海上深層水泥攪拌法在香港國際機場第三跑道填海工程的應(yīng)用

何洪濤，王征亮，林佑高，謝萬東

（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

深層水泥攪拌法（Deep Cement Mixing Method，簡稱DCM 工法）是原位地將水泥等固化劑與軟土進行強制攪拌，并使地基土改良的一種地基處理工法[1-5]。海上深層水泥攪拌法是一種地基處理新技術(shù)，即通過特制的海上施工船機將水泥等固化劑與海床軟土原位強制攪拌形成水泥土柱，具有加固效率高、成樁直徑大、強度高、質(zhì)量可控、環(huán)保等特點，可廣泛應(yīng)用于砂性土、黏性土等幾乎所有土質(zhì)的地基處理[6]。海上深層水泥攪拌法單個攪拌處理機一般為4～8 軸聯(lián)動，多軸攪拌形成水泥土樁簇，每個樁簇的加固面積可達4～7 m2，最大加固深度可達水下70 m。

1 加固機理

1.1 加固形式

深層水泥攪拌法復(fù)合地基根據(jù)水泥加固體在地基中的布置形式，可分為塊式、壁式、格柵式及樁式等加固形式[1-5]。加固形式的選擇與上部結(jié)構(gòu)的類型、尺寸及重要性、地基處理的目的及使用要求、工程造價、場地條件等密切相關(guān)，可通過技術(shù)經(jīng)濟比選綜合確定。大中型建筑物特別是重力式結(jié)構(gòu)，不僅地基承載力及變形要求高，而且還受到水平推力作用，需要通過DCM 加固地基來滿足承載力、整體穩(wěn)定性等要求，宜采用塊式、壁式或格柵式加固形式；對于小型建筑物和填土路堤基礎(chǔ)，主要滿足沉降控制要求，宜采用樁式加固形式。但特別需要注意的是，當采用樁式布置加固填土路堤的邊坡穩(wěn)定時，由于樁式水泥加固土柱本身較低的抗拉強度而易發(fā)生彎曲破壞，極易導(dǎo)致邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。表1 為對比分析深層水泥攪拌法復(fù)合地基不同加固形式的特點，可看出塊式加固形式穩(wěn)定性最高，但造價相對最高；而壁式和格柵式加固形式能達到一定穩(wěn)定性，但造價低于塊式，經(jīng)濟性較高，同時樁體需要相互搭接，質(zhì)量控制要求較高；樁式加固形式主要用于填土路堤沉降控制，造價也相對最低。

表1 深層水泥攪拌法復(fù)合地基不同加固形式的特點Table 1 Characteristics of different improvement types of DCM composite foundation

1.2 分析方法

深層水泥攪拌法復(fù)合地基的主要目的是提高穩(wěn)定性和控制沉降，主要包括穩(wěn)定及沉降分析。

1） 穩(wěn)定分析

對于塊式、格柵式或壁式加固形式的深層水泥攪拌法復(fù)合地基，基本的設(shè)計原理是將加固體作為一個整體進行外部穩(wěn)定分析和內(nèi)部穩(wěn)定分析，包括進行整體穩(wěn)定、抗滑、抗傾覆及承載力驗算[7-9]。對于壁式加固形式的深層水泥攪拌法復(fù)合地基，還應(yīng)包括DCM 墻之間的樁間土擠出破壞驗算，如圖1 所示。

圖1 塊式、格柵式或壁式加固形式深層水泥攪拌法復(fù)合地基的穩(wěn)定破壞模式Fig.1 Stability failure mode of block，grid or wall type DCM composite foundation

假定水泥加固體與樁間土在相同應(yīng)變條件下達到最大強度，則深層水泥攪拌法復(fù)合地基的強度可由水泥加固樁體與樁間土采用置換率進行復(fù)合，見式（1）。

式中：cu，column為水泥加固體樁體強度；cu，soil為樁間土強度；m 為置換率。

樁式加固形式的深層水泥攪拌法復(fù)合地基穩(wěn)定破壞模式較多，而且相對較復(fù)雜。由于樁體強度、應(yīng)力水平、加固位置的不同，樁式深層水泥攪拌法復(fù)合地基可能會發(fā)生彎曲破壞、剪切破壞及傾覆破壞等模式，見圖2[9]。因此，樁式深層水泥攪拌法復(fù)合地基不能簡單采用式（1）根據(jù)面積置換率對水泥加固樁體和樁間土的加權(quán)平均抗剪強度進行穩(wěn)定性分析，需要考慮樁體的抗拉強度。

圖2 樁式深層水泥攪拌法復(fù)合地基穩(wěn)定破壞模式Fig.2 Stability failure mode of group column type DCM composite foundation

2） 沉降分析

深層水泥攪拌法復(fù)合地基的沉降分析，基本設(shè)計原理是將樁體和樁間土等效當作整體復(fù)合地基，采用復(fù)合參數(shù)進行沉降分析。當復(fù)合地基受到垂直荷載時，由于樁體與樁間土的剛度不同，在樁體上會出現(xiàn)應(yīng)力集中[1-4]。作用于樁體上的應(yīng)力σcol與作用于樁間土上的應(yīng)力σsoil之比為應(yīng)力分擔(dān)比n。

深層水泥攪拌法復(fù)合地基的沉降可通過加固前天然地基的沉降乘以沉降折減系數(shù)得到[1]：

式中：s 為復(fù)合地基上的沉降；s0為加固前天然地基的沉降，可采用太沙基一維固結(jié)理論計算分析；β為沉降折減系數(shù)。

1.3 施工技術(shù)

海上DCM 施工包括5 個關(guān)鍵工序[6]，分別為定位、攪拌處理機下沉、著底及樁端處理、提升噴漿形成水泥土柱、完成DCM。

2 案例分析

2.1 工程概況

香港國際機場第三跑道填海工程（簡稱香港三跑工程）在現(xiàn)有機場島以北填海拓地約650 hm2，興建一座新的客運大樓、57 個停機位及一條長3800 m 的機場跑道[10-11]。然而，如圖3 所示，由于填海范圍下臥深厚海相軟弱淤泥，且填海面積的40%是污泥坑，如果采用傳統(tǒng)的排水板或砂石樁堆載預(yù)壓排水固結(jié)法處理污泥[12]，不僅預(yù)壓時間較長，而且可能會釋放潛在的污染物，影響回填區(qū)域的海洋水質(zhì)條件及白海豚的生存環(huán)境。為避免環(huán)境污染，同時加快填海工程的進度，填海工程大部分采用非浚挖式的填海及地基處理技術(shù)，即海堤、跑道區(qū)及大部分填海范圍均采用海上深層水泥攪拌法進行地基處理，以滿足整體穩(wěn)定及地基沉降要求。

圖3 香港三跑工程污泥坑分布范圍Fig.3 Layout of dumped mud pits for the Hong Kong third runway project

整個填海范圍的地基處理主要分為回填區(qū)和海堤。大部分回填區(qū)的軟土地基采用了間距為4.8 m×4.8 m，置換率約為20%的樁式深層水泥攪拌法復(fù)合地基，主要目的是減少軟土地基的工后沉降，并盡可能減少土體擾動、降低環(huán)境影響。海堤下方的軟土地基采用了置換率20%～33%、DCM 樁墻間距4.8～6 m 的壁式布置水泥攪拌法復(fù)合地基，主要目的是滿足軟土地基上海堤的邊坡穩(wěn)定要求。現(xiàn)場選用了大型多攪拌頭、自動化程度高的專用海上深層水泥攪拌船，單樁攪拌葉片直徑1300 mm，四軸聯(lián)動單次加固面積約4.6 m2，地基處理效率較高?，F(xiàn)場采用的不同加固形式DCM 典型平面布置見圖4。

圖4 不同加固形式的DCM 典型平面布置Fig.4 Typical layout for DCM with improvement types

2.2 現(xiàn)場試驗

目前，海上深層水泥攪拌法已廣泛應(yīng)用于中國、日本、韓國、越南等亞太地區(qū)，以及美國和歐洲，但從未在香港地區(qū)應(yīng)用。因此在大面積應(yīng)用海上深層水泥攪拌法之前，先在回填區(qū)場地內(nèi)選擇代表性區(qū)域進行現(xiàn)場試驗，以驗證深層水泥攪拌法的加固效果，并確定相應(yīng)的施工參數(shù)。

深層水泥攪拌法在香港三跑工程回填區(qū)域共進行了2 次現(xiàn)場試驗。2011—2012年，首先采用了單樁直徑約1.21 m、單次加固面積約2.2 m2的海上雙軸深層水泥攪拌法進行第1 次現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場試驗結(jié)果證實了海上深層水泥攪拌法可用于加固污泥，現(xiàn)場取出的水泥土芯樣的強度和剛度均有大幅提高，并且沒有出現(xiàn)不利的環(huán)境影響。但由于海上雙軸深層水泥攪拌法工效較低，無法滿足工期要求，現(xiàn)場需要找到一種工效更高的海上深層水泥攪拌法工藝。2014—2015年，現(xiàn)場采用了單樁直徑約1.3 m、單次加固面積約4.6 m2的四軸深層水泥攪拌法進行第2 次現(xiàn)場試驗。此次試驗的加固范圍更大，選擇了樁式、壁式和塊式等不同加固形式的深層水泥攪拌法進行試驗，并且測試了不同水泥摻入量對樁體強度的影響?，F(xiàn)場試驗結(jié)果反映采用多樁架的四軸深層水泥攪拌法能滿足工期要求，并且28 d 現(xiàn)場取芯試樣能滿足1.2 MPa 的強度要求。

2.3 大面積加固效果分析

為了驗證海上深層水泥攪拌樁法的加固效果，現(xiàn)場大面積加固完成后按一定比例對加固后28 d齡期的深層水泥攪拌樁進行取芯，并進行室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗、彈性模量（E50）等測試。試驗結(jié)果表明，大部分深層水泥攪拌樁芯樣的28 d 無側(cè)限抗壓強度可達1.2～3.0 MPa，彈性模量（E50）約為100～300 MPa，攪拌樁加固質(zhì)量良好。

3 討論

通過現(xiàn)場大面積的應(yīng)用，海上深層水泥攪拌法有如下特點：

1） 由于海上深層水泥攪拌法是一種非浚挖式的地基處理方法，相比傳統(tǒng)的開挖換填法、排水固結(jié)法等[12-13]，海上深層水泥攪拌法對環(huán)境影響較小，特別是加固污染土?xí)r，不會釋放污染物，達到固化、穩(wěn)定化加固目的。

2） 相比傳統(tǒng)的陸上深層水泥攪拌法，海上深層水泥攪拌法一般采用四軸、六軸或八軸等多軸工藝，攪拌軸加固形成的水泥加固土柱直徑大（一般為1.0～1.6 m），單次加固面積4～7 m2，地基處理加固效率較高，可大幅縮短工期。

3） 海上深層水泥攪拌法的攪拌機內(nèi)軸攪拌頭與外軸攪拌翼互相反方向旋轉(zhuǎn)，并且攪拌次數(shù)較多，地基土得到充分攪拌，可形成高強度水泥加固體，一般28 d 齡期的水泥土無側(cè)限抗壓強度可達到1.2～1.4 MPa，遠高于傳統(tǒng)的陸上深層水泥攪拌法，并且強度離散性小，保證率較高。

4） 深層攪拌法的加固深度取決于施工機械樁架的高度，傳統(tǒng)的陸上深層水泥攪拌法一般為15～30 m 左右，而海上深層水泥攪拌法加固軟土最深可達水下70 m，可有效加固海床面以下深層軟弱土層。

5） 深層水泥攪拌法一般需要28 d 或以上的齡期才能達到一定強度，形成的復(fù)合地基強度高、剛度大，整體性好，特別適用于對差異沉降和工后沉降控制嚴格、穩(wěn)定性要求高的工程。

6） 當加固無表層覆土的軟土?xí)r，由于海床上覆壓力較小，海上深層水泥攪拌法施工前一般需要設(shè)置1～2 m 厚的砂墊層，以確保樁頭部位的攪拌效果，同時減少水泥漿液的大量排出，對環(huán)境的影響可降至最低。然而，海上深層水泥攪拌法施工過程中向地基注入了大量水泥漿，地基土很容易產(chǎn)生隆起，特別是采用置換率較高的壁式、格柵式或塊式等加固形式時，隆起土高度可達2～3 m。隆起土中一般混有一定量的水泥漿，具有一定的強度，但隆起土強度離散性大，對于穩(wěn)定性和敏感性較高的邊坡工程，常常采用抓斗挖除的方法處理隆起土；但如果上部結(jié)構(gòu)僅有沉降要求時，且施工過程控制較好，也可根據(jù)上部結(jié)構(gòu)特性和使用要求不挖除，有效利用隆起土[13-14]。

4 結(jié)語

海上深層水泥攪拌法在香港三跑工程的大面積應(yīng)用，證實了海上深層水泥攪拌法用于加固污泥和海相淤泥等軟土地基是可行的，對環(huán)境影響較小。香港三跑工程海堤下方采用了置換率約為20%～33%的壁式DCM 復(fù)合地基，以滿足海堤的邊坡穩(wěn)定要求；陸域回填區(qū)采用了置換率約為20%的樁式DCM 復(fù)合地基，以減少軟土地基的工后沉降。海上深層水泥攪拌法形成的復(fù)合地基共同承擔(dān)上部荷載，能大幅提高岸坡穩(wěn)定性、減小回填區(qū)地基沉降，達到地基改良的目的。

海上深層水泥攪拌法相比傳統(tǒng)的陸上深層水泥攪拌法和其他地基處理方法，有加固效率高、成樁直徑大、強度高、處理深度大、環(huán)境污染小、適用范圍廣等優(yōu)勢，特別適合對沉降要求嚴格、穩(wěn)定性要求高的工程項目。特別是海上深層水泥攪拌法能適應(yīng)海洋工程的特點，能在一定程度上克服風(fēng)浪作業(yè)，在深水海域幾乎成為唯一的軟土地基加固手段，非常適用于人工島、深水防波堤、護岸、深水港等工程的地基加固。