其中起控制作用的主要是地基基础的设计、水下多种荷载的耦合计算、沉管主结构设计和管节接头的设计。在进行这一部分的设计时应统筹设计，可最大限度的保证工程质量、控制工程成本，体现工程人员的设计水平。

2.1 沉管隧道地基基础设计

由于水下作业导致条件受限。因而，在开挖基槽的过程当中，无论采取什么施工方法，槽底表面都不会平整。这也会导致槽底与沉管地面结构之间存在一些缝隙，这又会导致地基土的局部受到破坏发生不均匀沉降的情况，所以如何对底槽与结构之间的缝隙进行填充是一项关键的问题。目前设计中常选用的施工方式有： 铺面管内压砂、管内压浆、刮平方式、灌砂方式、桩基方式等。其基本原则是要使沉管隧道受力均匀，尽量减少不均匀沉降以保证隧道安全运行，目前主要结合地质、水文条件以及施工技术和装备等因素决定采用何种地基处理方式。

2.2 设计荷载的考虑

图1 沉管结构横断面受力作用模式

沉管结构主要承受回填覆盖荷载、水压力、结构自重、压重荷载、地基反力等作用，如图1所示。除此以外，沉管隧道作为一种在水下的工程结构，其荷载模式还受地洋流、接头、地震等影响。因此，在水下隧道设计时，应该建立适应复杂地层中沉管隧道的结构特性分析理论与设计计算方法，应充分体现沉管隧道接头非线性效应、复合及叠合结构效应、地基沉降控制以及多点非一致地震激励下结构动力响应特性等。

2.3 沉管主结构设计

沉管隧道主结构设计应秉持的原则是在保证达到预期功能的基础上，断面应该尽可能应该经济，合理。水下隧道设计施工，风险随着结构尺寸呈指数增长，因此，应该尽可能优化断面。第一，从设计要素控制主体结构的形状。设计要素主要包括干舷允许值和抗浮安全系数，风机尺寸、排水沟高度、竖向剪力键安装空间和压重混凝土等。第二，详细进行沉管隧道功能定义，在确保施工、运营安全的情况下，减少非必要的空间。

2.4 管节结构及接头

沉管隧道的接头起着至关重要的作用，它决定了隧道是否能够安全运行。接头的设计同样需要满足各方面条件，例如，接头在不同水压下的防水性能以及水密性，施工的便利性以及造价的合理性等。沉管隧道的接头主要有刚性接头、柔性接头、半刚性接头三种。在早期，沉管隧道的关节接头采用的是刚性连接方式止水。而现在多用的沉管隧道管节接头是柔性接头。柔性接头是由两道止水带组合而成。设计结构如图2。其中，GINA止水带主要负责水力压接的过程，而OMEGA止水带，主要承担防水的功能。为了防止地震或地层不均匀沉降导致街头发生位移，在接头不变形并且水密性要求允许的情况下，可以接头处设置有钢剪力键。

图2 管节接头防水构造

结语

综上所述，作为隧道家族的后起之秀，沉管隧道凭借其断面利用率高、展线短、防水性能优越的特点，在世界范围内取得了广泛的应用。本文就其勘察设计中一些重难点技术进行了探讨说明，综合而言，沉管隧道的勘察设计工作是一个系统工程，应该统筹考虑，精心调研，精心设计，做精品工程。

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