海上挤密砂桩工法及其在港珠澳大桥岛隧工程的应用

林 鸣，梁 桁，刘晓东，李建宇

（中交股份联合体港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部，广东 珠海 519080）

1 港珠澳大桥岛隧工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、珠海及澳门的大型跨海通道。大桥工程包括海中桥隧主体工程、香港、澳门、珠海三地口岸及连接线工程，海中桥隧主体工程全长约29.6 km，采用桥隧组合方式，岛隧工程是大桥的控制性工程[1]，包括两个长度为625 m的隧道人工岛及5 664 m长的海中沉管隧道，岛隧工程是当今世界同类工程综合技术难度最大的工程之一。

岛隧工程平均水位+0.54 m，原海床面标高约-8.0～-10.0 m，主要分布四大土层，第一层淤泥、淤泥质黏土，厚度3.5～25.4 m，标贯击数＜1；第二层黏土，厚度0.6～10.5 m，标贯击数约12.5；第三大层黏土、粉质黏土，厚度0.9～39.3 m，标贯击数12.9～24.4击；第四大层为密实砂层。不论是人工岛填筑还是沉管隧道斜坡段的基础，即便经过局部开挖换填，仍需对厚度达10～20 m的高压缩性软土进行加固处理。

东、西隧道人工岛采用深插式钢圆筒形成止水型岛壁结构，岛壁外设抛石斜坡堤，采用低置换率挤密砂桩复合地基基础，岛内采用降水联合堆载预压加固软土地基。

沉管隧道共分为33节依次为E1、E2、E3、…E32、E33，标准管节长度180 m，其中E7～E29管节基础为天然地基，E1～E6及E30～E33管节下软土层较厚需进行处理，为控制沉降并实现隧道地基刚度的平顺过渡，这些区域采用高置换率挤密砂桩复合地基。

为适应工程区域严格的环保要求，岛隧工程地基处理采用了挤密砂桩这种环保的软基处理方法，本文主要介绍挤密砂桩复合地基在岛隧工程不同区段的设计与施工。本工程共投入7条砂桩船，图1为正在作业的砂桩6号，图2、图3为低置换率和高置换率挤密砂桩的分布范围，图4、图5为低置换率和高置换率挤密砂桩典型断面图。

2 挤密砂桩加固原理及特点

2.1 加固机理

挤密砂桩（SCP） 不同于陆上一般采用的砂桩，它的原理是在软基上用振动锤把套管沉入到要求的深度，填入中粗砂并向下挤压使砂桩扩径，使其周围地基发生侧向挤压而使地基密实的一种加固方法[2-3]。对松散砂土地基，SCP的主要作用是成桩时对周围砂层产生挤密作用以及振密作用；对软弱黏土层地基，SCP的作用主要是置换和排水作用，一般高置换率SCP考虑置换作用，低置换率SCP只考虑排水固结作用，其作用形式与置换率的关系见图6。实施SCP可通过高强度砂桩与软弱地基形成复合地基，使之对上部荷载的承载力增强，包括排水效果在内的地基整体刚度增加，滑动阻力增加，沉降减少，侧向流动减少。

2.2 挤密砂桩工法特点

1） 施工作业区域广。砂桩船不仅可在内河及近海区域作业，也可进入条件恶劣的外海区域，目前岛隧工程在外海已成功完成了6 000多根挤密砂桩。

2） 桩径大、成桩长。挤密砂桩套管一般0.8~1.0 m，在淤泥中可形成最大2.0 m的桩径，通过调节桩架可实现最深70 m桩长。

3）砂桩自动化程度高，施工速度快。

4）先进的GPS定位系统，打桩定位准确。

5） 快速提高承载力及消除沉降。形成高置换率挤密砂桩（岛隧工程中最大置换率达到70%），快速提高地基承载力。在超大气压反复冲击作用下，桩体密实度高（标贯击数可达20~45击），地基整体沉降小。

6） 消除不均匀沉降。挤密砂桩形成的柔性桩复合地基，有利于消除不均匀沉降。

7） 加速软土排水固结速度。挤密砂桩桩径大，桩间距小，排水距离短，排水固结速度快。

8）挤密砂桩用料环保无污染。

3 港珠澳大桥岛隧工程SCP设计

3.1 低置换率挤密砂桩设计

为保证钢圆筒外侧抛石斜坡堤在施工期及使用期稳定，斜坡堤基础设置低置换率挤密砂桩，见图4。

3.1.1 设计思路

设计流程见图7，通过试算抛石斜坡堤施工期及使用期稳定所需置换率为25%。通过典型试验确定SCP桩径为1 600 mm（桩管φ1 000 mm）。桩间距宜根据施工船配备的套管间距确定，套管悬挂间距为5.4 m，桩间距设置为2.7 m×2.9 m，其中2.7 m由施工船套管间距决定，2.9 m可通过调整船位确定，实际SCP置换率为25.6%。

图7 设计流程图

3.1.2 稳定计算

1）施工期稳定计算

土层采用快剪指标，只考虑挤密砂桩的置换作用，不考虑海侧护岸结构施工过程中的地基土强度增长，复合土体综合强度指标采用面积比法计算。

2）使用期稳定计算

使用Ⅰ期：使用前期，钢圆筒仍然存在，假设圆弧不经过圆筒。砂桩处理区土层以及岛内排水板处理部分的土层采用固快指标，其它均采用快剪指标。

使用Ⅱ期：使用后期，圆筒腐蚀、变薄，即假设圆筒不存在，在这种情况下，砂桩处理区及圆筒以下土层在荷载作用下已经固结，其范围内均采用固快指标。

3） 稳定计算结果

施工期安全系数，简单条分法（天津地基计算系统）≥1.0；

使用期安全系数，BISHOP法≥1.3～1.5；简单条分法（天津地基计算系统）≥1.1～1.3。

3.2 高置换率挤密砂桩设计

沉管隧道基础沉降要求严格，差异沉降不宜大于0.1%，地基处理方式须采用能有效控制沉降且容错性高的地基处理手段，高置换率挤密砂桩是理想的地基加固方法。靠近西人工岛的E1~E6管节以及靠近东岛的E30~E33管节基础软土层较厚，且荷载变化较大，为减少沉管管节残余沉降及差异沉降，在E1~E6及E30~E33管节设置高置换率挤密砂桩，见图5。

3.2.1 设计思路

设计流程见图8。

3.2.2 高置换率挤密砂桩设计方案

根据管节基础附加荷载将挤密砂桩地基处理方式分为挤密砂桩+堆载预压以及单独挤密砂桩两种方式。附加荷载≥0区段施打挤密砂桩后进行水上堆载，砂桩起到排水及置换的双重作用；附加荷载≤0的区段只设置高置换率挤密砂桩，仅考虑其置换作用。

图8 设计流程图

1）挤密砂桩+堆载预压（附加荷载≥0区段）

根据荷载及软土层厚度的变化，共设置70%、55%以及42%三种置换率的挤密砂桩，挤密砂桩直径及间距见表1。

表1 挤密砂桩参数

2） 挤密砂桩（附加荷载≤0区段）

随着沉管埋深加大，地基土所受附加荷载≤0，堆载对软土加固效果不明显。根据荷载及软土层厚度的变化，挤密砂桩布置见表2。

表2 挤密砂桩参数

承载力及沉降计算与挤密砂桩+堆载预压区段相似，承载力计算时采用快剪指标。

3.2.3 高置换率挤密砂桩设计计算

1） 承载力计算

本文同时采用理论和半经验半理论方法进行承载力计算。

①桩、土承载力复合法

复合地基承载力可根据桩体承载力及桩间土承载力叠加确定：

式中：fspk为复合地基承载力特征值，kPa；fpk为桩体承载力特征值，kPa；fsk为堆载预压区按处理后桩间土承载力特征值，kPa；m为桩土面积置换率。

②综合物理力学性能指标法

Terzaghi地基承载力计算公式：

式中：fu为地基极限承载力，kPa；ck为基底下一倍基础宽度的深度范围内土的黏聚力标准值，kPa；γ0为基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；d为基础埋置深度，m；γ为基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；b 为基础宽度，m；Nγ，Nq，Nc为地基的承载力系数，由复合地基的内摩擦角和黏聚力标准值采用相应公式计算。

③日本挤密砂桩复合地基承载力计算

根据日本挤密砂桩设计与施工手册[3]，挤密砂桩复合地基承载力fa为：

式中：fa为挤密砂桩复合地基承载力容许值，kPa；fas为砂土地基承载力容许值，kPa；fac为黏土地基承载力容许值，kPa；m为桩土面积置换率；b基础宽度，m；γs为砂的重度，kN/m3；Nγ为砂土地基的承载力系数，由图9查取；Nc为黏土地基的承载力系数，由图9查取；c为黏土的黏聚力，kPa；Fs为安全系数。

地基承载力计算结果表明：3种方法承载力计算结果相近。

2） 沉降计算

考虑挤密砂桩复合地基的应力折减效应，复合地基的沉降s按下式计算[4]：

式中：s为挤密砂桩复合地基沉降，m；s0为原土层地基沉降，m，采用分层总和法计算；βc为沉降折减比：

式中：n为应力分担比；m为桩土面积置换率。

沉降计算方法简单，应根据地方经验或沉降观测数据对计算结果进行修正。

3.2.4 高置换率挤密砂桩水下荷载板试验

为准确掌握本项目条件下挤密砂桩复合地基承载力，施工图设计阶段在挤密砂桩置换率为62%区域进行了水下载荷试验。试验区域挤密砂桩直径1.6 m，桩间距1.8 m×1.8 m，置换率62%，承压板尺寸5.4 m×5.4 m，加载分级见表3。

表3 荷载分级表

p-s曲线（图10）无明显陡降，复合地基尚未达到极限承载能力。承载力特征值可根据JGJ79—2002《建筑地基处理技术规范》取沉降s=0.015b对应的应力220 kPa。可见，淤泥经62%置换率挤密砂桩加固后承载力显著提高。

复合地基加载8 000 kN（274 kPa）时恒载约40 d，沉降-时间曲线见图11。根据双曲线法推算固结度91.1%，最终沉降17.5 cm，挤密砂桩排水固结效果好，工后残余沉降小。

4 挤密砂桩（SCP）施工装备及效率

4.1 SCP施工装备

水上SCP施工需用专门的SCP施工船，参见图1，目前国内已有7条，均已在岛隧工程作业，施工效率高，质量优良。各船性能详见表4。

表4 岛隧工程SCP施工船性能

4.2 施工效率

影响施工效率的因素很多，如土性、桩径、桩长、天气以及操作手的熟练程度，但总体上SCP施工速度较快，效率较高。岛隧工程施工船打设一组（3根）桩用时约30~40 min，每条船每天平均打设SCP约10组，共约1 100 m3，加固面积约140 m2。

图12 挤密砂桩施工工艺流程

5 施工及质量控制

SCP施工过程为全自动控制，通过PC友好可视化界面操作，施工工艺流程及质量控制要点说明如下。

施工工艺流程见图12。施工注意事项：

1） 碎石垫层的设置。低置换率挤密砂桩打设前先抛填2.0 m排水碎石垫层，碎石垫层具有两方面作用：保证挤密砂桩与碎石垫层相通，确保砂桩排水效果；通过碎石自身的重量抑制原状土层在施打挤密砂桩过程中隆起。高置换率挤密砂桩施打过程中隆起较大，62%置换率区段拱起淤泥厚度约5.0 m，预抛2.0 m碎石不能抑制拱淤。合理措施：先施打挤密砂桩，挤密砂桩完成后清除隆起。

2） 合理确定挤密砂桩的施打顺序。挤密砂桩施打顺序决定拱起淤泥的运动趋势，根据场地及工程需要决定挤密砂桩的施打顺序，人工岛岛壁挤密砂桩以圆筒为起点向岛外方向打设，使拱起淤泥向远离圆筒的方向移动。

3） 根据泥面标高监测实时调整桩顶标高。随着砂桩施工的推进，上覆碎石垫层发生1~2 m隆起，为保证砂桩与碎石垫层连通，造桩前测量预打桩位碎石标高，以实测标高为造桩顶标高。

4） 确定桩底标高。大面积施工前，在已有钻孔附近进行典型施工试验，通过典型试验确定桩管贯入速率与土的标贯击数（或CPT） 关系、扩径速率与土的标贯击数（或CPT） 关系，从而确定桩管停止贯入标准以及挤密砂桩停止扩径标准。

施工质量控制：

1）根据施工记录中拔起量、打入量及完成量（图13挤密砂桩施工记录）判断桩径是否达到设计要求。

式中：r为桩管直径；R为挤密砂桩直径；h1为桩管拔起量；h2为挤密砂桩完成量。

2） 通过典型试验确定停止桩管贯入标准。在已有钻孔附近试桩确定达到设计桩底标高时桩管贯入速率，大面积施工时可根据该贯入速率确定实际的桩底标高。

3） 砂桩密实度检测。通过标准贯入试验检查成桩质量，一般标贯击数大于20击时成桩质量较好。如标贯击数较低，宜改变施工参数或加大桩径。

4） 桩间土检测。高置换率挤密砂桩桩间土可不进行检测，原因有二：高置换率挤密砂桩置换作用显著，原状土地基发挥作用较小；桩间土所占比例较小，水上取土或原位试验实施困难。低置换率挤密砂桩桩间土可通过十字板、标贯、静力触探或钻孔取土检验其加固效果。

6 应用情况及前景

1）国内外应用情况

日本1956年开始应用SCP施工工法，1960年开发了振动式的施工方法，1967年开始应用于海上工程，并在日本得到广泛的应用。关西国际机场一期堤岸工程、横滨市南本码头工程、东京湾海隧海桥公路人工岛工程都成功地应用了SCP工法。韩国将SCP技术应用于釜山新港北港区集装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挤密砂桩复合地基控制基础沉降，较好地实现与CDM复合地基及天然地基的过渡。

国内，挤密砂桩应用于洋山深水港东侧港池临时工作船码头工程。该工程在置换率60%的区域进行了水下载荷试验，加载至737 kPa时载荷板沉降23.1 cm，未破坏，卸载后回弹约3.2 cm，挤密砂桩加固效果明显。港珠澳大桥岛隧工程大面积采用不同置换率及不同桩径的挤密砂桩，挤密砂桩直径分别为1.4 m、1.5 m和1.6 m，桩间距分别为1.8 m、2.2 m和2.7 m，置换率分别为26.5%、42%、55%、62%和70%，共打设SCP约120万m3，将大大推动挤密砂桩技术在国内的应用。

2） 国内应用前景

海上地基处理多采用开挖换填、CDM及SCP工法，深水开挖换填施工困难、污染环境，CDM工法水泥浆液污染环境、施工效率低且造价高，挤密砂桩具有环保、施工方便快捷、质量可控、造价低的优点，具有较好的经济和社会效益，在水下软基处理领域具有广阔的应用前景，需要根据我国实际情况，研究总结挤密砂桩复合地基计算分析理论及经验公式、总结形成完整的施工工艺、质量验评标准，为此工法的推广及应用建立依据。

[1]中交第四航务工程勘察设计院有限公司，中交公路规划设计院.港珠澳大桥主体工程岛隧工程沉管隧道基础工程（E1~E6-S2）[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2012.

[2]莫景逸，黄晋申.挤密砂桩在海洋接岸地基加固工程中的应用[J].水运工程，2009，423（1）：62~68.

[3]社団法人地盤工学会.打戻し施工によるサンドコンパクションパイル工法設計施工マニュアル[M].2009.

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