2024年4月3日发(作者：蚁山)
港珠澳大桥岛隧工程隧道基础沉降计算及参数选取
李建宇;梁桁
【摘 要】港珠澳大桥岛隧工程隧道基础采用了多种基础形式,包括PHC刚性桩复
合地基、高压旋喷半刚性桩复合地基、挤密砂桩柔性桩复合地基及天然地基基础.
结合《建筑地基基础设计规范》、《建筑地基处理技术规范》以及
《Technicalstandards and commentaries for port and harbor facilities in
Japan》对上述复合地基及天然地基的沉降计算方法和参数选取进行分析,比较得出
挤密砂桩复合地基沉降计算应符合《Technical standards and commentaries
for port and harbor facilities inJapan》,PHC刚性桩复合地基沉降计算应符合
GB50007-2012《建筑地基基础设计规范》,高喷桩复合地基沉降计算宜符合《建
筑地基处理技术规范》水泥土搅拌桩的规定,天然地基沉降应考虑应力历史的e-
lgp沉降计算方法以及次固结沉降计算应选取与实际应力相符试验条件下的次固结
系数.概述岛隧工程隧道不同基础加固形式的沉降计算方法及沉降计算参数选取原
则,为类似工程沉降计算提供参考.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2013(000)007
【总页数】6页(P84-89)
【关键词】港珠澳大桥岛隧工程;隧道基础;沉降计算;参数选取;地质勘察报告
【作 者】李建宇;梁桁
【作者单位】中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广东广州510230;中交第四
航务工程勘察设计院有限公司,广东广州510230
【正文语种】中 文
【中图分类】TU413
隧道的沉降，特别是不均匀沉降可以引起隧道管段的破坏，故港珠澳大桥岛隧工程
对隧道基础沉降严格控制。为控制差异沉降防止结构破坏，要求对基础的沉降计算
尽可能精确，达到既保证结构的可靠又可节约工程造价的目的。准确的沉降计算依
赖于精确的地层划分及可靠的岩土计算参数的选取，为此岛隧工程根据实际工况开
展了精细化勘察。基础设计依据精细化勘察结果，采用准确的计算参数及合理的计
算公式，评估基础沉降并最终确定隧道不同区段基础加固方案。
1 精细化勘察
港珠澳大桥岛隧工程初勘～详勘[1]共布置钻孔95个、原位测试孔压静力触29个、
旁压试验孔6个、十字板剪切试验孔14个。主要压缩土层为：第①大单元层，全
新世海相沉积物（）（①1淤泥（），①2淤泥（），①3淤泥质土（），①4淤
泥质黏土夹砂（））；第②大单元层，晚更新世晚期陆相沉积物（）（②1黏土
（））；第③大单元层，晚更新世中期海相冲积物（）（③1淤泥质土（），③1-
1黏土及粉质黏土（），③2粉质黏土夹砂（）,③2-1粉细砂（），③2-2粉细
砂,③3粉质黏土（））；第④大单元层，晚更新世早期河流相冲积物（Q3al）
（④1粉细砂（），④2粉细砂（），④3-1中砂（）,④3-2中砂（），④4粗砾
砂（），④5粗砾砂（），④6圆砾土（），④7粉质黏土（））。主要土层压缩
指标见表1。
为进一步分析评价地基土沉降变形特性，开展了施工图补充勘察[2]。补勘共完成
80个钻孔，一般原位测试孔39个，技术孔41个，383个孔压静力触探孔
（CPTUs），22个孔压静力触探消散试验孔（CPTUDs）。主要土层压缩指标见
表2。
表1 详勘主要土层压缩指标土层 饱和密度ρ/(t·m-3) 初始孔隙比e0 超固结比
OCR 压缩指数Cc回弹再压缩指数Cs 压缩模量Es/MPa 回弹再压缩模量
E′s/MPa①1 1.59 1.94 <1 0.52 0.08 1.89①2 1.63 1.72 <1 0.45 0.06 1.92①3
1.76 1.31 <1 0.37 0.06 2.76②1 1.92 0.85 >1 0.30 0.03 5.35③1 1.81 1.12 ≈1
0.36 0.03 3.75③1-1 1.80 1.14 ≈1 0.43 0.06 5.32③2 1.86 0.95 ≈1 0.33 0.04
6.01③3 1.85 0.99 ≈1 0.33 0.04 5.57 18.0④7 1.91 0.82 ≈1 0.30 0.03 9.18 20.4
表2 施工图补充勘察主要土层压缩指标层号 饱和密度ρ/(t·m-3) 初始孔隙比e0 超
固结比OCR 压缩指数Cc 回弹再压缩指数Cs 压缩模量Es/MPa 次固结系数
/‰11 1.59 1.723 0.94 0.69 0.03 1.41 1.947 21 1.83 0.866 1.52 0.27 0.03 7.69
1.365 31 1.77 1.052 2.16 0.46 0.02 7.69 1.365 32 1.81 0.958 1.49 0.34 0.03
4.76 0.719 41 1.86 0.827 1.19 0.32 0.03 0.145
补勘+详勘勘察孔在隧道基础范围内形成了3条勘探线，每条勘探线上勘探点间距
为50.0 m，该勘探布置形式准确描述了地层分布，可准确指导地基加固深度。详
勘报告中推荐了初始孔隙比、压缩指数、再压缩指数、压缩模量及部分土层回弹模
量等沉降计算参数，①1~①3黏土层定义为正常固结土-欠固结土；②~③黏土层
定义为正常固结土-超固结土，并趋向于正常固结，报告中未提供次固结系数。补
充勘察报告与详勘对第一大土层判定相同，判定为欠固结土-正常固结土，但其余
黏土均判定为超固结土，同时报告中提供了超载比OCR数值，且补勘报告提供了
不同工况荷载下的次固结系数。
2 基础加固方案
根据荷载变化要求及地质条件的差异，隧道基础采用5种方式，分别为:1）经过预
压过的天然地基基础；2）经过预压且设置PHC管桩的刚性桩复合地基基础；3）
经过预压且打设高压旋喷桩的半刚性桩基础；4）挤密砂桩柔性桩复合地基基础；
5）未经处理的天然地基基础。隧道敞开段荷载较小，采用经过大超载比预压过的
天然基础；暗埋段荷载相对较大，采用 刚性桩复合地基基础，通过调整管桩间距
实现暗埋段与敞开段基础过渡；沉管段前两个小关节采用高喷桩复合地基基础，以
协调暗埋段刚性桩复合地基与沉管过渡段挤密砂桩复合地基刚度；沉管过渡段采用
挤密砂桩复合地基，通过调整挤密砂桩置换率实现刚度平缓过渡；沉管中间深埋段
基槽开挖深度大，基础为超固结老黏土或密实砂土，原状土不予处理。通过调整桩
的间距及打设深度，使刚性桩复合地基、半刚性桩复合地基、柔性桩复合地基及天
然地基刚度平缓过渡，确保基础均匀沉降以避免过大差异沉降产生破坏结构的内力，
基础加固方案见图1。
图1 隧道基础加固方案
3 沉降计算方法及参数选取
3.1 挤密砂桩（SCP）复合地基沉降计算
1）建筑地基基础设计规范。
《建筑地基基础设计规范》[3]5.3.5节给出了通用的沉降计算公式（1），式中ψs
根据当量模量查表确定，当量模量计算公式为式（2）。但《建筑地基基础设计规
范》[1]中没有明确复合地基沉降计算方法。
《建筑地基基础设计规范》[4]明确了复合地基沉降计算方法，如式（3），式中系
数ψsp根据式（4）计算的当量模量查表确定。复合地基模量Espi为天然地基模
量的ξ倍，系数ξ为复合地基承载力fspi与天然地基承载力fsi的比值。
2）建筑地基处理技术规范。
JGJ 79—2002《建筑地基处理技术规范》[5]砂石桩复合地基沉降计算方法，如式
（3）~（4），但式（4）中复合地基压缩模量Espi如式（7）。
式中：m为砂桩置换率；n为桩土应力比。
即将实行的《建筑地基处理技术规范》[6]砂石桩复合地基沉降计算方法，如式（3）
~（6）。
3）日本规范。
挤密砂桩技术在日本已比较成熟，挤密砂桩复合地基沉降计算已编入规范。
Technical standards and commentaries for port and harbor facilities in
Japan[7]和日本综合建设株式会社编制的《海上挤密砂桩工法设计、施工手册》
采用了相同的沉降计算方法，即挤密砂桩复合地基s为原状土地基沉降s0与沉降
折减比βc的乘积，βc是置换率m与桩土应力比n的函数。图2为日本实测资料
中沉降折减比与置换率的关系，一般桩土应力比n=4计算结果与实测值相近。
图2 沉降折减比与置换率的关系
由于挤密砂桩的特殊成桩工艺以及其在日本成功广泛的应用，本工程基础设计采用
日本规范进行计算。
3.2 高压旋喷桩复合地基沉降计算
《建筑地基处理技术规范》[3]水泥土搅拌桩复合地基压缩变形s1如式（11）。
式中:pz为搅拌桩复合土层顶面附加压力值；pzl为搅拌桩复合土层底面附加压力
值；Esp为复合土层压缩模量；Ep为桩体压缩模量，取100~120fcu（桩体抗压
强度）。
根据《建筑地基处理技术规范》[3]规定，高压旋喷桩复合地基依据式（1）计算，
复合土层压缩模量根据地区经验确定。
《建筑地基处理技术规范》[4]旋喷桩复合地基沉降计算符合式（3）~（6），水
泥土搅拌桩沉降计算符合式（11）~（12）。
当高喷桩成桩质量较好，桩体强度较高，按式（11）~（12）计算的复合地基压
缩模量偏大而使沉降计算值小于实际值。鉴于岛隧工程地质条件及场地施工状况特
点，检测结果表明高喷桩成桩质量较差、桩体强度较低，故本工程高喷桩复合地基
沉降计算参照地基处理技术规范中水泥土搅拌桩沉降计算模式。
3.3 PHC刚性桩复合地基沉降计算
《建筑地基基础设计规范》[2]及《建筑地基处理技术规范》[3-4]规定复合地基沉
降计算符合式（3）~（6）。刚性桩复合地基沉降主要计算参数为原状土压缩模量、
原状土承载力及复合地基承载力，原状土及复合地基承载力用于确定系数ξ，压缩
模量用于计算原状土沉降。规范规定的原状土沉降计算方式依托于准确的压缩模量，
压缩模量为土的自重压力-土的自重压力与附加压力之和的压力段的模量，而勘察
报告中一般给出100~200 kPa压力段的压缩模量，所以沉降计算时较难找到相对
应的模量，故可采用其它土力学参数进行计算，如压缩系数a，体积压缩系数mv，
压缩指数Cc和再压缩指数Cs。
3.4 原状土地基沉降计算
挤密砂桩复合地基和PHC桩复合地基沉降计算依托于原状土地基沉降，而原状地
基沉降可按照式（1）进行计算，也可采用式（13）~（17）计算[8]。
式（13）中沉降计算参数avi，mvi及Esi不是恒定值，而是随计算土层有效应力
发生变化的。由于试验条件的限制，勘察报告中一般只给出100~200 kPa压力段
的压缩模量，有特殊要求时亦提供200~300 kPa或300~400 kPa压力段的压缩
模量，这些限定压力段的压缩模量不能准确反映某一土层的真实模量，设计人员预
计采用式（13）进行计算时，应根据实际的工况荷载条件要求勘察单位提供特定
压力段的压缩模量。
式（14）和（15）适用于正常固结土的固结沉降计算，采用式（14）计算时，先
将点（e，p）绘制e-p曲线拟合一个二次多项式以便每个计算土层的有效应力p
都能对应一个e值，然后分层按照式（14）计算。为使拟合曲线更准确一般将e-
p曲线转换为e-ln(1+p)曲线，以详勘粉质黏土层e-p曲线拟合为例，结果见图3
和4，e-ln(1+p)曲线有效应力超过50 kPa后拟合相关度更高。正常固结土也可
采用式（15）计算，宜通过高压固结试验确定压缩指数Cc。
对于超固结土，应采用e-lgp曲线求先期固结压力pci，然后根据超固结的程度，
分下列两种情况进行沉降计算，当p0i+Δp≤pci时采用式（16）计算分层土i的
沉降量；当p0i+Δp＞pci时采用式（17）计算分层土i的沉降量。
图3 e-p拟合曲线
图4 e-ln(1+p)拟合曲线
本工程隧道敞开段采用天然地基作为隧道基础，其范围内的土质为超固结土或为经
过预压的拟超固结土（施工期预压应力远大于运营期荷载，且固结度达到了90%
以上），故沉降计算宜采用压缩指数Cc和再压缩指数Cs进行计算。
3.5 次固结沉降计算
浅埋段隧道基础尚残存较厚的软黏土，正确评价该软土层次固结沉降量Ss也是节
省工程造价及保证工程安全的关键。国际上通用的次固结沉降公式（18）[9]，次
固结沉降计算关键在于次固结系数Cе的确定，国内外有很多学者建立了含水量、
液限、压缩指数等参数与次固结系数的关系，《Technical standards and
commentaries for port and harbor facilities in Japan》[5]推荐采用压缩指数
推算次固结系数，如式（19）。Secondary Comparession of Peat With or
Without Surchargeing[7]研究表明经过预压的软土次固结系数随超载比的增大而
递减，例如当超载比为2.0时次固结系数可折减约0.2倍。本工程隧道基础岛上段
采用降水联合堆载预压大超载比进行预压，原状土次固结系数应显著折减，为准确
评估次固结系数设计要求采用与实际工况相一致的应力环境进行次固结试验。
式中:e0为初始孔隙比；h为土层厚度；t为次固结发生时间（港珠澳大桥使用寿
命120 a，t=120 a）；Cc为压缩指数。
3.6 指标的选取
详勘与补勘报告中基本的物理指标密度、含水量、孔隙比、液塑性等较一致，主要
压缩指标压缩模量、压缩指数、再压缩指数等相近但稍有差别。详勘判定上部软黏
土为正常固结-欠固结状态，下部黏土为正常固结-稍超固结状态，趋向于正常固结，
报告中未明确超固结比具体数值。补勘中对于上部软土的判定与详勘相同；下部黏
土判定为超固结土，并明确了超固结比。隧道岛上段基础经过了大超载比预压，原
状正常固结土-欠固结土经预压后相对运营期荷载为超固结状态（命名为拟超固
结），经过预压后隧道基础下整个黏土层都为超固结状态，原状土沉降计算参数应
采用考虑应力历史的e-lgp沉降计算相关参数Cc和Cs以及超固结比OCR。次固
结系数虽然可利用压缩指数、液限指数、含水量及超固结比等推算，但根据现场实
际应力路径做出的次固结系数更为可靠，补勘报告中室内试验根据现场荷载情况加
卸载，在加卸载的过程中进行固结试验获取次固结系数。综上述，本工程设计过程
中地基沉降计算参数采用表2中的密度、孔隙比、超载比、压缩指数、再压缩指
数及次固结系数。
4 结语
1）沉降控制是港珠澳大桥岛隧工程隧道基础设计的关键，设计团队依托于详尽的
勘察报告分析比较不同基础处理形式的沉降计算方法。同时分析比较详勘及补勘报
告中沉降计算参数，根据基础加固形式及沉降计算方法确定最终采用的沉降计算参
数。
2）挤密砂桩复合地基沉降计算公式应符合文献[7]的规定。
3）根据本工程已检测的高喷桩成桩质量及高喷桩现场施工难度，高喷桩桩体强度
差，推荐采用《建筑地基处理技术规范》[4]中水泥土搅拌桩复合地基沉降计算方
法。
4）PHC刚性桩复合地基沉降计算应符合《建筑地基基础设计规范》[2]及《建筑
地基处理技术规范》[4]复合地基沉降计算方法。
5）鉴于隧道基础黏土层超固结或拟超固结特性，原状土地基沉降计算采用考虑应
力历史的沉降计算参数压缩指数Cc，再压缩指数Cs以及超固结比OCR。
6）超载预压地基土的次固结系数应根据超载比的大小予以折减，本工程为更准确
评估次固结沉降量，测定次固结系数土工试验加载过程与现场加载过程相同。
7）补勘报告推荐了考虑应力历史的沉降计算参数Cc，Cs以及OCR，并提供了根
据现场实际应力状态下测定的次固结系数，故本工程沉降计算参数参照补勘数据。
8）本工程依据变化的荷载及地质条件采用了多种基础加固方式，应用了柔性桩、
半刚性桩、刚性桩复合地基以及考虑应力历史的天然地基计算方法，为类似工程沉
降计算提供思路。本文仅对隧道基础沉降计算进行综述，隧道基础设计团队将根据
后期沉降数据验证沉降计算方法及沉降计算参数选取，并根据监测数据指导沉降计
算公式中参数的修正。
参考文献：
[1] 中交第四航务工程勘察设计院有限公司. 港珠澳大桥主体工程岛隧工程补充地
质勘察隧道区工程地质勘察报告[R]. 广州: 中交第四航务工程勘察设计院有限公司,
2012.
[2] 中交第二航务工程勘察设计院有限公司. 港珠澳大桥主体工程施工图阶段工程
地质勘察报告[R]. 武汉: 中交第二航务工程勘察设计院有限公司, 2010.
[3] GB 5007—2002 建筑地基基础设计规范[S].
[4] GB 5007—2011 建筑地基基础设计规范[S].
[5] JGJ 79—2002 建筑地基处理技术规范[S].
[6] JGJ 79—2012 建筑地基处理技术规范[S].
[7] Ports and harbours bureau,technical standards and commentaries for
port and harbor facilities in JAPAN[S].Tokyo:The Overseas Coastal Area
Development Institute of Japan,2009.
[8] 陈仲颐. 土力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 1997.
[9] 工程地质手册编写委员会. 工程地质手册[M]. 4版. 北京: 中国建筑工业出版社,
2007.
[10] Mesri G. Sencondary compression of peat with or without
surcharging[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental
Engineering,1997(5): 411-421.
2024年4月3日发(作者：蚁山)
港珠澳大桥岛隧工程隧道基础沉降计算及参数选取
李建宇;梁桁
【摘 要】港珠澳大桥岛隧工程隧道基础采用了多种基础形式,包括PHC刚性桩复
合地基、高压旋喷半刚性桩复合地基、挤密砂桩柔性桩复合地基及天然地基基础.
结合《建筑地基基础设计规范》、《建筑地基处理技术规范》以及
《Technicalstandards and commentaries for port and harbor facilities in
Japan》对上述复合地基及天然地基的沉降计算方法和参数选取进行分析,比较得出
挤密砂桩复合地基沉降计算应符合《Technical standards and commentaries
for port and harbor facilities inJapan》,PHC刚性桩复合地基沉降计算应符合
GB50007-2012《建筑地基基础设计规范》,高喷桩复合地基沉降计算宜符合《建
筑地基处理技术规范》水泥土搅拌桩的规定,天然地基沉降应考虑应力历史的e-
lgp沉降计算方法以及次固结沉降计算应选取与实际应力相符试验条件下的次固结
系数.概述岛隧工程隧道不同基础加固形式的沉降计算方法及沉降计算参数选取原
则,为类似工程沉降计算提供参考.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2013(000)007
【总页数】6页(P84-89)
【关键词】港珠澳大桥岛隧工程;隧道基础;沉降计算;参数选取;地质勘察报告
【作 者】李建宇;梁桁
【作者单位】中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广东广州510230;中交第四
航务工程勘察设计院有限公司,广东广州510230
【正文语种】中 文
【中图分类】TU413
隧道的沉降，特别是不均匀沉降可以引起隧道管段的破坏，故港珠澳大桥岛隧工程
对隧道基础沉降严格控制。为控制差异沉降防止结构破坏，要求对基础的沉降计算
尽可能精确，达到既保证结构的可靠又可节约工程造价的目的。准确的沉降计算依
赖于精确的地层划分及可靠的岩土计算参数的选取，为此岛隧工程根据实际工况开
展了精细化勘察。基础设计依据精细化勘察结果，采用准确的计算参数及合理的计
算公式，评估基础沉降并最终确定隧道不同区段基础加固方案。
1 精细化勘察
港珠澳大桥岛隧工程初勘～详勘[1]共布置钻孔95个、原位测试孔压静力触29个、
旁压试验孔6个、十字板剪切试验孔14个。主要压缩土层为：第①大单元层，全
新世海相沉积物（）（①1淤泥（），①2淤泥（），①3淤泥质土（），①4淤
泥质黏土夹砂（））；第②大单元层，晚更新世晚期陆相沉积物（）（②1黏土
（））；第③大单元层，晚更新世中期海相冲积物（）（③1淤泥质土（），③1-
1黏土及粉质黏土（），③2粉质黏土夹砂（）,③2-1粉细砂（），③2-2粉细
砂,③3粉质黏土（））；第④大单元层，晚更新世早期河流相冲积物（Q3al）
（④1粉细砂（），④2粉细砂（），④3-1中砂（）,④3-2中砂（），④4粗砾
砂（），④5粗砾砂（），④6圆砾土（），④7粉质黏土（））。主要土层压缩
指标见表1。
为进一步分析评价地基土沉降变形特性，开展了施工图补充勘察[2]。补勘共完成
80个钻孔，一般原位测试孔39个，技术孔41个，383个孔压静力触探孔
（CPTUs），22个孔压静力触探消散试验孔（CPTUDs）。主要土层压缩指标见
表2。
表1 详勘主要土层压缩指标土层 饱和密度ρ/(t·m-3) 初始孔隙比e0 超固结比
OCR 压缩指数Cc回弹再压缩指数Cs 压缩模量Es/MPa 回弹再压缩模量
E′s/MPa①1 1.59 1.94 <1 0.52 0.08 1.89①2 1.63 1.72 <1 0.45 0.06 1.92①3
1.76 1.31 <1 0.37 0.06 2.76②1 1.92 0.85 >1 0.30 0.03 5.35③1 1.81 1.12 ≈1
0.36 0.03 3.75③1-1 1.80 1.14 ≈1 0.43 0.06 5.32③2 1.86 0.95 ≈1 0.33 0.04
6.01③3 1.85 0.99 ≈1 0.33 0.04 5.57 18.0④7 1.91 0.82 ≈1 0.30 0.03 9.18 20.4
表2 施工图补充勘察主要土层压缩指标层号 饱和密度ρ/(t·m-3) 初始孔隙比e0 超
固结比OCR 压缩指数Cc 回弹再压缩指数Cs 压缩模量Es/MPa 次固结系数
/‰11 1.59 1.723 0.94 0.69 0.03 1.41 1.947 21 1.83 0.866 1.52 0.27 0.03 7.69
1.365 31 1.77 1.052 2.16 0.46 0.02 7.69 1.365 32 1.81 0.958 1.49 0.34 0.03
4.76 0.719 41 1.86 0.827 1.19 0.32 0.03 0.145
补勘+详勘勘察孔在隧道基础范围内形成了3条勘探线，每条勘探线上勘探点间距
为50.0 m，该勘探布置形式准确描述了地层分布，可准确指导地基加固深度。详
勘报告中推荐了初始孔隙比、压缩指数、再压缩指数、压缩模量及部分土层回弹模
量等沉降计算参数，①1~①3黏土层定义为正常固结土-欠固结土；②~③黏土层
定义为正常固结土-超固结土，并趋向于正常固结，报告中未提供次固结系数。补
充勘察报告与详勘对第一大土层判定相同，判定为欠固结土-正常固结土，但其余
黏土均判定为超固结土，同时报告中提供了超载比OCR数值，且补勘报告提供了
不同工况荷载下的次固结系数。
2 基础加固方案
根据荷载变化要求及地质条件的差异，隧道基础采用5种方式，分别为:1）经过预
压过的天然地基基础；2）经过预压且设置PHC管桩的刚性桩复合地基基础；3）
经过预压且打设高压旋喷桩的半刚性桩基础；4）挤密砂桩柔性桩复合地基基础；
5）未经处理的天然地基基础。隧道敞开段荷载较小，采用经过大超载比预压过的
天然基础；暗埋段荷载相对较大，采用 刚性桩复合地基基础，通过调整管桩间距
实现暗埋段与敞开段基础过渡；沉管段前两个小关节采用高喷桩复合地基基础，以
协调暗埋段刚性桩复合地基与沉管过渡段挤密砂桩复合地基刚度；沉管过渡段采用
挤密砂桩复合地基，通过调整挤密砂桩置换率实现刚度平缓过渡；沉管中间深埋段
基槽开挖深度大，基础为超固结老黏土或密实砂土，原状土不予处理。通过调整桩
的间距及打设深度，使刚性桩复合地基、半刚性桩复合地基、柔性桩复合地基及天
然地基刚度平缓过渡，确保基础均匀沉降以避免过大差异沉降产生破坏结构的内力，
基础加固方案见图1。
图1 隧道基础加固方案
3 沉降计算方法及参数选取
3.1 挤密砂桩（SCP）复合地基沉降计算
1）建筑地基基础设计规范。
《建筑地基基础设计规范》[3]5.3.5节给出了通用的沉降计算公式（1），式中ψs
根据当量模量查表确定，当量模量计算公式为式（2）。但《建筑地基基础设计规
范》[1]中没有明确复合地基沉降计算方法。
《建筑地基基础设计规范》[4]明确了复合地基沉降计算方法，如式（3），式中系
数ψsp根据式（4）计算的当量模量查表确定。复合地基模量Espi为天然地基模
量的ξ倍，系数ξ为复合地基承载力fspi与天然地基承载力fsi的比值。
2）建筑地基处理技术规范。
JGJ 79—2002《建筑地基处理技术规范》[5]砂石桩复合地基沉降计算方法，如式
（3）~（4），但式（4）中复合地基压缩模量Espi如式（7）。
式中：m为砂桩置换率；n为桩土应力比。
即将实行的《建筑地基处理技术规范》[6]砂石桩复合地基沉降计算方法，如式（3）
~（6）。
3）日本规范。
挤密砂桩技术在日本已比较成熟，挤密砂桩复合地基沉降计算已编入规范。
Technical standards and commentaries for port and harbor facilities in
Japan[7]和日本综合建设株式会社编制的《海上挤密砂桩工法设计、施工手册》
采用了相同的沉降计算方法，即挤密砂桩复合地基s为原状土地基沉降s0与沉降
折减比βc的乘积，βc是置换率m与桩土应力比n的函数。图2为日本实测资料
中沉降折减比与置换率的关系，一般桩土应力比n=4计算结果与实测值相近。
图2 沉降折减比与置换率的关系
由于挤密砂桩的特殊成桩工艺以及其在日本成功广泛的应用，本工程基础设计采用
日本规范进行计算。
3.2 高压旋喷桩复合地基沉降计算
《建筑地基处理技术规范》[3]水泥土搅拌桩复合地基压缩变形s1如式（11）。
式中:pz为搅拌桩复合土层顶面附加压力值；pzl为搅拌桩复合土层底面附加压力
值；Esp为复合土层压缩模量；Ep为桩体压缩模量，取100~120fcu（桩体抗压
强度）。
根据《建筑地基处理技术规范》[3]规定，高压旋喷桩复合地基依据式（1）计算，
复合土层压缩模量根据地区经验确定。
《建筑地基处理技术规范》[4]旋喷桩复合地基沉降计算符合式（3）~（6），水
泥土搅拌桩沉降计算符合式（11）~（12）。
当高喷桩成桩质量较好，桩体强度较高，按式（11）~（12）计算的复合地基压
缩模量偏大而使沉降计算值小于实际值。鉴于岛隧工程地质条件及场地施工状况特
点，检测结果表明高喷桩成桩质量较差、桩体强度较低，故本工程高喷桩复合地基
沉降计算参照地基处理技术规范中水泥土搅拌桩沉降计算模式。
3.3 PHC刚性桩复合地基沉降计算
《建筑地基基础设计规范》[2]及《建筑地基处理技术规范》[3-4]规定复合地基沉
降计算符合式（3）~（6）。刚性桩复合地基沉降主要计算参数为原状土压缩模量、
原状土承载力及复合地基承载力，原状土及复合地基承载力用于确定系数ξ，压缩
模量用于计算原状土沉降。规范规定的原状土沉降计算方式依托于准确的压缩模量，
压缩模量为土的自重压力-土的自重压力与附加压力之和的压力段的模量，而勘察
报告中一般给出100~200 kPa压力段的压缩模量，所以沉降计算时较难找到相对
应的模量，故可采用其它土力学参数进行计算，如压缩系数a，体积压缩系数mv，
压缩指数Cc和再压缩指数Cs。
3.4 原状土地基沉降计算
挤密砂桩复合地基和PHC桩复合地基沉降计算依托于原状土地基沉降，而原状地
基沉降可按照式（1）进行计算，也可采用式（13）~（17）计算[8]。
式（13）中沉降计算参数avi，mvi及Esi不是恒定值，而是随计算土层有效应力
发生变化的。由于试验条件的限制，勘察报告中一般只给出100~200 kPa压力段
的压缩模量，有特殊要求时亦提供200~300 kPa或300~400 kPa压力段的压缩
模量，这些限定压力段的压缩模量不能准确反映某一土层的真实模量，设计人员预
计采用式（13）进行计算时，应根据实际的工况荷载条件要求勘察单位提供特定
压力段的压缩模量。
式（14）和（15）适用于正常固结土的固结沉降计算，采用式（14）计算时，先
将点（e，p）绘制e-p曲线拟合一个二次多项式以便每个计算土层的有效应力p
都能对应一个e值，然后分层按照式（14）计算。为使拟合曲线更准确一般将e-
p曲线转换为e-ln(1+p)曲线，以详勘粉质黏土层e-p曲线拟合为例，结果见图3
和4，e-ln(1+p)曲线有效应力超过50 kPa后拟合相关度更高。正常固结土也可
采用式（15）计算，宜通过高压固结试验确定压缩指数Cc。
对于超固结土，应采用e-lgp曲线求先期固结压力pci，然后根据超固结的程度，
分下列两种情况进行沉降计算，当p0i+Δp≤pci时采用式（16）计算分层土i的
沉降量；当p0i+Δp＞pci时采用式（17）计算分层土i的沉降量。
图3 e-p拟合曲线
图4 e-ln(1+p)拟合曲线
本工程隧道敞开段采用天然地基作为隧道基础，其范围内的土质为超固结土或为经
过预压的拟超固结土（施工期预压应力远大于运营期荷载，且固结度达到了90%
以上），故沉降计算宜采用压缩指数Cc和再压缩指数Cs进行计算。
3.5 次固结沉降计算
浅埋段隧道基础尚残存较厚的软黏土，正确评价该软土层次固结沉降量Ss也是节
省工程造价及保证工程安全的关键。国际上通用的次固结沉降公式（18）[9]，次
固结沉降计算关键在于次固结系数Cе的确定，国内外有很多学者建立了含水量、
液限、压缩指数等参数与次固结系数的关系，《Technical standards and
commentaries for port and harbor facilities in Japan》[5]推荐采用压缩指数
推算次固结系数，如式（19）。Secondary Comparession of Peat With or
Without Surchargeing[7]研究表明经过预压的软土次固结系数随超载比的增大而
递减，例如当超载比为2.0时次固结系数可折减约0.2倍。本工程隧道基础岛上段
采用降水联合堆载预压大超载比进行预压，原状土次固结系数应显著折减，为准确
评估次固结系数设计要求采用与实际工况相一致的应力环境进行次固结试验。
式中:e0为初始孔隙比；h为土层厚度；t为次固结发生时间（港珠澳大桥使用寿
命120 a，t=120 a）；Cc为压缩指数。
3.6 指标的选取
详勘与补勘报告中基本的物理指标密度、含水量、孔隙比、液塑性等较一致，主要
压缩指标压缩模量、压缩指数、再压缩指数等相近但稍有差别。详勘判定上部软黏
土为正常固结-欠固结状态，下部黏土为正常固结-稍超固结状态，趋向于正常固结，
报告中未明确超固结比具体数值。补勘中对于上部软土的判定与详勘相同；下部黏
土判定为超固结土，并明确了超固结比。隧道岛上段基础经过了大超载比预压，原
状正常固结土-欠固结土经预压后相对运营期荷载为超固结状态（命名为拟超固
结），经过预压后隧道基础下整个黏土层都为超固结状态，原状土沉降计算参数应
采用考虑应力历史的e-lgp沉降计算相关参数Cc和Cs以及超固结比OCR。次固
结系数虽然可利用压缩指数、液限指数、含水量及超固结比等推算，但根据现场实
际应力路径做出的次固结系数更为可靠，补勘报告中室内试验根据现场荷载情况加
卸载，在加卸载的过程中进行固结试验获取次固结系数。综上述，本工程设计过程
中地基沉降计算参数采用表2中的密度、孔隙比、超载比、压缩指数、再压缩指
数及次固结系数。
4 结语
1）沉降控制是港珠澳大桥岛隧工程隧道基础设计的关键，设计团队依托于详尽的
勘察报告分析比较不同基础处理形式的沉降计算方法。同时分析比较详勘及补勘报
告中沉降计算参数，根据基础加固形式及沉降计算方法确定最终采用的沉降计算参
数。
2）挤密砂桩复合地基沉降计算公式应符合文献[7]的规定。
3）根据本工程已检测的高喷桩成桩质量及高喷桩现场施工难度，高喷桩桩体强度
差，推荐采用《建筑地基处理技术规范》[4]中水泥土搅拌桩复合地基沉降计算方
法。
4）PHC刚性桩复合地基沉降计算应符合《建筑地基基础设计规范》[2]及《建筑
地基处理技术规范》[4]复合地基沉降计算方法。
5）鉴于隧道基础黏土层超固结或拟超固结特性，原状土地基沉降计算采用考虑应
力历史的沉降计算参数压缩指数Cc，再压缩指数Cs以及超固结比OCR。
6）超载预压地基土的次固结系数应根据超载比的大小予以折减，本工程为更准确
评估次固结沉降量，测定次固结系数土工试验加载过程与现场加载过程相同。
7）补勘报告推荐了考虑应力历史的沉降计算参数Cc，Cs以及OCR，并提供了根
据现场实际应力状态下测定的次固结系数，故本工程沉降计算参数参照补勘数据。
8）本工程依据变化的荷载及地质条件采用了多种基础加固方式，应用了柔性桩、
半刚性桩、刚性桩复合地基以及考虑应力历史的天然地基计算方法，为类似工程沉
降计算提供思路。本文仅对隧道基础沉降计算进行综述，隧道基础设计团队将根据
后期沉降数据验证沉降计算方法及沉降计算参数选取，并根据监测数据指导沉降计
算公式中参数的修正。
参考文献：
[1] 中交第四航务工程勘察设计院有限公司. 港珠澳大桥主体工程岛隧工程补充地
质勘察隧道区工程地质勘察报告[R]. 广州: 中交第四航务工程勘察设计院有限公司,
2012.
[2] 中交第二航务工程勘察设计院有限公司. 港珠澳大桥主体工程施工图阶段工程
地质勘察报告[R]. 武汉: 中交第二航务工程勘察设计院有限公司, 2010.
[3] GB 5007—2002 建筑地基基础设计规范[S].
[4] GB 5007—2011 建筑地基基础设计规范[S].
[5] JGJ 79—2002 建筑地基处理技术规范[S].
[6] JGJ 79—2012 建筑地基处理技术规范[S].
[7] Ports and harbours bureau,technical standards and commentaries for
port and harbor facilities in JAPAN[S].Tokyo:The Overseas Coastal Area
Development Institute of Japan,2009.
[8] 陈仲颐. 土力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 1997.
[9] 工程地质手册编写委员会. 工程地质手册[M]. 4版. 北京: 中国建筑工业出版社,
2007.
[10] Mesri G. Sencondary compression of peat with or without
surcharging[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental
Engineering,1997(5): 411-421.