砂流法施工常見問題及解決措施

褚 晟

（華南理工大學，廣東 廣州 510641）

0 引言

近年來，沉管隧道由于其預制構(gòu)件水密性好、斷面適應性強、工期短、可控性好，逐漸成為水下隧道建設的主要形式。沉管隧道基槽底部開挖時產(chǎn)生的許多不規(guī)律空隙，不僅會使管段結(jié)構(gòu)受到較高的局部應力而開裂，還會因不均勻沉降導致管段接頭處產(chǎn)生過大錯動而滲漏，因此必須對沉管隧道的地基進行處理。其中，砂流法因其成本低、對砂樣要求低、對航道影響小的優(yōu)點，是目前較為常用的一種水下沉管隧道地基處理方法。

砂流法是指在沉管管段底板處預設灌砂孔道，待管段沉放后，利用灌砂設備經(jīng)由底板的灌砂孔道，往底板與沉管隧道基槽之間的間隙壓注砂水混合料，從而壓實間隙形成穩(wěn)定的砂墊層。本文對于沉管隧道砂流法施工中所出現(xiàn)的灌砂孔道堵塞、管節(jié)大幅度抬升、砂盤充滿度不足等常見工程問題進行分析，并結(jié)合工程實例給出相應的解決對策。

1 灌砂孔道堵塞

1.1 現(xiàn)象及后果

在進行沉管隧道基礎灌砂過程中，管段內(nèi)部灌砂孔道被堵塞的現(xiàn)象十分普遍。如位于廣東省廣州市的洲頭咀隧道，E1～E2管段共設置52個灌砂孔道，在進行基礎灌砂過程中，管段共計有13 處灌砂孔道堵塞，堵孔率25.0%，且均為邊孔。又如位于江西省南昌市的紅谷隧道，E1～E4管段共設置147個灌砂孔道，在進行基礎灌砂過程中，管段共計有24處灌砂孔道堵塞，堵孔率16.3%，依舊均為邊孔[1]。由此可見，隧道管段基礎灌砂過程中，灌砂孔道堵塞是一種極為常見的現(xiàn)象，且極易發(fā)生于邊孔。

灌砂孔道堵塞會產(chǎn)生一系列不良影響，不僅會延誤工期，浪費人力、物力、財力，更會造成基礎灌砂量減少，砂盤擴散半徑減小，灌砂基礎密實度降低，砂基礎厚度不一等后果，以致后期隧道在使用階段存在不均勻沉降的風險，進而對隧道的使用壽命造成影響。

1.2 原因分析

灌砂孔道的堵塞大致可分為兩類：一類為正常堵孔；另一類為意外堵孔。

所謂正常堵孔，即因砂盤已經(jīng)充滿而導致孔道內(nèi)砂無法排出的堵孔現(xiàn)象。例如，管段第一個灌砂孔道的灌砂量遠超理論單孔灌砂量，這勢必會導致其他灌砂孔道的實際所需灌砂量低于理論單孔灌砂量，當按理論單孔灌砂量灌注時，常會出現(xiàn)堵孔的現(xiàn)象。由于灌砂順序一般為先中孔、后邊孔，而中孔灌砂量高，砂盤擴展半徑較大，故相鄰的邊孔易堵孔。

意外堵孔，即因監(jiān)測不當、參數(shù)控制不當、環(huán)境復雜等意外因素而導致孔道內(nèi)砂無法排出的堵孔現(xiàn)象。分析其原因，主要有以下幾種：

（2）參數(shù)控制不當。在施工過程中，砂水質(zhì)量比、壓力、時間等參數(shù)的精準控制也極為重要，若有不當也極易導致孔道的堵塞。

（3）復雜的環(huán)境狀況。若隧道基槽開挖階段施工效果不佳，導致開挖后的基槽地形不夠平整，極易因砂盤的擴展受阻而使灌砂孔道堵塞。

1.3 預防對策

為了盡量避免堵孔現(xiàn)象的發(fā)生，在設計階段，應合理設計基槽間隙（即砂層灌注厚度）、灌砂孔布置以及砂水質(zhì)量比等參數(shù)，有條件時應事先進行模型試驗。在基槽開挖階段，應盡量使基槽面保持平整以利于砂盤的擴展。在灌砂階段，應實時監(jiān)測灌砂孔道暢通情況，若有灌砂孔道堵塞的征兆出現(xiàn)，應及時采取減小砂水比注砂或灌注清水等方式，疏通灌砂孔道。最后，當砂量接近預計量時，應采用設備探測或組織潛水員下水探摸，檢查砂盤的形成狀況。

2 管節(jié)大幅度抬升

2.1 管節(jié)抬升影響

實際施工中，不同程度的管節(jié)抬升對沉管隧道有著不同的影響。小幅度的、均勻的管節(jié)抬升可對縮小流縫和流槽等結(jié)構(gòu)縫隙的厚度有著顯著作用，可以在管節(jié)底部形成硬殼層，提高砂盤密實度。所以經(jīng)常在工程施工中預留允許范圍內(nèi)的小幅上抬量，使施工時管節(jié)小幅度抬升，以減少管節(jié)施工后的沉降及地基地震液化幾率等風險。雖然小幅的抬升對施工有利，但是大幅度的抬升卻會對沉管隧道工程的質(zhì)量安全造成很大的影響。管段連接處將會受到較大應力，導致連接處開裂、漏水，進而對工程質(zhì)量和通行安全造成影響。因此，灌漿過程中應實時監(jiān)測管節(jié)上抬情況，避免較大幅度的上抬。施工中，還要設置防滲的保護措施，保障工程質(zhì)量。

2.2 解決對策

在工程中可以把管節(jié)小幅度抬升作為停止加砂的標志，此外，為了嚴格防止管節(jié)大幅度抬升，通常采用對管節(jié)位置和對砂盤擴展進行實時監(jiān)測以及人工潛水探摸等方法來控制停止加砂的時機。

（1）對管節(jié)位置進行實時監(jiān)測。施工中常用水平儀對沉管的軸線位置進行實時監(jiān)測，保證管節(jié)處在預定范圍內(nèi)。此外，也可以采用全站儀法、RTK—GPS法、聲納法、機械法等多種管節(jié)沉放定位測量方法，或者由這幾種方法互相配合所形成的組合方法：如GPS法與聲納法相結(jié)合、差分GPS水下定位法等[2]。比如上海外環(huán)隧道便采用了全站儀法[3]；廣州洲頭咀采用了由測量塔、全站儀、傾斜儀、光纖羅經(jīng)、GPS、通訊系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)相互配合的組合方法來對管節(jié)沉放位置進行準確監(jiān)測[4]。

（2）對砂盤擴展進行實時監(jiān)測。在砂流法的施工過程中，砂盤在基槽間隙中不斷擴展使流體邊界條件、流場與水壓力也不斷變化。實際工程中常用的方法有：在噴砂口進行壓力監(jiān)測，當壓力達到0.1MPa時，作好停止加砂準備；也可在基槽間隙中設置水壓力計，測出基槽間隙水壓力隨試驗時間的變化規(guī)律，與管節(jié)狀態(tài)對比總結(jié)砂盤發(fā)展的大致規(guī)律從而估計停止加砂的時間；在管內(nèi)預先安裝好測量儀器，以15min為周期對管段的標高變化進行監(jiān)測，當管段頂高量達到5mm時應隨時準備控制加砂；或當兩側(cè)基槽邊上都有不同程度向上翻涌約1m高的砂層時，做好停止加砂準備；另外，也可以采用記錄每次加砂停止時間并綜合多次試驗結(jié)果，從而得到用作參考的停止加砂的時間。

航標巡檢維護的工作任務是預防性發(fā)現(xiàn)并排除航標故障，主要包括巡檢設備是否正常運行，檢查航標設備有無異常現(xiàn)象，并對航標進行巡檢維護，使得航標設備運行狀態(tài)更加的良好。同時巡檢維護工作的有效完成也可以為維修工作提供更好的依據(jù)，縮短維修時間，盡快恢復設備正常運行。

比如上海外環(huán)沉管隧道管段基礎在中間孔壓砂施工中便使用了壓力監(jiān)測、砂量控制、管內(nèi)測量的方法綜合監(jiān)測砂積盤的形成[5]；洲頭咀沉管隧道地基砂流法處理模型試驗中采用了壓力監(jiān)測和砂盤擴展量測方法[6]；珠江沉管隧道地基處理工程則對砂盤的標高、坡度等進行測量來控制加砂[7]。

（3）人工潛水探摸。在監(jiān)測到管段出現(xiàn)頂高或脈動現(xiàn)象時，派潛水員下潛探摸確定壓砂效果，準備停止加砂。

比如上海外環(huán)沉管隧道管段基礎在邊孔壓砂采用上述兩種方法結(jié)合人工潛水探摸進行判斷；港珠澳大橋在施工中則采取了人工潛水探摸的方法來停止加砂[8]。

3 砂盤充滿度不足

3.1 充滿度的試驗研究

砂盤的充填情況關系著砂流法施工優(yōu)劣。在實際灌砂過程中，由于水流沖擊，砂盤中央位置會形成沖擊坑，砂盤外表面也會存在水流沖擊形成的流縫、流槽。故在進行砂流法試驗中，將砂盤頂面面積與單個灌砂孔控制面積之比稱為充滿度。

充滿度通常是由模型試驗確定的，工程中利用模型試驗得到砂基礎，調(diào)整實際施工時各種參數(shù)。黎志均、陳韶章等對珠江隧道進行了砂流法模型試驗[9-10]，莫海鴻、房營光等進行了廣州洲頭咀變截面沉管隧道砂流法試驗[11]；鄭愛元、王光輝等介紹了生物島—大學城沉管隧道模型試驗過程[12-13]；郭俊、吳剛等研究了南昌紅谷隧道模型試驗[14]，其基本試驗參數(shù)見表1所示。

表1 模型試驗基本參數(shù)及砂盤充滿度

通常，充滿度較高的砂盤，砂盤飽滿，其穩(wěn)定性較好，表面充滿度一定程度反映了砂盤半徑擴展速率情況，當基槽間隙高度增大時，砂盤半徑擴展速度減慢，但砂盤擴展較均衡，模型板尺寸增大也會使充滿度有所減小。故在設計基槽間隙時應考慮模型板的尺寸影響。

3.2 提高充滿度的措施

3.2.1 增大灌砂量

在管節(jié)未上抬的前提下，足夠的灌砂量會使砂盤因水流沖擊造成的流縫流槽得到填補，從而使得砂盤完整性更好，充滿度更高。工程應用中，灌砂量可取稍大于模型試驗所得的值。

3.2.2 灌砂孔布置遵循重疊原則

灌砂孔布置也影響著砂盤充滿度情況。灌砂孔間距過大會使砂基礎充滿度降低，甚至形成空穴。根據(jù)珠江隧道模型試驗結(jié)果，較為合理的布置原則是每個砂孔形成的砂盤能相交重疊，寧滿毋缺，通常采取梅花形布置，砂盤之間互相填補，這樣形成的砂盤充滿度更高。

3.2.3 減小單個砂盤的半徑

廣州生物島—大學城模型試驗結(jié)果表明減小砂盤設計半徑，并降低灌砂速度，使砂盤擴展更為均勻，砂盤的充滿度也有一定提高。

3.2.4 施工末階段進行灌漿處理

灌砂階段施工完成后，為進一步填補砂盤形成過程中產(chǎn)生的空隙（如沖擊坑、流槽流縫等），并提高砂盤的穩(wěn)定性，工程中常采取灌漿進行輔助處理。

當模型試驗中砂盤充滿度較高時，可在灌砂階段同時注入漿料。當空隙估算體積過大時，可采取壓力注漿的方式進行補充注漿處理，即從預留的孔道中注入漿料來填補空隙。灌漿壓力要與灌漿用料相匹配，并注意壓力不宜過大，以免對砂盤造成較大影響。珠江隧道模型試驗采用50號砂漿穩(wěn)定液（注漿壓力0.1～0.2MPa）及水泥漿液（注漿壓力0.4～0.6MPa）；南昌紅谷隧道選擇的灌漿料為粒徑2～5mm的無收縮細石混凝土。

4 結(jié)束語

通過總結(jié)各地試驗研究資料和施工數(shù)據(jù)，本文較為系統(tǒng)地介紹了沉管隧道砂流法在施工中遇到的灌砂孔道堵塞、管節(jié)大幅度抬升、砂盤充滿度不足等常見問題，并就工程實際給出了可行的解決思路和方法。

砂流法作為沉管隧道地基處理較優(yōu)方案之一，在沉管隧道基礎工程中的應用已越來越廣泛。但在實際工程施工中，砂流法仍需更多模型試驗研究和工程實例的指導，從而促進砂流法施工技術的提升。