沉管隧道基础灌砂管底压力的监测试验研究

郑学平， 万　超， 吴　刚， 沈永芳， 周恩先， 江剑琴

(1. 南昌市政公用投资控股有限责任公司， 江西 南昌　330000；2. 上海交大海洋水下工程科学研究院有限公司， 上海　200231)



沉管隧道基础灌砂管底压力的监测试验研究

郑学平1， 万超1， 吴刚2，*， 沈永芳2， 周恩先2， 江剑琴1

(1. 南昌市政公用投资控股有限责任公司， 江西 南昌330000；2. 上海交大海洋水下工程科学研究院有限公司， 上海200231)

为确保沉管隧道的工程质量，对沉管隧道基础灌砂施工进行实时监测十分必要。通过沉管隧道等比例灌砂模型试验，探索一种新的基础灌砂施工的实时监测方法——基于管底压力监测系统及其分析方法，并对不同工况下灌砂过程中管底压力的变化状况进行研究。研究表明： 1)最先灌砂孔在灌砂过程中不同方位同间距的底板压力呈现完全类似的变化规律，底板压力呈波浪型起伏而逐渐增大，该变化对应砂积盘的形成与消散状况； 2)结合观察窗的观测结果，可确定砂积盘扩展的压力门槛值； 3)先期灌砂孔对后期灌砂孔的底板压力影响明显，致使其不同方位底板压力变化更大、更复杂，后期灌砂砂积盘形成的压力大于前期灌砂砂积盘所形成的压力。

红谷隧道； 沉管法； 基础灌砂； 管底压力； 监测试验

0　引言

灌砂法已成为当前沉管隧道基础处理的主要施工方法之一。由于基础灌砂在水下实施，砂基础的质量直接关系到沉管隧道的工程质量与建成后隧道的安全运营，故对沉管隧道基础灌砂施工进行实时监测显得尤为必要。

目前，沉管隧道基础灌砂施工的监测，常用以下方法： 1) 砂量控制，即根据基槽深度及沉放后管段底部高程估算管段的灌砂量。2)出口压力监测，即通过监测灌砂过程中砂泵出口压力判断管段是否处于临界顶高状态。3)管内位移测量，即在管内测量管段标高的变化来判定灌砂充实度是否达到要求。4)潜水探摸，即由潜水员下水探摸砂盘的形成及周围砂孔的充砂情况。

由于上述方法的局限性,在灌砂施工中面临着无法实时监测砂积盘的形成及其变化状态，从而易导致灌砂孔堵孔以及基础未充分填充，无法为停止灌砂提供相应的判断标准(依据)等问题。因此，建立基础灌砂施工新的实时监测系统与方法，已成为沉管隧道研究领域迫切期待解决的难题之一。近年来，国内专家学者结合具体沉管隧道工程开展了灌砂模拟试验研究，取得了相应研究成果。陈韶章等[1]阐述了珠江隧道沉管段基础设计、施工方案的选择以及砂垫层基础的几个关键问题，介绍了首次在国内开展沉管隧道灌砂模型试验和砂垫层抗液化试验研究成果； 杜朝伟等[2]对沉管法施工的关键技术之一的基础处理方法进行了归纳与分析对比； 黎志均[3]介绍了珠江隧道工程大比尺(10 m×10 m)基础灌砂试验及其研究成果； 诸岧等[4]介绍了灌砂法原理以及上海外环沉管隧道基础处理的试验内容； 王光辉等[5]系统介绍了生物岛—大学城沉管隧道灌砂模型试验，通过试验模拟灌砂过程，寻找各参数之间的相互关系，对原设计灌砂配合比进行了验证分析； 郑爱元等[6]对广州生物岛—大学城隧道沉管基础灌砂的主要参数进行了研究，通过灌砂模拟试验对灌砂施工的主要参数进行了验证分析； 袁伟耀[7]、LI Wei等[8]以广州洲头咀隧道变截面沉管段的基础处理为研究对象，通过进行等比例灌砂物理模型试验，对灌砂法的砂积盘形成机制、扩散规律、压力大小和砂积盘密实度等进行了研究分析； 赵豫鄂[9]参考固液两相流理论和泥砂运动力学的研究方法，采用逐步推进法对灌砂过程中砂盘扩展进行了计算； 黎伟[10]采用非定常湍流模型计算获得砂盘扩展的不同阶段的流场特征，应用泥砂起动及沉积理论对砂颗粒的堆积、沉积行为作出解释,从砂盘的形成、扩展机制方面揭示砂盘扩展、密实度的成因。但是，以上文献很少涉及灌砂过程中管底砂积盘状态的监控，有关沉管隧道管底压力的监测文献也鲜为少见。

本文结合南昌红谷沉管隧道工程等比例灌砂模型试验，通过在模型底板埋设压力盒，建立灌砂过程中管底压力新的监测系统与分析方法，以期监控管底砂积盘形成状况，进而为实际灌砂施工的监测提供技术支持与参考。

1　管底压力监测系统

管底压力监测系统由压力盒、多通道数据采集仪、计算机及相关数据处理和分析程序组成。

1.1压力盒及其连接

利用预埋在模型底板中的压力盒对灌砂过程中的底板压力实施了监测。压力盒及其数据采集器均由江西飞尚科技有限公司生产。压力盒为FS -TY系列(FS-TY02和FS-TY04)振弦式土压力盒，是一种埋入式压力传感器，主要用于监测土石坝体、堤边坡挡墙隧道衬砌以及基坑围堰等结构物内部或表面土体应力。FS-TY 系列振弦式土压力盒直接输出频率信号，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点漂移小、受温度影响小、性能稳定可靠等特点。压力盒主要技术指标见表1。

表1　压力盒主要技术指标

压力盒与多通道数据采集仪连接方式见图1。

图1压力盒与多通道数据采集仪连接方式

Fig. 1Connection mode of pressure box and multichannel data acquisition instrument

1.2灌砂模型及压力盒的布设

管底压力的监测试验结合南昌红谷隧道等比例灌砂模型试验实施，该灌砂模型试验平台包括： 一个大型水池，以及一个底部与四周封闭且上部开口的钢筋混凝土结构模型。试验模型的底部尺寸为25 m×23.5 m×0.3 m，其侧墙高0.7 m、厚0.3 m，侧墙上另设高0.3 m、厚0.15 m的挡水板。底板按矩形设置A、B、C、D 4个灌砂孔，其中灌砂孔A和B及C和D间距均为9.5 m，灌砂孔A和D及B和C间距均为11 m，与实际管节中灌砂孔间距相同，各孔位置分别对应管节的端部、侧边及中部的灌砂孔。在模型底板沿各灌砂孔径向90°等间隔设置高强有机玻璃观察窗(0.6 m×0.25 m)，以观察灌砂过程中的砂积盘充满程度、扩展半径以及相邻灌砂孔间的影响。在模型底板沿各灌砂孔径向45°呈同心放射状等间距埋设压力盒，压力盒与灌砂孔距离分别为2、4、6、8 m，以监测灌砂过程中底板压力的变化[11]。试验模型中观测装置平面布置示意图见图2。

图2　试验模型中观测装置平面布置图(单位： mm)

2　灌砂模型试验及其监测方法

2.1灌砂试验设备及其布置

灌砂设备主要包括水泵、砂泵、铲车、压力表、软管、混凝土搅拌机及相关配套器具等。试验现场布置如图3所示。

图3　试验现场布置

2.2灌砂材料及试验方法

灌砂材料选用江西九江市星子县6号采区的中砂，其符合GB/T 14684—2011《建筑用砂》天然砂分区标准，砂粒密度为2.612 1 g/cm3，有效粒径D10为0.15 mm，中值粒径D50为0.3 mm，细度模数为2.3。

砂与水泥熟料经搅拌机搅拌后倒入池中与水混合，利用砂泵将搅拌池中的砂水抽出，实施灌砂作业。模型试验按A、D、C、B孔的顺序依次进行4组灌砂(即4种工况)测试，其水泥熟料按砂质量的掺入比为4%、6%、8%、6%。

2.3试验步骤

每组测试均按以下步骤进行。

1)试验前，做好所有灌砂试验和检测仪器设备进行调试、标定及其他准备工作。调节试验水池水位使模型下沉至预置的混凝土支墩上，并使得模型抗浮系数达到1.05。开展各类检测的预试验，压力盒通过线缆连接多通道数据采集仪和计算机，检测灌砂前压力盒状态，并作好相应记录。

2)按设计配比进行灌砂作业，在灌砂过程中，对砂泵压力和水位等进行检测，通过无损检测技术、预设观察窗和压力盒监测砂盘扩散情况，记录各类监测数据，并拍摄相关影像。

3)当模型底板距灌砂孔最近边的边缘出现溢砂，且通过观察窗观测到砂积盘扩散半径达7.5 m以上时，停止灌砂。

3　试验监测结果及其分析

通过对4种工况下灌砂过程中底板压力的测试，所获灌砂模型试验中各孔底板压力的监测结果如下。

3.1A孔灌砂过程中模型底板的压力

利用预埋在模型底板中的压力盒对灌砂过程中模型底板的压力实施了监测。通过对采集的压力盒数据进行整理分析，得到灌砂过程中距A孔孔心距离分别为2、4、6、8 m处模型底板压力随灌砂时间的变化关系曲线如图4所示，距灌砂孔不同距离处底板压力随灌砂时间的典型变化关系曲线如图5所示。

由图4和图5可知： A孔在灌砂过程中不同方位同间距的底板压力大多呈现类似的变化规律，且随灌砂时间的推移，底板压力呈波浪型起伏并逐渐增大，起伏原因与砂积盘形成与消散状况相对应。距灌砂孔近处的压力较大且压力变化更频繁，距离灌砂孔较远处的压力较小且在灌砂前期压力变化不敏感，而后逐步发生变化。

图6为由观察窗观测的砂盘扩散半径与距灌砂孔孔心不同距离处压力盒监测结果对照图。

通过对图6的观测数据分析，结合图5可得出砂积盘扩展的压力门槛值为9.56 kPa。基于该压力门槛值可跟踪管底灌砂的进程，掌握砂积盘扩散状态。

(a) 距孔心2 m处底板压力与灌砂时间关系

(b) 距孔心4 m处底板压力与灌砂时间关系

(c) 距孔心6 m处底板压力与灌砂时间关系

(d) 距孔心8 m处底板压力与灌砂时间关系

图4A孔灌砂中距孔心不同距离处底板压力随灌砂时间的变化关系

Fig. 4Relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole A

图5A孔灌砂过程中距孔心不同距离处底板压力随灌砂时间的典型关系曲线

Fig. 5Typical relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole A

图6A孔灌砂中砂盘扩散半径与距灌砂孔孔心不同距离处底板压力的对照关系图

Fig. 6Retationships between diffusion radius of gravel deposit and bottom pressure with different distances from center of filling hole A

3.2D孔灌砂过程中模型底板的压力

D孔灌砂过程中距孔心距离为2、4、6、8 m处模型底板压力随灌砂时间的变化关系曲线如图7所示，距灌砂孔不同距离处底板压力随灌砂时间的典型变化关系曲线如图8所示。

由图7和图8可知： D孔灌砂由于受灌砂边界及先前A孔灌砂的影响，其附近底板压力呈现不同特性。虽然距灌砂孔心不同距离底板压力具有与A孔类似的变化规律，但其压力变化幅度更大，而且具有明显的方向性。

3.3C孔灌砂过程中模型底板的压力

C孔灌砂过程中距孔心距离为2、4、6 m处模型底板压力随灌砂时间的变化关系曲线如图9所示，距灌砂孔不同距离处底板压力随灌砂时间的典型变化关系曲线如图10所示。

(a) 距孔心2 m处底板压力与灌砂时间关系

(b) 距孔心4 m处底板压力与灌砂时间关系

(c) 距孔心6 m处底板压力与灌砂时间关系

(d) 距孔心8 m处底板压力与灌砂时间关系

图7D孔灌砂中距孔心不同距离处底板压力随灌砂时间的变化关系

Fig. 7Relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole D

图8D孔灌砂过程中距孔心不同距离处底板压力随灌砂时间的典型关系曲线

Fig. 8Typical relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole D

(a) 距孔心2 m处底板压力与灌砂时间关系

(b) 距孔心4 m处底板压力与灌砂时间关系

(c) 距孔心6 m处底板压力与灌砂时间关系

图9C孔灌砂中距孔心不同距离处底板压力随灌砂时间的变化关系

Fig. 9Relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole C

图10C孔灌砂过程中距孔心不同距离处底板压力随灌砂时间的典型关系曲线

Fig. 10Typical relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole C

由图9和图10可知： C孔由于位于边角处，其灌砂中底板压力变化不同于A孔和D孔。虽然距C孔孔心不同距离底板压力具有与A孔类似的变化规律，但因受灌砂边界及先前A孔和D孔灌砂的影响，其压力变化较为稳定，变化幅度相对较小，同样具有明显的方向性。

3.4B孔灌砂过程中模型底板的压力

B孔灌砂过程中距孔心距离为2、4、6、8 m处模型底板压力随灌砂时间的变化关系曲线如图11所示，距B孔不同距离处底板压力随灌砂时间的典型变化关系曲线如图12所示。

由图11和图12可知： B孔灌砂过程中底板压力变化不同于前述3孔，其变化方式最为复杂、波动范围更大且方向性更强。其主要原因为先前灌砂孔对后期灌砂孔灌砂的直接影响，表现为达到预定的砂积盘扩散半径时间更短、最终形成砂积盘压力大于前期灌砂所形成的砂积盘。

通过建立底板压力测试系统的相关分析表明： 预埋的压力盒不仅能够监测所处区域的压力，还能反映砂积盘的形成与消散状况，是一种监测灌砂过程中砂积盘扩散状态的新方法。

4　结论与讨论

1)通过沉管隧道等比例灌砂模型试验平台，建立了灌砂过程中管底压力的监测系统及分析方法。

2)位于管段中部且最先进行的灌砂孔在灌砂过程中，其不同方位同间距的底板压力呈现类似的变化规律，底板压力呈波浪型起伏并逐渐增大，该变化对应砂积盘的形成与消散状况。结合观察窗的观测结果，可确定砂积盘扩展的压力门槛值。

3)先期灌砂孔对后期灌砂孔的底板压力影响明显，致使不同方位底板压力变化更大、更复杂，后期灌砂砂积盘形成的压力大于前期灌砂砂积盘所形成的压力。

4)本文初步建立了新的管底压力监测系统及方法，如何在实际基础灌砂施工中更有效地监测砂积盘的状况，还有待今后进一步深入地研究。

(a) 距孔心2 m处底板压力与灌砂时间关系

(b) 距孔心4 m处底板压力与灌砂时间关系

(c) 距孔心6 m处底板压力与灌砂时间关系

(d) 距孔心8 m处底板压力与灌砂时间关系

图11B孔灌砂中距孔心不同距离处底板压力随灌砂时间的变化关系

Fig. 11Relationships between bottom pressure and gravel filling time with different distances from center of filling hole B

图12B孔灌砂过程中距孔心不同距离处底板压力随灌砂时间的典型关系曲线

Fig. 12Typical relationship between bottom pressure and gravel filling time with different distance from center of Filling Hole B

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Study of Monitoring Experiment of Bottom Pressure of Gravel Filling Pipe for Foundation of Immersed Tunnel

ZHENG Xueping1, WAN Chao1， WU Gang2, *, SHEN Yongfang2, ZHOU Enxian2, JIANG Jianqin1

(1.NanchangMunicipalPublicGroup,Nanchang330000,Jiangxi,China; 2.UnderwaterEngineeringInstituteCo.,Ltd.,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200231,China)

The real-time monitoring of gravel filling for immersed tunnel foundation is very important. Experiment is made on a same-scale gravel filling model. A new kind of method for real-time monitoring of gravel filling for immersed tunnel foundation based on gravel filling pipe bottom pressure monitoring system and related analysis is developed; and the variation of gravel filling pipe bottom pressure under different construction conditions is studied. The study results show that: 1) The bottom pressure variation laws, wave shape and increases gradually, of gravel filling pipe No. 1 with different filling directions and same spacing are the same; the variation laws are related to formation and dissipation of gravel deposit. 2) The pressure threshold value of gravel deposit expansion can be determined according to the observation results. 3) The influence of bottom pressure of early gravel filling pipe on that of later gravel filling pipe is obvious, resulting in the larger and more complex variation of bottom pressure of later gravel filling pipe with different filling directions. The pressure of gravel deposit formed by later gravel filling is larger than that formed by early gravel filling.

Honggu Tunnel; immersed tunnel; foundation gravel filling; pipe bottom pressure; monitoring and experiment

2016-05-10;

2016-06-18

郑学平(1966—)，男，浙江宁波人，1985年毕业于重庆建筑工程学院，土木工程专业，本科，高级工程师，主要从事工程项目管理工作。E-mail： 13807080687@qq.com。*通讯作者： 吴刚， E-mail： wugang@sjtu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.002

U 45

A

1672-741X(2016)09-1030-07