襄阳汉江沉管隧道基础设计

作者:未知

  摘 要:襄阳汉江沉管隧道为华中区域首条沉管隧道。项目所在位置河床演变为有冲有淤。通过对压砂法和先铺碎石垫层法比选,结合装备开发成果,基础垫层选择先铺卵石垫层法。对岸堤及江中基底荷载较大段,采用管顶减载的方法,有效控制了最大沉降及差异沉降。
  关键词:沉管隧道;基础设计;碎石垫层;减载
  中图分类号:U452            文献标识码:A            文章编号:1006—7973(2019)06-0107-03
  1工程概况
  鱼梁洲为汉江流域最大江心洲,为襄阳市“一心四城”城市格局的核心。襄阳市东西轴线道路工程是联系樊城与东津新城中心区的交通大通道,采用隧道下穿鱼梁洲,保护鱼梁洲“水青洲绿”的生态景观。
  襄阳东西轴线道路工程鱼梁洲段隧道全长5400m,采用沉管方案两次下穿汉江,沉管段总长1011m。西汊布置4节标准管节(86.5m×4)和1节短管节5m,总长351m。东汊布置6节标准管节(120.5m×4+86.5m×2)和1节短管节5m,总长660m。
  隧道采用设计车速60km/h的双向六车道城市快速路设计标准,隧道建筑限界净宽12.25m。隧道结构采用钢筋混凝土,整体式管节,横断面宽31.2m,高9.2m。
  2建设条件
  2.1地质条件
  西汊沉管段主要分布有②-2a , ②-2b粉细砂层,③层卵石混圆砾,③-1圆砾层。隧道底基本位于③层卵石混圆砾,③-1圆砾层之上。东汊沉管段主要分布有②-2a , ②-2b粉细砂层,③层卵石混圆砾,③-1圆砾层。隧道底基本位于③层卵石混圆砾,③-1圆砾层之上。
  ②-2a粉细砂(Q4al+pl):灰褐色,松散,饱和,主要成份为石英、长石及少量云母,质较纯。揭示层厚0.65~13.80m。
  ②-2b粉细砂(Q4al+pl):灰褐色,稍密,饱和,主要成份为石英、长石及少量云母;质较纯。揭示层厚0.50~11.25m。
  ③卵石混圆砾(Q4al+pl):黄褐色~灰褐色,中密~密实,饱和,卵石含量约51%,粒径主要为2-6cm;成份为石英岩及燧石,磨圆度中等,呈次圆状;充填物主要为粉细砂及黏性土,局部夹少量圆砾和漂石。揭示层厚5.2~26.90m。
  ③-1圓砾(Q4 al+pl):灰色、灰黄色,中密~密实,饱和,含68%左右砾石,粒径主要为0.2~2cm,砾石成份主要为石英岩、燧石,磨圆度中等,充填物主要为粉细砂和黏性土。揭示层厚0.80~20.3m。
  2.2河床演变
  在各典型年水沙条件的作用下,工程河段的河势仍较为稳定,虽然河床有冲有淤,但总体仍呈淤积趋势。河床的淤积主要集中在滩地上;河床的冲刷则位于河道主槽。
  3 沉管基础垫层设计
  3.1沉管基础垫层比选
  沉管隧道基础垫层设计按处理方法大致可分为先铺法和后铺法两大类。先铺法主要是指碎石整平垫层,后铺法有喷砂垫层、压砂垫层、压浆垫层等,其中压砂法工程案例较多,工艺较为成熟。本项目重点对碎石整平垫层和压砂法进行比选。
  压砂法是指在沉管沉放对接后,通过预留的压砂孔,向基底压注砂水混合物,形成一定大小的砂积盘,通过相互重叠的砂积盘,最后将沉管下面的空隙填满,形成基础。压砂法主要优势为:设备简单,不需要大型船机设备;可采用管内灌砂,水上作业时间短;沉管沉放后,才进行垫层施工,避免回淤对垫层影响。主要缺点为:施工工艺要求较高,需控制孔口压力和扩散半径,既要保证垫层密实,又要避免上托力抬高沉管;填充效果检测困难;地震情况下,砂可能液化;铺设的砂层在波浪、海流流速达到临界值后易受到冲刷的影响;填砂的过程中,管节支撑在支座上,未锁定回填,需选择合适的天气窗口[1]。
  先铺碎石垫层由于可采用大型专用整平设备机械化施工,具有可控性好、精度高、工期短、工效高、抗液化的优点[2]。其主要缺点为:内河流域不适宜采用大型船机设备;垫层施工完成与沉管沉放开始的时间段,容易受回淤影响;造价偏高。本项目研发了适用于内河流域的整平船,并利用基槽及基坑开挖的卵石作为垫层原材料以降低造价,弥补了先铺碎石垫层的缺点。经综合比选,第一次在内河沉管隧道中采用先铺卵石垫层。
  3.2沉管基础垫层设计
  沉管隧道垫层的厚度主要由基槽高程施工偏差容忍能力、隧道结构对地基刚度纵横向变化容忍能力等方面的要求决定。经试验研究,并结合国内外同类工程经验,隧道垫层厚度确定为80cm厚,考虑基槽开挖精度,垫层下方设置0~40cm厚调平层。卵石垫层顶面最终标高与隧道各管节结构底标高一致。卵石垫层设置V形槽,纵断面锯齿形,平面S型铺设。卵石垫层顶横向宽度35.2m(结构宽31.2m+结构外缘线两侧各预留2m),单垄顶纵向宽度1.2m,V型槽顶纵向宽度0.6m,管节间大槽顶宽3.1m。卵石垄边坡坡率暂按1:1.5设计,实际按自然休止角成形。基础卵石垄沟布置见图1。
  4 沉管基础设计
  隧道基础位于隧道结构下方,主要功能是承受来自隧道结构自身、回填、管顶防护层、防冲刷保护层以及回淤、行车等荷载,为隧道结构提供均匀可靠的刚度支撑,并控制基础总沉降与不均匀沉降,以满足隧道沉管节段、暗埋段间的协调变形,使隧道结构在设计荷载作用下因地基变形引起的结构内力以及变形在可承受范围之内。
  4.1 沉管基础沉降标准
  根据类似工程经验并结合分析计算,采用8cm作为沉管沉放后总沉降控制标准。根据管节接头剪力键的承载能力及差异沉降分析,采用3cm及L/1000作为纵向差异沉降控制标准。   4.2 沉管初始沉降计算
  隧道沉降计算考虑的荷载主要为:沉管结构荷载、沉管结构受到的浮力、隧道顶部防护层、防冲刷保护层、隧道两侧回填產生的向下拖曳作用、回淤荷载、隧道内汽车荷载。防冲刷保护层为按卵石回填考虑。回淤高度按河床面与回淤线高差考虑。东汊沉管基底荷载见图2。
  从图中可知,两端岸堤处,尤其是东津端,基底荷载较大,东津端沉管终点处基底荷载达到216.7kPa。东汊沉管中部水深较浅、回淤严重区,基底荷载也较大。
  由于沉管基底主要为卵石、圆砾层,沉管沉放后的沉降主要由卵石垫层和卵石调平层的压缩量、土体的回弹再压缩沉降两部分组成。对卵石垫层和卵石调平层按分层总和法计算,对土体按基于室内压缩试验指标的e-logp曲线方法进行计算。基底沉降见图3。
  从图中可知,由于基底地层较为均匀,沉降变化趋势与荷载变化趋势较为一致。最大沉降值为112mm,位于东津端沉管终点处。最大差异沉降同样位于东津端沉管终点处,达59mm。由于沉降及差异沉降值偏大,需考虑处理措施。基底主要为卵石、圆砾层,局部为粉质黏土层,地基处理工序较为复杂,且对地基沉降控制效果有限。本项目主要考虑通过管顶上部减载来控制沉降。
  4.3 减载处理后沉管沉降
  减载方案为:东汊沉管在两处岸堤K13+325~K13+360、K13+940~K13+990.8,汉江东汊淤积段K13+604~K13+685设置管顶减载。减载宽度均取与沉管结构同宽,减载材料均采用密度13~14kN/m3的轻质砼。对于岸堤处减载高度取护面层回填至河床面,对于江中水深较浅段,减载高度为护面层回填至冲刷线之间,避免影响河床冲刷,影响防洪。
  采用减载处理后,最大沉降及差异沉降均得到了有效控制,最大沉降位于沉管中部,沉降值为69mm,最大差异沉降控制在了16mm。沉降满足沉降标准要求。
  5 结语
  在襄阳沉管隧道项目中,经综合比选,结合装备开发,基础垫层在内河流域首次采用先铺卵石法。受上下游水库的影响,河床演变具有既冲又淤的特点,针对这一特点,对岸堤及江中基底荷载较大段,采用了管顶减载的方法,有效地控制了最大沉降及差异沉降。
  参考文献:
  [1] 陈韶章,任孝思,陈越.珠江沉管隧道基础处理技术[J].世界隧道.1996.(6):34-39.
  [2] 王勇.深埋沉管隧道基础碎石垫层变形特性试验研究[J].岩土力学.2015.12(36):3387-3392.
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