港珠澳大桥东人工岛工程深厚软基处理综合技术

孙洪春，张焕

（1.中交三航局第二工程有限公司，上海 200122；2.中铁二院（广东）港航勘察设计有限责任公司，广东 广州 510335）

港珠澳大桥东人工岛工程深厚软基处理综合技术

孙洪春1，张焕2

（1.中交三航局第二工程有限公司，上海 200122；2.中铁二院（广东）港航勘察设计有限责任公司，广东 广州 510335）

港珠澳大桥东人工岛软基处理具有厚度大、水深深、环保要求高等特点。工程综合运用了开挖换填法、排水固结法、水下挤密砂桩、高压喷射注浆法等软基处理技术。工程施工中解决了超深塑料排水板打设、深水区高置换率挤密砂桩施工、高固结土中超深高压喷射注浆复合地基施工等技术难题。软基处理后人工岛地基沉降、沉管隧道过渡段地基处理、施工环保等均取得良好效果。

人工岛；深厚软基处理；超深塑料排水板；挤密砂桩；高压喷射注浆

1 工程概况

1.1 工程简介

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，东连香港，西接珠海和澳门，主体采用桥隧组合方案。隧道长5.99 km，位于伶仃西和铜鼓航道处，隧道出口与桥梁相接处修建东、西人工岛。东、西人工岛的基本功能是实现海上桥梁和隧道的顺利衔接，满足岛上建筑物布置需要。东、西人工岛结构形式、工况条件、施工方法等基本类似。

东人工岛平面呈椭圆形，长625 m，最宽处约215 m，工程处泥面标高约-10.0 m，平均水位+0.54 m，人工岛顶面交工标高为4.26 m。人工岛筑岛采用先进行基槽开挖至-18.0 m，然后采用59个直径22 m的钢圆筒插入不透水层构成围闭结构并在钢圆筒及围闭结构内回填中粗砂的快速成岛工艺。人工岛陆域形成后进行软土地基处理，然后进行岛壁抛石斜坡堤、岛上现浇隧道、岛上建筑等工程施工。海中沉管隧道在岛上现浇隧道暗埋段完成后进行对接[1]。

1.2 地质概况

东人工岛工程地层主要分布四大层。第一大层为淤泥及淤泥质黏土，底标高-18.1～-33.6 m，流塑状，淤泥平均标贯击数小于1击，淤泥质黏土平均标贯击数小于2击。第二层为粉质黏土层，可塑状，混较多粉细砂，夹粉细砂薄层，平均标贯击数5.6击，层厚度3.65 m，层顶标高-23.55 m，层底标高-26.71m。第三大层为黏土、粉质黏土，厚度0.9～39.3 m，平均标贯击数8.8～13.0击。第四大层为砂层，上层为粉细砂，稍密状～中密状，平均标贯击数28.3击；下层为中粗砂，密实状为主，平均标贯击数40击[1]。

2 东人工岛软土地基处理设计

目前，海上人工岛建设以水深20 m以内海域填筑式居多，软土地基处理面积较大，大多采用开挖换填法、排水固结法、CDM工法、水下挤密砂桩法[2]。筑岛完成后，可采用振冲法、砂石桩法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆法等进行局部软基处理。

2.1 东人工岛软土地基处理技术综述

根据结构布置形式、工况、工期、施工环保等综合因素考虑，东人工岛软土处理分多个区域分别设计，平面布置如图1所示。

图1 东人工岛软基处理平面布置图Fig.1 Layoutofsoft foundation treatmentof eastartifical island

人工岛岛体部分主要解决人工岛工后沉降问题。软基处理采用部分开挖换填、岛壁区抛石斜坡堤挤密砂桩基础、钢圆筒区及岛内区排水固结法（塑料排水板+降水联合堆载预压）。

沉管隧道过渡段基础主要解决海中隧道天然地基与岛上现浇隧道PHC桩复合地基间刚度的平顺过度难题。软基处理采用施打高置换率挤密砂桩复合地基（沉管基础A区）并进行堆载预压的方法。其中，沉管基础B区位于钢圆筒和岛内区，受施工条件的限制，采用高压喷射注浆复合地基；沉管基础C区为抛石防撞结构基础，采用低置换率挤密砂桩复合地基。

2.2 软基处理主要参数设计

2.2.1 人工岛岛体软基处理

人工岛基槽开挖底标高为-18.0m，清除表层流塑状淤泥。塑料排水板采用原生料D型板，正方形布置，间距1.1 m，底标高-35.0～-46.0 m。降水井井管直径30 cm，井底标高-24.5 m，每个钢圆筒/副格各布置1个降水井，岛内区降水井按矩形布置，间距30m。塑料排水板和降水井施工完成后分级堆载至+5.0m进行降水预压。软基处理后要求地基固结度不低于80%，且工后沉降120 a内不大于500mm[1]。

岛壁区挤密砂桩呈矩形布置，间距2.9 m× 2.7 m，底标高-42～-31.0 m。砂桩采用变径设计，-31.0 m以上标高桩径为1.6 m，置换率25.6%；-31.0m以下直径1.0m，置换率10%。挤密砂桩标贯检测平均击数不小于15击且桩顶2.0m范围内平均标贯击数不小于8击[1]。人工岛岛体软基处理断面图如图2所示。

2.2.2 沉管隧道过渡段基础软基处理

沉管隧道过渡段基础准永久荷载约为60～120 kPa，地基处理后固结度不低于90%，残余沉降量≤200 mm。沉管隧道过渡段基础软基处理断面图如图3所示。

图2 人工岛岛体软基处理横断面图Fig.2 Crosssection of soft foundation treatmentofeastartifical island

图3 沉管隧道过渡段软基处理断面图Fig.3 Crosssection of soft foundation treatmentat the transition section of immersed tunnel

沉管基础A区挤密砂桩也采用变径设计，顺隧道轴线方向间距为2.1 m，垂直方向根据置换率高低为1.8～2.1m不等，其中上部直径为1.5 m和 1.4 m，分界标高-32～-41.9 m，置换率为40%～55%；下部直径1.1 m，底标高-32.0～-57.0 m，置换率为22%～29%。沉管基础C区砂桩直径1.0 m，间距2.7 m×2.7 m，置换率11%。高压喷射注浆复合地基置换率为40.3%，桩位呈正三角形布置，桩间距1.5 m，桩底标高-42～-43m。挤密砂桩标贯检测平均击数不小于20击且桩顶2.0m范围内不小于12击，高压喷射注浆复合地基平均标贯击数不小于17击[1]。

3 软土地基处理关键施工技术

3.1 超深塑料排水板打设

本工程塑料排水板打设最大深度达42.0 m，是同类工程之最，也是本工程软基处理的难点。

3.1.1 设备改造

国内目前无插打深度达42m的插排机，因此本工程需对现有插排机进行改造。改造后插排机由挖机、主机架、液压马达、链条驱动装置和插管等组成[3]。挖机型号为PC750；主机架为三角形钢桁架结构，高45.0m，正面主梁由两根160mm× 80 mm×5mm矩形钢管构成，背梁及其余横向和斜向支撑采用60 mm×40 mm×4 mm矩形钢管。液压马达型号为SX510；传动链条型号为20A-1，单根极限拉力为88.5 kN；插管采用150 mm×90 mm×14 mm菱形钢管制成，钢管材料为锰钢，其强度较高。插管下端焊接10 mm×50 mm× 160 mm左右的矩形钢端头（管靴）。

3.1.2 主要施工方法与质量控制要点

1）施工方法：①桩位放样。②穿靴：塑料排水板从顶部穿进插管，从插管底口拉出约20 cm，对折回后再穿进插管底口，然后在折叠处插进插销并回拉排水板另一端将管靴底口封闭。③插设排水板：操控插排机使插管对准设计桩位，调整好垂直度后启动液压马达，驱动传动链条下插插管至设计标高。④拔管：向插管内注满清水后拔出插管，塑料排水板在土体挤压下留在土体中。

2）质量控制要点：①排水板的垂直度控制：主要是通过在主机架上安装摆钟式倾斜仪控制机架的垂直度来实现。②减少回带：首先穿靴时插销采用φ30mm，长200 mm左右的圆钢制作，其重量合适并能有效阻止泥土进入管靴；其次严格控制插管垂直度，同时插管下插到位后向插管内注清水减小排水板与插管内壁的摩擦力。

3.2 水下挤密砂桩施工

本工程水下挤密砂桩施工采用目前国内最先进的三管砂桩船施工，砂桩船船型参数为：船长75 m，船宽26 m，型深5.2 m，设计吃水3 m，储料仓容积240m3，桩管直径0.8 m（底部1.0 m），最大打至水面下深度超过60m。

3.2.1 主要施工方法

本工程采用的砂桩船施工方法是通过振动设备和管腔增压装置把砂强制压入水下软弱地基中，经过振动拔管、回打、挤密扩径，形成大直径密实砂柱体从而置换软土地基。砂桩船施工主要流程如下[4]：1）海上建GPS参考站对砂桩船精确定位；2）沉放砂桩套管，当套管接近泥面时，向管内加压排水，然后继续沉放套管入泥面，可设定压缩空气最大压力P=0.9 Ph（Ph为桩位泥面处的水压力）；3）开启振动锤使套管至一定深度后减压放气并向套管内灌砂6～10 m3，然后加压（0.4～0.5MPa）施打套管至设计桩底标高；4）持压，上拔砂桩套管，排出管内泥柱，完成端部处理；5）灌砂、加压施打砂桩套管至设计桩底标高；6）灌砂、加压上拔砂桩套管，排砂形成一定高度砂柱；7）加压振动回打扩径，形成一段挤密砂桩；8）循环灌砂、加压排砂形成砂柱、振动回打扩径，逐段形成整根挤密砂桩。

3.2.2 主要施工参数

挤密砂桩施工时，根据砂桩设计直径、桩管底部直径及每段成桩高度确定每次拔管高度、回打深度等施工参数，计算公式如下：

式中：A为回打高度；ΔGL为拔管高度（拔管后与拔管前桩管底标高差值）；d为套管底部内径；D为扩径后砂桩直径；H为成桩高度。

本工程实际施工时，每次成桩高度为1 m，经典型施工后确定了相关参数如表1所示。桩顶周围土压力较小时，回打时桩管内压力要减小，防止管内砂全部冲出造成砂桩断桩。为此，当施工至距桩顶1～2 m时，缩短每次成桩的高度，上拔及回打高度应乘以相应成桩高度比率。如每次成桩0.6m，上拔及回打高度按表1数值乘以0.6。

表1 挤密砂桩施工参数Table 1 Construction parametersof sand com paction pile

3.3 超深高压喷射注浆复合地基施工

本工程高压喷射注浆施工深度达46 m，且施工区域软土地基经过塑料排水板堆载预压后固结度达80%以上，施工难度大。实际施工采用新二管法旋喷工艺，且在正式喷浆前先使用清水喷射对固结地基土预切割，以保证喷射直径和返浆效果，提高施工质量。

3.3.1 主要施工方法

本工程采用的新二管法高压喷射灌浆技术机理是以大于30MPa的高压水泥浆通过φ1.9～2 mm的喷嘴喷出，以高压水泥浆射流直接冲切破坏土体，浆射流以环绕压缩气保护，随着喷杆的旋摆提升，水泥浆和切割下的土体混合成水泥土，凝结后形成强度较高的加固体。主要方法为：1）钻孔；2）制备浆液；3）喷浆台车就位并下喷浆管；4）清水喷射预切割，即正式喷射前先输入清水和压缩空气，按施工参数要求的提升速度、旋转速度来旋转提升喷管进行土体预切割；5）第一次正式喷射提升；6）第二次正式喷射提升（全孔复喷）；7）回灌，即喷浆结束后随即向喷射孔静压充填灌浆直到浆面不再下沉为止，确保桩顶高程。

3.3.2 主要施工参数

施工过程中相邻两桩施工距离太近或间隔时间太短易造成串浆，采取分批跳孔施工，即每间隔两孔施工。高压喷射注浆详细施工参数如表2所示。

表2 高压喷射注浆施工参数Table 2 Construction parametersof high pressure jetgrouting

4 软基处理效果

东人工岛岛内满载预压时间148 d，平均表层沉降量为1 896.8mm，平均固结度超过80%，经计算工后残余沉降量小于436.4 mm，满足设计要求。圆筒区满载预压时间297 d，平均表层沉降量为1 444.6mm，平均固结度超过80%，经计算工后残余沉降量小于150.0mm，满足设计要求。

施工完成后对直径≥1.4m挤密砂桩进行标准贯入度检测，结果满足设计要求。其中岛壁挤密砂桩桩顶2 m范围标贯击数12～40击，桩体平均标贯击数达34.6击；沉管隧道过渡段基础挤密砂桩桩顶2 m范围标贯击数18～32击，桩体平均标贯击数达28.4击。高压喷射注浆复合地基平均标贯击数大于17击，满足设计要求。

沉管隧道过渡段挤密砂桩打设完成后进行堆载预压，满载预压166 d，平均表层沉降量为85.3 mm。经计算，地基平均固结度已超过90%，工后残余沉降量小于13mm，满足设计要求。

5 结语

港珠澳大桥是当前世界上最长、施工难度最大的跨海桥隧集群工程，岛隧工程地处中华白海豚核心保护区，人工岛软基施工难度和环保要求都很高。本工程软基处理综合运用了开挖换填法、排水固结法、水下挤密砂桩、高压喷射注浆等工艺。软基处理过程中成功解决了超深塑料排水板打设、深水区高置换率挤密砂桩施工、高固结土中超深高压喷射注浆复合地基施工等一系列工程技术难题，同时也将施工对海洋环境的污染降到了最低。软基处理施工完成后，人工岛的地基沉降、沉管隧道过渡段基础处理效果满足设计要求。本工程软土地基处理综合施工技术工艺成熟，施工效果好，大大节约施工工期和成本，有效保护海洋环境，可为其他类似工程提供借鉴。

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Deep soft foundation treatment com prehensive technology in east artifical island project of Hongkong-Zhuhai-M acao Bridge

SUNHong-chun1,ZHANGHuan2
（1.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCCThird Harbour Engineering Co.,Ltd.,Shanghai200122,China; 2.CREEC(Guangdong)PortChannel Survey and Design Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510335,China）

The eastartifical island soft foundation treatmentof Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge located with deep soft soil and deep water with high requirements for environmental protection etc.This project uses excavation replacementmethod, drainage consolidationmethod,sand compaction pile and high pressure jetgrouting.In construction,it solvesdifficult technical problems such as ultra deep prefabricated drains,high replacement rate sand compaction pile in deep water,deep jet grouting in high compression soil etc.After treatment,the foundation settlement of island,soft foundation treatment at the transition section of immersed tunnel,and environmental protection achieve good results.

artifical island;deep soft foundation treatment;deep prefabricated drains；sand compaction pile；high pressure jet grouting

U655.544

A

2095-7874（2015）11-0015-05

10.7640/zggw js201511005

2015-10-12

孙洪春（1987— ），男，江苏淮安人，硕士，工程师，建筑与土木工程专业，主要从事水运工程施工。E-mail：412837323@qq.com