海上擠密砂樁工法及其在港珠澳大橋島隧工程的應(yīng)用

林 鳴，梁 桁，劉曉東，李建宇

（中交股份聯(lián)合體港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部，廣東 珠海 519080）

1 港珠澳大橋島隧工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海及澳門的大型跨海通道。大橋工程包括海中橋隧主體工程、香港、澳門、珠海三地口岸及連接線工程，海中橋隧主體工程全長約29.6 km，采用橋隧組合方式，島隧工程是大橋的控制性工程[1]，包括兩個長度為625 m的隧道人工島及5 664 m長的海中沉管隧道，島隧工程是當(dāng)今世界同類工程綜合技術(shù)難度最大的工程之一。

島隧工程平均水位+0.54 m，原海床面標(biāo)高約-8.0～-10.0 m，主要分布四大土層，第一層淤泥、淤泥質(zhì)黏土，厚度3.5～25.4 m，標(biāo)貫擊數(shù)＜1；第二層黏土，厚度0.6～10.5 m，標(biāo)貫擊數(shù)約12.5；第三大層黏土、粉質(zhì)黏土，厚度0.9～39.3 m，標(biāo)貫擊數(shù)12.9～24.4擊；第四大層為密實(shí)砂層。不論是人工島填筑還是沉管隧道斜坡段的基礎(chǔ)，即便經(jīng)過局部開挖換填，仍需對厚度達(dá)10～20 m的高壓縮性軟土進(jìn)行加固處理。

東、西隧道人工島采用深插式鋼圓筒形成止水型島壁結(jié)構(gòu)，島壁外設(shè)拋石斜坡堤，采用低置換率擠密砂樁復(fù)合地基基礎(chǔ)，島內(nèi)采用降水聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟土地基。

沉管隧道共分為33節(jié)依次為E1、E2、E3、…E32、E33，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長度180 m，其中E7～E29管節(jié)基礎(chǔ)為天然地基，E1～E6及E30～E33管節(jié)下軟土層較厚需進(jìn)行處理，為控制沉降并實(shí)現(xiàn)隧道地基剛度的平順過渡，這些區(qū)域采用高置換率擠密砂樁復(fù)合地基。

為適應(yīng)工程區(qū)域嚴(yán)格的環(huán)保要求，島隧工程地基處理采用了擠密砂樁這種環(huán)保的軟基處理方法，本文主要介紹擠密砂樁復(fù)合地基在島隧工程不同區(qū)段的設(shè)計(jì)與施工。本工程共投入7條砂樁船，圖1為正在作業(yè)的砂樁6號，圖2、圖3為低置換率和高置換率擠密砂樁的分布范圍，圖4、圖5為低置換率和高置換率擠密砂樁典型斷面圖。

2 擠密砂樁加固原理及特點(diǎn)

2.1 加固機(jī)理

擠密砂樁（SCP） 不同于陸上一般采用的砂樁，它的原理是在軟基上用振動錘把套管沉入到要求的深度，填入中粗砂并向下擠壓使砂樁擴(kuò)徑，使其周圍地基發(fā)生側(cè)向擠壓而使地基密實(shí)的一種加固方法[2-3]。對松散砂土地基，SCP的主要作用是成樁時對周圍砂層產(chǎn)生擠密作用以及振密作用；對軟弱黏土層地基，SCP的作用主要是置換和排水作用，一般高置換率SCP考慮置換作用，低置換率SCP只考慮排水固結(jié)作用，其作用形式與置換率的關(guān)系見圖6。實(shí)施SCP可通過高強(qiáng)度砂樁與軟弱地基形成復(fù)合地基，使之對上部荷載的承載力增強(qiáng)，包括排水效果在內(nèi)的地基整體剛度增加，滑動阻力增加，沉降減少，側(cè)向流動減少。

2.2 擠密砂樁工法特點(diǎn)

1） 施工作業(yè)區(qū)域廣。砂樁船不僅可在內(nèi)河及近海區(qū)域作業(yè)，也可進(jìn)入條件惡劣的外海區(qū)域，目前島隧工程在外海已成功完成了6 000多根擠密砂樁。

2） 樁徑大、成樁長。擠密砂樁套管一般0.8~1.0 m，在淤泥中可形成最大2.0 m的樁徑，通過調(diào)節(jié)樁架可實(shí)現(xiàn)最深70 m樁長。

3）砂樁自動化程度高，施工速度快。

4）先進(jìn)的GPS定位系統(tǒng)，打樁定位準(zhǔn)確。

5） 快速提高承載力及消除沉降。形成高置換率擠密砂樁（島隧工程中最大置換率達(dá)到70%），快速提高地基承載力。在超大氣壓反復(fù)沖擊作用下，樁體密實(shí)度高（標(biāo)貫擊數(shù)可達(dá)20~45擊），地基整體沉降小。

6） 消除不均勻沉降。擠密砂樁形成的柔性樁復(fù)合地基，有利于消除不均勻沉降。

7） 加速軟土排水固結(jié)速度。擠密砂樁樁徑大，樁間距小，排水距離短，排水固結(jié)速度快。

8）擠密砂樁用料環(huán)保無污染。

3 港珠澳大橋島隧工程SCP設(shè)計(jì)

3.1 低置換率擠密砂樁設(shè)計(jì)

為保證鋼圓筒外側(cè)拋石斜坡堤在施工期及使用期穩(wěn)定，斜坡堤基礎(chǔ)設(shè)置低置換率擠密砂樁，見圖4。

3.1.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)流程見圖7，通過試算拋石斜坡堤施工期及使用期穩(wěn)定所需置換率為25%。通過典型試驗(yàn)確定SCP樁徑為1 600 mm（樁管φ1 000 mm）。樁間距宜根據(jù)施工船配備的套管間距確定，套管懸掛間距為5.4 m，樁間距設(shè)置為2.7 m×2.9 m，其中2.7 m由施工船套管間距決定，2.9 m可通過調(diào)整船位確定，實(shí)際SCP置換率為25.6%。

圖7 設(shè)計(jì)流程圖

3.1.2 穩(wěn)定計(jì)算

1）施工期穩(wěn)定計(jì)算

土層采用快剪指標(biāo)，只考慮擠密砂樁的置換作用，不考慮海側(cè)護(hù)岸結(jié)構(gòu)施工過程中的地基土強(qiáng)度增長，復(fù)合土體綜合強(qiáng)度指標(biāo)采用面積比法計(jì)算。

2）使用期穩(wěn)定計(jì)算

使用Ⅰ期：使用前期，鋼圓筒仍然存在，假設(shè)圓弧不經(jīng)過圓筒。砂樁處理區(qū)土層以及島內(nèi)排水板處理部分的土層采用固快指標(biāo)，其它均采用快剪指標(biāo)。

使用Ⅱ期：使用后期，圓筒腐蝕、變薄，即假設(shè)圓筒不存在，在這種情況下，砂樁處理區(qū)及圓筒以下土層在荷載作用下已經(jīng)固結(jié)，其范圍內(nèi)均采用固快指標(biāo)。

3） 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

施工期安全系數(shù)，簡單條分法（天津地基計(jì)算系統(tǒng)）≥1.0；

使用期安全系數(shù)，BISHOP法≥1.3～1.5；簡單條分法（天津地基計(jì)算系統(tǒng)）≥1.1～1.3。

3.2 高置換率擠密砂樁設(shè)計(jì)

沉管隧道基礎(chǔ)沉降要求嚴(yán)格，差異沉降不宜大于0.1%，地基處理方式須采用能有效控制沉降且容錯性高的地基處理手段，高置換率擠密砂樁是理想的地基加固方法?？拷魅斯u的E1~E6管節(jié)以及靠近東島的E30~E33管節(jié)基礎(chǔ)軟土層較厚，且荷載變化較大，為減少沉管管節(jié)殘余沉降及差異沉降，在E1~E6及E30~E33管節(jié)設(shè)置高置換率擠密砂樁，見圖5。

3.2.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)流程見圖8。

3.2.2 高置換率擠密砂樁設(shè)計(jì)方案

根據(jù)管節(jié)基礎(chǔ)附加荷載將擠密砂樁地基處理方式分為擠密砂樁+堆載預(yù)壓以及單獨(dú)擠密砂樁兩種方式。附加荷載≥0區(qū)段施打擠密砂樁后進(jìn)行水上堆載，砂樁起到排水及置換的雙重作用；附加荷載≤0的區(qū)段只設(shè)置高置換率擠密砂樁，僅考慮其置換作用。

圖8 設(shè)計(jì)流程圖

1）擠密砂樁+堆載預(yù)壓（附加荷載≥0區(qū)段）

根據(jù)荷載及軟土層厚度的變化，共設(shè)置70%、55%以及42%三種置換率的擠密砂樁，擠密砂樁直徑及間距見表1。

表1 擠密砂樁參數(shù)

2） 擠密砂樁（附加荷載≤0區(qū)段）

隨著沉管埋深加大，地基土所受附加荷載≤0，堆載對軟土加固效果不明顯。根據(jù)荷載及軟土層厚度的變化，擠密砂樁布置見表2。

表2 擠密砂樁參數(shù)

承載力及沉降計(jì)算與擠密砂樁+堆載預(yù)壓區(qū)段相似，承載力計(jì)算時采用快剪指標(biāo)。

3.2.3 高置換率擠密砂樁設(shè)計(jì)計(jì)算

1） 承載力計(jì)算

本文同時采用理論和半經(jīng)驗(yàn)半理論方法進(jìn)行承載力計(jì)算。

①樁、土承載力復(fù)合法

復(fù)合地基承載力可根據(jù)樁體承載力及樁間土承載力疊加確定：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fpk為樁體承載力特征值，kPa；fsk為堆載預(yù)壓區(qū)按處理后樁間土承載力特征值，kPa；m為樁土面積置換率。

②綜合物理力學(xué)性能指標(biāo)法

Terzaghi地基承載力計(jì)算公式：

式中：fu為地基極限承載力，kPa；ck為基底下一倍基礎(chǔ)寬度的深度范圍內(nèi)土的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；γ0為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；d為基礎(chǔ)埋置深度，m；γ為基礎(chǔ)底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；b 為基礎(chǔ)寬度，m；Nγ，Nq，Nc為地基的承載力系數(shù)，由復(fù)合地基的內(nèi)摩擦角和黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值采用相應(yīng)公式計(jì)算。

③日本擠密砂樁復(fù)合地基承載力計(jì)算

根據(jù)日本擠密砂樁設(shè)計(jì)與施工手冊[3]，擠密砂樁復(fù)合地基承載力fa為：

式中：fa為擠密砂樁復(fù)合地基承載力容許值，kPa；fas為砂土地基承載力容許值，kPa；fac為黏土地基承載力容許值，kPa；m為樁土面積置換率；b基礎(chǔ)寬度，m；γs為砂的重度，kN/m3；Nγ為砂土地基的承載力系數(shù)，由圖9查??；Nc為黏土地基的承載力系數(shù)，由圖9查??；c為黏土的黏聚力，kPa；Fs為安全系數(shù)。

地基承載力計(jì)算結(jié)果表明：3種方法承載力計(jì)算結(jié)果相近。

2） 沉降計(jì)算

考慮擠密砂樁復(fù)合地基的應(yīng)力折減效應(yīng)，復(fù)合地基的沉降s按下式計(jì)算[4]：

式中：s為擠密砂樁復(fù)合地基沉降，m；s0為原土層地基沉降，m，采用分層總和法計(jì)算；βc為沉降折減比：

式中：n為應(yīng)力分擔(dān)比；m為樁土面積置換率。

沉降計(jì)算方法簡單，應(yīng)根據(jù)地方經(jīng)驗(yàn)或沉降觀測數(shù)據(jù)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。

3.2.4 高置換率擠密砂樁水下荷載板試驗(yàn)

為準(zhǔn)確掌握本項(xiàng)目條件下擠密砂樁復(fù)合地基承載力，施工圖設(shè)計(jì)階段在擠密砂樁置換率為62%區(qū)域進(jìn)行了水下載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)域擠密砂樁直徑1.6 m，樁間距1.8 m×1.8 m，置換率62%，承壓板尺寸5.4 m×5.4 m，加載分級見表3。

表3 荷載分級表

p-s曲線（圖10）無明顯陡降，復(fù)合地基尚未達(dá)到極限承載能力。承載力特征值可根據(jù)JGJ79—2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》取沉降s=0.015b對應(yīng)的應(yīng)力220 kPa?？梢?，淤泥經(jīng)62%置換率擠密砂樁加固后承載力顯著提高。

復(fù)合地基加載8 000 kN（274 kPa）時恒載約40 d，沉降-時間曲線見圖11。根據(jù)雙曲線法推算固結(jié)度91.1%，最終沉降17.5 cm，擠密砂樁排水固結(jié)效果好，工后殘余沉降小。

4 擠密砂樁（SCP）施工裝備及效率

4.1 SCP施工裝備

水上SCP施工需用專門的SCP施工船，參見圖1，目前國內(nèi)已有7條，均已在島隧工程作業(yè)，施工效率高，質(zhì)量優(yōu)良。各船性能詳見表4。

表4 島隧工程SCP施工船性能

4.2 施工效率

影響施工效率的因素很多，如土性、樁徑、樁長、天氣以及操作手的熟練程度，但總體上SCP施工速度較快，效率較高。島隧工程施工船打設(shè)一組（3根）樁用時約30~40 min，每條船每天平均打設(shè)SCP約10組，共約1 100 m3，加固面積約140 m2。

圖12 擠密砂樁施工工藝流程

5 施工及質(zhì)量控制

SCP施工過程為全自動控制，通過PC友好可視化界面操作，施工工藝流程及質(zhì)量控制要點(diǎn)說明如下。

施工工藝流程見圖12。施工注意事項(xiàng)：

1） 碎石墊層的設(shè)置。低置換率擠密砂樁打設(shè)前先拋填2.0 m排水碎石墊層，碎石墊層具有兩方面作用：保證擠密砂樁與碎石墊層相通，確保砂樁排水效果；通過碎石自身的重量抑制原狀土層在施打擠密砂樁過程中隆起。高置換率擠密砂樁施打過程中隆起較大，62%置換率區(qū)段拱起淤泥厚度約5.0 m，預(yù)拋2.0 m碎石不能抑制拱淤。合理措施：先施打擠密砂樁，擠密砂樁完成后清除隆起。

2） 合理確定擠密砂樁的施打順序。擠密砂樁施打順序決定拱起淤泥的運(yùn)動趨勢，根據(jù)場地及工程需要決定擠密砂樁的施打順序，人工島島壁擠密砂樁以圓筒為起點(diǎn)向島外方向打設(shè)，使拱起淤泥向遠(yuǎn)離圓筒的方向移動。

3） 根據(jù)泥面標(biāo)高監(jiān)測實(shí)時調(diào)整樁頂標(biāo)高。隨著砂樁施工的推進(jìn)，上覆碎石墊層發(fā)生1~2 m隆起，為保證砂樁與碎石墊層連通，造樁前測量預(yù)打樁位碎石標(biāo)高，以實(shí)測標(biāo)高為造樁頂標(biāo)高。

4） 確定樁底標(biāo)高。大面積施工前，在已有鉆孔附近進(jìn)行典型施工試驗(yàn)，通過典型試驗(yàn)確定樁管貫入速率與土的標(biāo)貫擊數(shù)（或CPT） 關(guān)系、擴(kuò)徑速率與土的標(biāo)貫擊數(shù)（或CPT） 關(guān)系，從而確定樁管停止貫入標(biāo)準(zhǔn)以及擠密砂樁停止擴(kuò)徑標(biāo)準(zhǔn)。

施工質(zhì)量控制：

1）根據(jù)施工記錄中拔起量、打入量及完成量（圖13擠密砂樁施工記錄）判斷樁徑是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

式中：r為樁管直徑；R為擠密砂樁直徑；h1為樁管拔起量；h2為擠密砂樁完成量。

2） 通過典型試驗(yàn)確定停止樁管貫入標(biāo)準(zhǔn)。在已有鉆孔附近試樁確定達(dá)到設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高時樁管貫入速率，大面積施工時可根據(jù)該貫入速率確定實(shí)際的樁底標(biāo)高。

3） 砂樁密實(shí)度檢測。通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢查成樁質(zhì)量，一般標(biāo)貫擊數(shù)大于20擊時成樁質(zhì)量較好。如標(biāo)貫擊數(shù)較低，宜改變施工參數(shù)或加大樁徑。

4） 樁間土檢測。高置換率擠密砂樁樁間土可不進(jìn)行檢測，原因有二：高置換率擠密砂樁置換作用顯著，原狀土地基發(fā)揮作用較??；樁間土所占比例較小，水上取土或原位試驗(yàn)實(shí)施困難。低置換率擠密砂樁樁間土可通過十字板、標(biāo)貫、靜力觸探或鉆孔取土檢驗(yàn)其加固效果。

6 應(yīng)用情況及前景

1）國內(nèi)外應(yīng)用情況

日本1956年開始應(yīng)用SCP施工工法，1960年開發(fā)了振動式的施工方法，1967年開始應(yīng)用于海上工程，并在日本得到廣泛的應(yīng)用。關(guān)西國際機(jī)場一期堤岸工程、橫濱市南本碼頭工程、東京灣海隧海橋公路人工島工程都成功地應(yīng)用了SCP工法。韓國將SCP技術(shù)應(yīng)用于釜山新港北港區(qū)集裝箱工程以及釜山公路沉管隧道工程中。釜山公路沉管隧道利用擠密砂樁復(fù)合地基控制基礎(chǔ)沉降，較好地實(shí)現(xiàn)與CDM復(fù)合地基及天然地基的過渡。

國內(nèi)，擠密砂樁應(yīng)用于洋山深水港東側(cè)港池臨時工作船碼頭工程。該工程在置換率60%的區(qū)域進(jìn)行了水下載荷試驗(yàn)，加載至737 kPa時載荷板沉降23.1 cm，未破壞，卸載后回彈約3.2 cm，擠密砂樁加固效果明顯。港珠澳大橋島隧工程大面積采用不同置換率及不同樁徑的擠密砂樁，擠密砂樁直徑分別為1.4 m、1.5 m和1.6 m，樁間距分別為1.8 m、2.2 m和2.7 m，置換率分別為26.5%、42%、55%、62%和70%，共打設(shè)SCP約120萬m3，將大大推動擠密砂樁技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用。

2） 國內(nèi)應(yīng)用前景

海上地基處理多采用開挖換填、CDM及SCP工法，深水開挖換填施工困難、污染環(huán)境，CDM工法水泥漿液污染環(huán)境、施工效率低且造價(jià)高，擠密砂樁具有環(huán)保、施工方便快捷、質(zhì)量可控、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，在水下軟基處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，需要根據(jù)我國實(shí)際情況，研究總結(jié)擠密砂樁復(fù)合地基計(jì)算分析理論及經(jīng)驗(yàn)公式、總結(jié)形成完整的施工工藝、質(zhì)量驗(yàn)評標(biāo)準(zhǔn)，為此工法的推廣及應(yīng)用建立依據(jù)。

[1]中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.港珠澳大橋主體工程島隧工程沉管隧道基礎(chǔ)工程（E1~E6-S2）[R].廣州：中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2012.

[2]莫景逸，黃晉申.擠密砂樁在海洋接岸地基加固工程中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2009，423（1）：62~68.

[3]社団法人地盤工學(xué)會.打戻し施工によるサンドコンパクションパイル工法設(shè)計(jì)施工マニュアル[M].2009.

[4] The Overseas Coastal Area Development Institute of JAPAN.Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilitiesin Japan[M].2009.