飽和回填砂及深厚軟土地基同步加固技術(shù)在港珠澳大橋人工島中的應(yīng)用

李建宇，王征亮，林佑高，肖仕寶

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

島隧工程是港珠澳大橋主體工程中投資規(guī)模最大、技術(shù)難度最高的一個標段，島隧工程包括為實現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換，在深水、軟基區(qū)域填筑的東、西人工島，超長、深埋沉管隧道以及部分非通航孔橋梁[1]。尹海卿[2]闡述了人工島和沉管隧道的設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)，人工島是島隧工程的基石，而地基處理技術(shù)是人工島最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，林鳴、孫洪春、沈永興等[3-7]從施工方面做過一些介紹，本文著重對人工島軟土地基加固及回填砂密實處理技術(shù)方法、機理及加固效果進行介紹。

1 人工島概況

1.1 港珠澳大橋島隧工程

島隧工程總長7 440.5 m，包括5 664 m沉管隧道、2個面積10萬m2的離岸人工島及長約700 m的橋梁。其中，東、西2座離岸人工島長度均625 m，最寬處183 m，采用中粗砂填筑成島。人工島一方面是沉管隧道始發(fā)點和終止點，決定著隧道開工工期，處于關(guān)鍵工期節(jié)點；另一方面做為支撐島上隧道的基礎(chǔ)（隧道又是島上房建的基礎(chǔ)），其地基沉降控制尤為重要。

1.2 人工島技術(shù)要點

1）人工島位于外海，受臺風(fēng)襲擊的概率大，處于關(guān)鍵施工節(jié)點，人工島填筑完成后需具備4~5 a基槽開挖干施工作業(yè)條件，采用大直徑鋼圓筒止水圍堰可以滿足這些施工條件及要求。鋼圓筒圍堰設(shè)計及施工技術(shù)是島隧工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文不做具體介紹。

2）人工島所在區(qū)域分布厚度20~30 m軟土，鋼圓筒圍堰圍閉后人工島內(nèi)回填約20 m厚中粗砂，在厚軟基及松散回填砂上建設(shè)沉管隧道，同時隧道結(jié)構(gòu)作為島上建筑的支撐，這對人工島沉降控制提出高標準的要求。采用快速、高效、安全可靠的地基加固技術(shù)是島隧工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文主要論述人工島采用的深井降水密實回填砂和加固深厚軟土的地基處理技術(shù)，即飽和回填砂及深厚軟土地基同步加固技術(shù)。

2 人工島地基處理

2.1 工程地質(zhì)條件

1）第一大層（淤層）為淤泥及淤泥質(zhì)土層，該層含水量高、抗剪強度低、壓縮性高、滲透性差，層厚20~30 m。

2）第二大層（于層）為粉質(zhì)黏土及黏土層，呈軟塑~可塑狀，判定為正常固結(jié)~輕微超固結(jié)狀態(tài)。

3）第三大層（盂層）為粉質(zhì)黏土、黏土層以及粉細砂和中砂，粉質(zhì)黏土及黏土呈可塑~硬塑狀，判定為超固結(jié)狀態(tài)；粉砂及中砂標貫擊數(shù)大于25擊。

4）第四大層（榆層）為黏土和粗礫砂組成，其中黏土層僅分布于東島，該黏土分布深且厚，呈軟塑~可塑狀，判定為正常固結(jié)~輕微超固結(jié)狀態(tài)，為減少人工島工后沉降應(yīng)盡可能加深該層土的處理深度；粗砂礫標貫擊數(shù)大于30擊，呈密實狀態(tài)，該砂層具有承壓水特性，地基加固時排水通道不宜與該層聯(lián)通。

各土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

表1 土層天然密度及孔隙比表Table 1 Natural density and pore ratio of soil layer

表2 固結(jié)試驗結(jié)果表Table 2 Consolidation test results

2.2 筑島方案

開挖表層8 m淤泥，振沉準22 m鋼圓筒，形成具有止水功能的鋼圓筒圍堰，圍堰圍閉后回填中粗砂，中粗砂含泥量小于10%，厚度約20 m。

2.3 地基處理

1）地基處理方案

采用降水聯(lián)合堆載預(yù)壓加固人工島深厚軟土地基，降水同時產(chǎn)生滲透力密實上覆回填砂層，即采用了本文所述的飽和回填砂及深厚軟土地基同步加固技術(shù)，具體實施步驟如下：

淤鋼圓筒圍堰圍閉；于回填中粗砂至-5.0 m；盂島內(nèi)抽水形成干施工作業(yè)條件；榆陸上施打塑料排水板；虞分級堆載至+5.0 m；愚埋設(shè)降水井，降水至-16.0 m，滿載預(yù)壓4~5個月；輿停止抽水，開挖基槽，現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)。地基處理平面及斷面圖見圖1~圖2。

圖1 地基處理平面圖Fig.1 Plan of ground improvement

圖2 地基處理斷面圖Fig.2 Section of ground improvement

2）降水聯(lián)合堆載預(yù)壓機理

降水預(yù)壓法作為加固軟黏土層的一種方法，它適合于黏土層和透水層相連的情況，通過降低透水層中的地下水位或水壓，軟黏土層中的孔隙水壓力也隨之開始降低，在土層總應(yīng)力不變的情況下，有效應(yīng)力相應(yīng)提高[8]，加固機理見圖3。圖3中陰影部分為降低透水層中地下水位后，土層最終所增加的有效應(yīng)力，可見回填砂中水位每降低1.0 m就會對下臥軟土地基增加10 kPa預(yù)壓荷載。同時，在深厚軟基中設(shè)置砂井或排水板等豎向排水通道，將軟土中水?dāng)D壓排入砂層，最終通過砂層中設(shè)置的深埋管井將水排出。

3）飽和回填砂降水密實機理

水向上滲透時會引起管涌、流土、接觸流土和接觸沖刷等滲透破壞，相反，水自上而下滲透時，滲流對每個土顆粒有推動、摩擦和拖曳的作用力，這種拖曳力即為滲透力，當(dāng)滲透力作用向下時對砂土有顯著的密實作用。滲透力為水力坡降與水的重度乘積，當(dāng)水垂直下滲時，水力坡降為1.0，單位滲透力為水的重度。在回填砂中設(shè)置管井排水系統(tǒng)，利用水泵將回填砂中自由水從砂層底部抽出，使回填砂中水自上而下形成滲流，形成滲流力密實回填砂。管井降水密實飽和回填砂機理見圖4。

圖4 管井降水密實飽和回填砂機理圖Fig.4 Compaction mechanism of saturated backfilling sand by pipe well

采用該技術(shù)要求待密實飽和回填砂的含泥量臆10%，滲透系數(shù)逸10-3cm/s，降水井的底標高宜低于待密實砂層的底標高6 m以下。

4）飽和回填砂及深厚軟土地基同步加固技術(shù)

降水密實飽和回填砂及降水超載預(yù)壓處理深層軟土地基可同時同步開展，既節(jié)約造價又節(jié)約工期。實現(xiàn)密實飽和回填砂和加固深層軟土地基同步技術(shù)需要2個前提條件，一是提前設(shè)置豎向排水系統(tǒng)（塑料排水帶或排水砂井），排水系統(tǒng)須穿透深厚回填砂及深層軟黏土，所以豎向排水系統(tǒng)須具備穿透能力強、打設(shè)深度深的特點；二是合理設(shè)置降水井的間距，使回填砂中的水位近似豎直下滲。

3 地基處理加固效果（以西人工島為例）

3.1 水位、沉降及孔隙水壓力監(jiān)測

圓筒和連接圓筒的隔倉各布置一口降水井，島內(nèi)區(qū)降水井間距30 m，正方形布置，四口降水井中心布置一口觀測井，降水井及觀測井布置見圖5。觀測井水位觀測結(jié)果見圖6，回填砂原水位-5.0 m，降水36 d達到設(shè)計要求水位-16.0 m，降水速率約0.3 m/d。達到設(shè)計降深后，維持設(shè)計要求水位的抽水量較小，后期主要抽排下臥軟土中“擠壓”水以及鋼圓筒圍堰滲水（鎖口滲水）。

圖5 降水井平面布置圖Fig.5 Plan of dewatering well

圖6 水位觀測結(jié)果Fig.6 Water level observation result

人工島填筑至-5.0 m完成塑料排水板的施工后設(shè)置沉降盤，監(jiān)測后期堆載及降水期間的沉降。插板期間平均沉降613 mm，堆載及降水期間沉降見圖7，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明堆載及降水期間沉降1 486~2 278 mm，平均1 828 mm，地基總體平均沉降為2 441 mm，卸載前一周平均沉降速率<2.0 mm/d，三點法、雙曲線法和ASAOKA法推算的沉降固結(jié)度均>90%，工后殘余沉降<20 cm，施工期消除沉降效果顯著。插板后開始分級堆載，分級堆載50 d后開始降水，降水36 d達到設(shè)計降深，即86 d達到滿載，圖7可見分級堆載及降水期間（0~86 d）沉降速率最快，滿載后沉降速率逐步降低并收斂。人工島布置9組分層沉降，9組沉降規(guī)律相近，選擇其中1組進行分析，沉降磁環(huán)設(shè)置的初始標高分別為-17.0 m、-20.0 m、-23.0 m、-26.0 m、-29.0 m、-32.0 m、-35.0 m、-38.0 m、-41.0 m，分別定名為1~9號磁環(huán)，各磁環(huán)監(jiān)測沉降見圖8，1~5號磁環(huán)處于軟土中沉降量較大，平均每米沉降率為13%，6~7號磁環(huán)處于粉質(zhì)黏土或黏土中沉降量較小，平均每米沉降率為1%~3%，8號磁環(huán)處于底部黏土層且未設(shè)置排水板，平均每米沉降率僅0.5%，9號磁環(huán)處于黏土與底部砂層交界處，沉降可忽略。分層沉降表明軟土加固效果顯著，同時深層黏土及粉質(zhì)黏土在超大預(yù)壓荷載下設(shè)置排水通道是有一定排水固結(jié)作用的。最下部密實砂即使在大荷載作用下，也未見沉降。

圖7 沉降隨時間變化曲線Fig.7 Settlement change with time

圖8 分層沉降隨時間變化曲線Fig.8 Layered settlement change with time

分層沉降埋設(shè)的同時安裝孔壓探頭，人工島布置9組孔壓監(jiān)測設(shè)備，其孔壓消散規(guī)律相近，選擇其中1組進行分析，孔壓探頭設(shè)置的初始標高分別為-17.5 m、-20.0 m、-23.0 m、-29.0 m、-32.0 m、-35.0 m、-37.5 m，各探頭監(jiān)測孔壓見圖9。

圖9 孔壓隨時間變化曲線Fig.9 Pore water pressure change with time

初始孔壓瞬時降低，然后增大，約30 d后又逐漸降低，并最終穩(wěn)定。原因在于筑島至-5.0 m插排水板，導(dǎo)致先前從-16.0 m填筑砂荷載產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力快速消散，當(dāng)插板完成后分級堆載至+5.0 m，孔隙水壓力又逐漸增加，隨后降水使孔壓再次快速降低，降水維持設(shè)計水位-16.0 m后，孔壓進一步緩慢降低，為軟土中超靜孔隙水壓力消散過程，直至最終收斂。

3.2 標準貫入（SPT）檢測

人工島地基處理后進行了9組SPT試驗，其檢測結(jié)果規(guī)律相近，選擇其中1組進行分析，SPT檢測結(jié)果見圖10。未降水處理的回填砂標貫擊數(shù)平均約10擊，而降水處理后的回填砂標貫擊數(shù)約28擊，降水密實飽和回填砂效果顯著。原狀軟土標貫擊數(shù)為0，經(jīng)大超載比降水聯(lián)合堆載預(yù)壓處理后，標貫擊數(shù)平均達7擊，軟土由流塑狀變?yōu)榭伤軤睿庸绦Ч@著。

圖10 標準貫入檢測結(jié)果Fig.10 Result of SPT test

3.3 室內(nèi)土工試驗

人工島地基處理后取土樣進行室內(nèi)土工試驗，試驗結(jié)果見表3。軟土經(jīng)地基處理后含水量、孔隙比、塑性指數(shù)和液性指數(shù)明顯降低，密度、剪切強度以及壓縮模量明顯增加，表明軟土地基加固效果明顯，流塑狀軟土加固成為可塑黏土；深層黏土含水量、孔隙比和塑性指數(shù)有所降低但不明顯，強度指標增加明顯但變形指標基本不變。

表3 土工試驗結(jié)果表Table 3 Results of laboratory tests

4 結(jié)語

1）創(chuàng)新提出的深井降水密實回填砂和同步加固深厚軟土的地基處理技術(shù)，即飽和回填砂以及深厚軟土地基同步加固技術(shù)，在港珠澳大橋島隧人工島工程中獲得成功應(yīng)用。飽和回填砂經(jīng)降水密實后標貫擊數(shù)由10擊增加至28擊，回填砂由松散加固到中密?；靥钌跋屡P軟土經(jīng)降水聯(lián)合堆載預(yù)壓處理，標貫擊數(shù)由0擊增加至7擊，液性指數(shù)由1.0降低為0.6，由流塑狀軟土變?yōu)榭伤莛ね痢?/p>

2）飽和回填砂及深厚軟土地基同步加固技術(shù)，適用于回填砂層與待加固軟土層相連的情況，要求回填砂具備較好的滲透性，回填砂一般為中粗砂，且含泥量一般要求小于10%。

3）以塑料排水板作為排水通道的降水預(yù)壓方案地基加固效果好，工程造價低，工期短。人工島在降水預(yù)壓過程中，外部水壓力指向島內(nèi)，保證了島壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。與原案相比，取消了砂樁復(fù)合地基以及回填砂振沖密實，大大節(jié)約了工程造價。同時，同步加固技術(shù)可同時密實回填砂和處理下部軟土地基，節(jié)約了工期。地基處理后人工島總體工后沉降可控制在20 cm之內(nèi)，使得沉管隧道島上段部分具備采用預(yù)壓后的“天然地基”的條件。

飽和回填砂及深厚軟土地基同步加固技術(shù)在港珠澳大橋人工島中的成功應(yīng)用可為深中通道等類似工程提供經(jīng)驗。