沉管隧道最終接頭基床穩定性試驗研究

馬宗豪，韓小銳

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266001）

1 工程概況

沉管隧道最終接頭安裝后對基床施加較大的荷載，碎石基床會產生一定的沉降，對隧道線形以及最終接頭安裝協調性和止水等都有直接的影響。為獲得最終接頭著床后碎石基床沉降及變形情況，進行了碎石基床穩定性驗證試驗。

港珠澳大橋沉管隧道最終接頭碎石基床共包括3條碎石壟，基床寬42.95 m，采用橫向壟結構，壟頂寬1.7 m，壟溝寬0.55 m，壟中心距2.25 m，基床厚度為1.3 m。

2 試驗方案設計

2.1 試驗材料

碎石級配與實際施工相同，采用能夠自由散落且未受污染、干凈、耐久性良好、級配良好的碎石，碎石含泥量嚴格控制，不大于2%，石料飽和單軸極限抗壓強度不低于50 MPa，碎石材料粒徑及級配滿足表1的要求[1-2]。

表1 碎石粒徑及級配指標Table1 Particle sizeand gradation index for gravel

2.2 試驗裝置和方法

2.2.1 場地選擇和設備

選擇條件合適的試驗場地，場地長40 m，寬30 m，開山體基礎，上部硬化混凝土路面。采用50 t吊機進行結構吊裝。

2.2.2 基床整平

碎石基床按照1.3 m、1.5 m、1.7 m三種厚度進行鋪設，各為兩條碎石壟，壟長9 m，壟頂寬1.7 m，壟溝寬0.55 m，四周側限碎石厚度為基床厚度的2/3，分別為0.86 m、1 m、1.13 m，側限碎石肩寬為1.5 m，坡比為1頤1.5。

試驗碎石基床采用人工整平工藝鋪設。先鋪設1.0 m、1.2 m、1.4 m厚碎石，然后安置導軌，導軌設置在第1條和第2條碎石壟中心處，導軌間距2.2 m。導軌按設計高程安置好后采用刮道鋪設0.3 m碎石壟，整平完成后導軌拆除。碎石基床鋪設效果如圖1所示。

圖1 碎石基床鋪設效果圖Fig.1 Laying effect diagram of rubble bedding

2.2.3 加載底板制作及測量裝置布設

加載底板采用鋼柱焊接而成，加載底板平面尺寸采用4.95 m伊5 m，底板總重量為8 t。加載底板的4個角點安裝4個沉降監測點，每個測點用角鋼與鋼片組合焊接。試驗期間選擇測點安裝百分表，對沉降監測數據進行驗證。每一層壓載物放置完成后，均用水準儀測量4個點的沉降值。

碎石基床墊層壓力監測采用振弦式土壓力計，碎石墊層中布置4支土壓力計，1號、2號測點布置于壟頂壓載區域中間位置，3號布置于壓載區域邊緣，4號布置于壓載區域外部。測點位置如圖2所示。每次荷載變化時記錄工況，并采集一次土壓力計讀數。

2.2.4 壓載塊加載

底板上部的壓載塊分為3層，第1層載荷約60 t，第2層載荷約70 t，第3層載荷約60 t。每一層載荷加完后逐點進行沉降觀測，直至沉降穩定后進入下一層加載[3-4]。

3 碎石基床穩定性分析

碎石基床按照1.3 m、1.5 m、1.7 m三種厚度進行鋪設為1個組，為使試驗更準確，排除偶然因素影響，共鋪設3組。在每層荷載進行壓載后，每隔10 min進行一次沉降觀測，共觀測4次（40 min）并記錄其沉降量。

根據試驗得出的數據對碎石基床的沉降速度、沉降值和基床壓力傳遞等進行分析。

圖2 土壓力盒布置圖Fig.2 Layout of soil pressure cell

3.1 基床沉降速度與沉降量分析

通過試驗收集的數據，分別以每組壓載試驗時間和沉降量大小為軸做折線圖如圖3所示。

由圖3可看出，每層荷載施加完成后30耀40 min沉降基本達到穩定，沉降速度較快，主要集中在10耀20 min內，沉降量在10耀20 mm范圍內。在每組沉降試驗中可以看出，在厚度1.3耀1.7 m范圍內，基床厚度與沉降量無顯著對應關系，基床累計沉降量范圍為25耀40 mm。

3.2 基床荷載分析

在每層荷載加載后，監測每個壓力計數值并記錄。各點所測得壓力值，在每組壓力監測中各點的受力變化相似，取第2組壓力監測值并分析，如圖4所示[5]。

圖3 壓載試驗沉降監測Fig.3 Settlement monitoring of loading experience

圖4 土壓力計監測結果Fig.4 Monitoring results of soil pressure cell

可以看出，試驗期間土壓力盒監測到最大壓力值為厚度1.5 m的第2組試驗中3號測點118.4 kPa。設定碎石應力擴散角為38毅，碎石墊層重度為16 000 N/m3，計算最終加載至199 t時，厚度1.3 m基床底面應力為68.6 kPa，厚度1.5 m基床底面應力為66.4 kPa，厚度1.7 m基床底面應力為66.5 kPa。在厚度1.3 m基床試驗中，底面應力擴散范圍約為1 m，因此4號測點沒有監測到壓力隨加載變化的影響[6]。

4 結語

通過最終接頭碎石基床穩定性試驗，對監測數據進行對比分析。

1）在每層加載后，10耀20 min出現瞬時沉降，在30耀40 min范圍內基床沉降基本結束，且較大沉降過程均集中在前20 min內。

2）根據沉降監測數據，基床厚度為1.3 m、1.5 m、1.7 m的加載試驗中，3種基床的最終沉降量與基床厚度無顯著的關聯性及規律。

3）最終加載完成后，監測到最大壓力值達到118.4 kPa，與理論計算值116.47 kPa相近，監測精度達到預期效果。對比不同厚度基床加載試驗中4號監測點的壓力值，可知碎石應力擴散范圍約為38毅，厚度為1.3 m的基床地面應力擴散范圍約為1 m。

通過最終接頭碎石基床穩定性試驗，得到了基床加載與碎石基床的沉降量、沉降速度等參數的對應關系及規律，對后續類似工程具有重要的借鑒意義。