真空預壓加固法在天津港東疆港區(qū)的應用與展望

白立華，劉烽，諸葛愛軍

（1.天津港（集團）有限公司，天津 300456；2.天津港東疆建設開發(fā)有限公司，天津 300456；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222）

1 概述

天津港東疆保稅港區(qū)位于天津港東疆港區(qū)，是中國目前功能最全、政策最優(yōu)惠、開放度最高的特殊經(jīng)濟區(qū)。目前東疆港區(qū)30 km2已經(jīng)全部成陸，東疆二島的規(guī)劃工作已經(jīng)啟動，東疆港區(qū)將迎來新的建設高潮。東疆港區(qū)的陸域形成主要是利用港池和航道疏浚土吹填造陸而成。由于新近吹填軟土地基的承載力較低，當上部結(jié)構(gòu)作用于其上時，會發(fā)生比較大的沉降變形，從而對構(gòu)筑物造成一定的危害，因此，需要在使用前對其進行加固。目前東疆港區(qū)地基加固主要采用排水固結(jié)法，其中以真空預壓法應用最為普遍[1]。

2 東疆港區(qū)真空預壓設計

2.1 工程地質(zhì)條件

天津港東疆港區(qū)是典型人工吹填造陸形成的人工島，其地基土主要分為兩大層，上部6～7 m為近期人工吹填形成的吹填土，其下為Q4后期海相沉積土。主要土層有粉細砂（1-1）、淤泥（1-2）、淤泥質(zhì)黏土（2-1）、淤泥（2-2）、淤泥質(zhì)黏土（2-3）、粉質(zhì)黏土及黏土（2-4）。除表層吹填粉細砂外，其余土層均具有高含水率、高壓縮性、低強度、低透水性的特點。同時由于該類土層的沉積歷史比較短，在自重應力下地基土并沒有完全固結(jié)，未經(jīng)處理無法滿足上部結(jié)構(gòu)的使用要求。

2.2 主要加固方法及設計概況

目前，東疆港區(qū)通常采用“真空預壓法”或“真空聯(lián)合堆載預壓法”進行軟基加固[2-3]。隨著中粗砂資源日趨緊張，技術(shù)人員在傳統(tǒng)真空預壓法的基礎(chǔ)上，對真空預壓的排水方式進行改進，提出了直排式真空預壓法，目前該方法在東疆港區(qū)應用較為廣泛。

東疆港區(qū)真空預壓主要設計參數(shù)如下：膜下真空度穩(wěn)定保持在86 kPa以上，膜上荷載視具體工程情況而定，抽真空有效天數(shù)一般為80～120 d。豎向排水通道采用塑料排水板，其間距一般為800～900 mm，正方形布置，排水板底標高-8.0～-14.5 m。根據(jù)不同的使用要求，通過固結(jié)度和卸載時的沉降速率控制卸載。部分典型工程設計參數(shù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 東疆港區(qū)典型工程設計參數(shù)

3 東疆港區(qū)真空預壓施工控制要點

3.1 主要施工流程

主要施工流程為：鋪設土工布→吹填粉細砂工作墊層→鋪設中粗砂排水層（直排式可省略）→打設塑料排水板→埋設監(jiān)測儀器→埋設濾管→鋪設1層土工布→開挖密封溝→鋪設2～3層密封膜→安裝抽真空設備→抽真空（真空監(jiān)測）→吹填膜上粉細砂（聯(lián)合堆載）→恒載抽氣→卸載。

3.2 施工控制要點

真空預壓各施工環(huán)節(jié)互相影響，任何過程的疏忽都會直接影響加固效果，本文重點介紹施工中幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制要點。

3.2.1 粉砂工作墊層的施工

吹填粉細砂工作墊層是真空預壓各道工序的基礎(chǔ)工作，吹填質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)工程能否正常進行。粉細砂吹填過程中應根據(jù)總厚度及原泥面承載力情況分層吹填，避免局部地區(qū)吹填過厚或沉降量過大而導致周邊出現(xiàn)隆起。吹填粉細砂時管口應及時移動，保證吹填粉細砂均勻，避免出現(xiàn)嚴重高低不平現(xiàn)象。當出現(xiàn)局部隆起現(xiàn)象時，可采用袋裝砂從隆起中間區(qū)域向四周進行壓護，視情況可安排作業(yè)人員在袋裝砂上面踩踏，以減小隆起高度。上述工作完成后再進行吹填施工。

3.2.2 塑料排水板的打設

在真空預壓過程中，塑料排水板除了排水外，還擔負著傳遞真空壓力的作用，因此塑料排水板打設的好壞直接影響工程成敗。塑料排水板打設主要控制以下幾點：

1）原材料質(zhì)量。塑料排水板施工前嚴把材料進場關(guān)，排水板外觀質(zhì)量、克重不能滿足設計要求時堅決予以退場。所有指標試驗合格后方能投入使用。

2）打設過程控制。打設塑料排水板時，應在導管與打設架上做標記進行標識，每臺打設架配備標識牌，做到責任明確。塑料排水板打設時，必須理順板面，防止板面扭結(jié)進入套管。排水板施工過程中嚴格控制排水板垂直度、外露長度、平面位置以及回帶現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)超出規(guī)范規(guī)定值時必須及時糾正，杜絕淺打、漏打等嚴重質(zhì)量問題。打設完成后及時用中粗砂填滿板周圍的孔洞，清理加固區(qū)雜物和打設過程中回帶到砂面的淤泥，確保砂墊層的排水通暢，同時確保每根排水板按照設計間距、深度打設到位、保證豎向排水暢通。

3.2.3 水平排水系統(tǒng)的施工

常規(guī)真空預壓水平排水系統(tǒng)采用黃砂墊層，施工過程簡單，只要管理到位，質(zhì)量容易得到保證。

直排式真空預壓施工過程控制比較困難，見圖1。

圖1 水平排水系統(tǒng)施工圖

直排式真空預壓最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是濾管與排水板的連接，如果連接不牢或被堵塞，將直接影響排水效果。直排式真空預壓因去除了中粗砂墊層，打板后容易出現(xiàn)返泥現(xiàn)象，濾管綁扎之前應保證排水板板頭的清潔，保證濾管周圍的粉細砂層不被污染，同時必需保證濾管和三通、四通連接可靠。對于返泥嚴重的區(qū)域，應采取特殊措施進行處理，必要時可以沿濾管周圍鋪設“中粗砂溝”，以確保橫向排水的暢通。

3.2.4 密封膜及壓膜溝的施工

密封系統(tǒng)是真空預壓能否形成真空壓力的關(guān)鍵，因此除了選擇質(zhì)量合格的密封膜外，施工過程中還應注意以下幾點：1）壓膜溝必需挖透粉細砂墊層，并且進入不透氣土層以下0.5 m以上；2）當加固區(qū)邊界透水透氣層較深時，密封措施宜采用黏土密封墻。黏土密封墻厚度不宜小于1.2 m，拌合后墻體的黏粒含量應大于15%，滲透系數(shù)應小于1×10-5cm/s；3）真空預壓施工過程中，膜上應有一定深度的覆水。

需要說明的是：為了提高效率，壓膜溝的開挖可以采用機械開挖，但應注意對排水板的保護，如果排水板被挖斷，應在挖完后接長，并引至水平排水墊層中。

3.2.5 真空預壓過程控制

真空預壓過程中應使膜下真空壓力始終保持在設計荷載之上，嚴格控制開泵率，并對整個真空預壓加固過程進行動態(tài)監(jiān)測。

4 真空預壓的改進與發(fā)展

4.1 無砂墊層法加固技術(shù)

目前作為排水墊層的中粗砂資源越來越緊張，吹填粉細砂受諸多原因影響也不能保證供應。研究人員對真空預壓部分技術(shù)進行改進，采用人工合成材料替代傳統(tǒng)材料，提出了以土工布與軟式透水波紋管或土工布和海綿與軟式透水波紋管組合作為真空預壓新型水平排水體的方法。經(jīng)試驗驗證，能夠滿足新近吹填軟土前期地基處理要求。

天津港研院的工程技術(shù)人員在理論研究和室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，提出了無砂墊層法真空預壓，該方法在東疆港區(qū)已經(jīng)進行了現(xiàn)場試驗工作，試驗結(jié)果表明該方法能夠達到常規(guī)真空預壓的加固效果。

4.2 真空預壓二次加固技術(shù)

隨著圍海造陸不斷向深水發(fā)展，表層吹填土的厚度大大增加。大量工程實踐表明，表層吹填土加固過程中雖然能夠發(fā)生較大的沉降，且地基土強度有較大幅度提高，但絕對值仍然很低，逐漸成為真空預壓加固的瓶頸。針對上述情況，在對新近吹填土真空預壓模型試驗研究的基礎(chǔ)上提出二次插板的方法[4]，解決了一次加固過程中存在的一些問題。目前二次插板的方法已經(jīng)應用在新吹填超軟土地基加固工程中。

4.3 增壓真空預壓

針對吹填土表層的瓶頸問題，在常規(guī)真空預壓的基礎(chǔ)上，提出增壓式真空預壓法。該方法對現(xiàn)有真空預壓加壓方式進行改進，在原有的塑料排水板間的土體內(nèi)設置加壓管，加壓管的深度與吹填土厚度基本一致。當正常抽真空一段時間后，地基土強度有所提高，增壓管開始工作。通過增加排水板中心處土體與排水板內(nèi)的壓力差，達到改善加固效果的作用。該方法已在東疆港區(qū)有過應用，但其加固機理及適用范圍還有待進一步研究。

5 東疆二島建設展望

東疆二島初步規(guī)劃面積達40 km2，根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗分析，真空預壓法還將是該區(qū)域地基加固的首選方案。鑒于其特殊的地理位置，筆者認為東疆二島在建設開發(fā)的過程中將面臨諸多問題需要解決，本文就地基處理工作提出幾點建議：

1）合理進行吹填方案的設計，保證吹填土的均勻性。吹填淤泥造陸的成功，取決于吹填泥漿能否在預定時間內(nèi)落淤、固結(jié)，并達到可進行地基處理的初始狀態(tài)，這是由原狀海相淤泥的物質(zhì)組成及物理力學性質(zhì)等吹填特性所決定的。天津濱海新區(qū)海相淤泥用于吹填造陸是可行的，但是如何合理組織吹填對于真空預壓加固的難易程度及工程投資有著重要的影響。在吹填過程中應合理地進行管線布置，在主干管線上預留吹填分支口，避免粒徑較大的土體在吹填口沉積過多或局部土體黏粒含量過高，影響后續(xù)真空預壓的施工。

2）適當增加吹填泥面高度，以節(jié)省工程投資。東疆港區(qū)目前吹填泥面標高為＋5.0 m左右，如果沉降量按2.0 m計算，加固后的標高為＋3.0 m左右，這與目前上部構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)層底標高有近1.5 m左右的高差，這就意味著需要通過回填山皮土或者在施工過程中吹填膜上粉細砂補足標高，隨著山皮土價格的不斷上漲及粉細砂資源的日益緊張，單純依靠該方法的代價將會越來越大，因此筆者認為，在二島的建設中可以適當增加吹填泥面的高度，盡可能減少加固后回填或者吹填的工作量，從而節(jié)省工程投資。施工過程中，為了避免造成周邊圍埝尺寸過大，可以考慮吹填至一定標高后再修筑子埝，以減少工程投資。

3）合理確定排水板間距、深度及有效抽真空時間。塑料排水板的間距與有效抽真空時間直接相關(guān)，通過對天津港地區(qū)排水板間距、有效抽真空時間以及工程造價進行分析，認為天津港地區(qū)的排水板間距為0.8～1.0 m相對比較合理，對于工期要求不是很嚴格的工程可以采用較大的排水板間距以節(jié)省工程造價；對于工期較為敏感的工程采用較小的排水板間距較為合理；對于上部吹填土土性較差的情況，可以適當減小吹填土層的排水板間距，或者在排水板中間“插芯”以減小吹填土層的排水路徑，從而保證加固效果。

此外，對于上部使用荷載較小的工程，可以適當減小排水板的深度，把加固的重點放在吹填土層上，消除上部土層的殘余沉降，在上部形成硬殼層，滿足一般場地的地基承載力要求。對于下部土層，因為沒有排水通道且土體滲透性很差，排水路徑很長，土體僅依靠豎向固結(jié)，在場地使用年限內(nèi)沉降很小。該方法在理論上已經(jīng)進行過研究，施工中的一些關(guān)鍵問題也已經(jīng)得到解決。

4）工期允許的前提下，盡可能增加晾曬的時間。目前，技術(shù)上已經(jīng)解決新吹填的超軟土地基加固問題，但是施工過程中往往需要鋪設大量的土工合成材料以提供工作墊層，這無疑會大大增加工程投資。結(jié)合大量的工程經(jīng)驗，吹填土在吹填完成后1 a左右，依靠自身的落淤及晾曬后在表層能形成50～70 cm的硬殼層。因此在工期允許的前提下可以利用該硬殼層作為工作墊層，以減少工程投資，同時還能保證工程質(zhì)量。

5）積極探索使用真空預壓新技術(shù)，解決真空預壓瓶頸問題。隨著造陸區(qū)域不斷往外海延伸，東疆二島范圍涂面標高預計在-2.0～-3.0 m左右，上部吹填土層的厚度將達到近8～10 m左右，這就意味著加固過程中地基土將會發(fā)生更大的沉降量。由于吹填土層的沉降量過大，塑料排水板在土體中往往會發(fā)生彎曲，嚴重時將造成排水板失效，從而影響加固質(zhì)量，比較好的解決方法是進行二次加固。通過第一次加固使吹填土層的沉降量盡可能發(fā)生，從而保證第二次加固的效果。

6）合理組織，避開冬季施工。天津港地區(qū)冰點一般為-2℃左右，低于該溫度施工往往會出現(xiàn)一系列問題，例如：①冬季施工效率會明顯降低；②塑料排水板打設過程會受到表層凍土的影響；③濾管及排水板容易出現(xiàn)凍結(jié)情況，影響排水效果；④吹填膜上粉細砂工作主要采用海上運輸，冬季施工船舶航行有一定的安全隱患等等。因此建議真空預壓施工應盡可能避開冬季。

7）加強過程控制，保證工程質(zhì)量。真空預壓作為一種常用的地基加固方法，其加固機理、設計方法和施工工藝已經(jīng)較為成熟。但是由于真空荷載是動態(tài)荷載，施工過程需要進行一定的監(jiān)控。東疆二島的建設過程將面臨許多新的技術(shù)問題，因此進行必要的監(jiān)測及檢測，利用實測數(shù)據(jù)指導工程施工和完善設計顯得尤為重要。

6 結(jié)語

1）通過多年的工程實踐，真空預壓法已廣泛應用在天津港東疆港區(qū)的工程建設中，該方法的獨特優(yōu)勢，保證了東疆港區(qū)地基加固能夠快速有效的實施，為工程建設節(jié)省了大量投資，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2）施工過程控制是保證真空預壓加固效果的重點，在施工過程中應對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行嚴格控制，從而保證工程質(zhì)量。

3）東疆二島工程建設將面臨新的挑戰(zhàn)，吹填造陸的過程中應本著合理規(guī)劃、精心組織、嚴格控制的原則進行。在工程實施過程中，可以借鑒已有的工程經(jīng)驗，采用一些新工藝、新方法，在保證工程質(zhì)量前提下，盡可能降低工程投資。

[1]陳環(huán).真空預壓法機理研究十年[J].港口工程，1994（4），17-25.

[2]JTS 147-2—2009，真空預壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程[S].

[3]天津濱海地區(qū)吹填土地基負荷層快速加固技術(shù)應用規(guī)程[R].天津港（集團）有限公司，中交天津港灣工程研究院有限公司，2009.

[4]楊愛武，閆澍旺.真空預壓部分改進技術(shù)處理吹填軟土[J].天津大學學報，2011（6）：477-483.