挤密砂桩加固外海深厚软土沉管隧道基础

2019-05-28何洪涛李建宇林佑高王坤

中国港湾建设 2019年5期

何洪涛，李建宇，林佑高，王坤

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230）

0 引言

挤密砂桩（Sand Compaction Pile，简称SCP）工法是一种通过振动将粗粒料（通常为砂）用桩管压入软弱地基中，并反复向下挤压使得砂桩扩径，使其周围地基发生侧向挤压而地基变得密实的地基加固方法[1]。这种工法通过将高强度的密实砂桩与软弱地基结合形成复合地基，有减小沉降、促进排水固结、增大地基整体刚度、增加滑动阻力、提高地基承载力及侧向变形的作用，达到地基改良的目的[1-6]。

挤密砂桩工法适用于大部分砂性土地基和黏性土地基。根据工作场地的不同，分为陆上挤密砂桩工法和海上挤密砂桩工法。陆上挤密砂桩工法一般用于堤坝、堆场及建筑物基础，而海上挤密砂桩一般应用于防波堤、护岸及码头[2-4]。相比于陆上挤密砂桩工法，海上挤密砂桩工法加固黏性土地基可形成直径约1.6～2.0 m、置换率在30%～80%范围的大直径高置换率挤密砂桩，且处理深度可达水下70 m左右[1]，能有效处理海底深部软弱土层。目前，海上挤密砂桩工法已经成功应用在港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道基础工程[7-12]，文章主要针对挤密砂桩工法处理沉管隧道基础软弱黏性土地基的加固机理、设计方法、处理效果进行阐述。

1 挤密砂桩加固黏性土地基机理

1.1 基本原理

挤密砂桩在黏性土地基形成的桩体与周围的桩间黏性土形成复合地基，在荷载作用下，复合地基中桩体与桩间土共同承载上部结构传递的荷载[1]，基本原理见图1。

图1 挤密砂桩加固黏性土复合地基示意图Fig.1 Schematicdiagramofconsolidationofclaycomposite foundation by compacted sand pile method

复合地基桩体面积为As，加固的总面积为A，则置换率m可用As和A形成如下公式：

当复合地基受到竖向荷载时，由于桩体与桩间土的刚度不同，在桩体上会出现应力集中。作用于桩体上的应力σs与作用于桩间土上的应力σc之比为桩土应力比n。根据垂直方向上的总应力σ、桩土应力比n和置换率m可计算出桩体上的应力σs和桩间土上的应力σc。假定挤密砂桩体和桩间土发生的应变相同，则可用公式（2）到（4）表达上述应力：

式中：μs为应力集中系数；μc为应力降低系数或应力修正系数。

1.2 加固机理

挤密砂桩加固黏性土地基主要有以下几个作用[1，3，6]：

1）置换作用：对于黏性土地基，特别是饱和软黏土，挤密砂桩通过向软土地基压入高强度砂料将软弱土层强制排开并置换，在地基中形成高密实度和大直径的桩体，它与原黏性土形成复合地基共同工作，从而提高了地基的整体稳定性和抗破坏能力。

2）排水作用：挤密砂桩置换了地基中部分黏性土后，形成良好的竖向排水通道，由于砂桩缩短了排水距离，从而可加快地基的固结速率，有效地加速荷载产生的超孔隙水压力的消散，加速地基的沉降。结合排水固结预压，挤密砂桩复合地基能有效降低工后残余沉降。

3）挤密作用：挤密砂桩通过贯入、扩径形成大直径的桩体，使得软弱桩间土挤出，相对密实桩间土留下，从而增强地基整体稳定能力和承载力，特别是对于置换率低于40%的挤密砂桩复合地基有较好的加固作用。

1.3 设计方法

挤密砂桩复合地基是一种散体材料桩复合地基，与其他类型的复合地基相比，散体材料桩复合地基的特点是桩体材料主要为砂石料，施工工艺通过挤密、置换作用将砂石料压入软弱地基中形成扩径桩体，不仅有减小沉降、提高承载力的作用，而且还有加快黏性土地基固结的作用。

1）沉降计算

挤密砂桩复合地基的沉降s可采用应力修正法计算[6]，计算公式如下：

式中：s0为天然地基沉降；n为桩土应力比；m为复合地基置换率；μc为应力修正系数。应力修改法计算沉降的关键在于桩土应力比的合理确定，根据大量不同置换率下的挤密砂桩复合地基实测沉降数据分析，沉管隧道刚性荷载下挤密砂桩复合地基的桩土应力比一般在5～10左右。

2）固结分析

挤密砂桩复合地基的固结符合经典竖井固结理论[1，3，6]，即竖井地基总的平均固结度 Uvh，由竖向排水固结度Uv和水平向排水固结度Uh组成，采用如下公式：

式中：Tv为竖向排水时间因子；cv为竖向固结系数；Th为水平向排水时间因子；ch为水平向固结系数；F（N）为井径比。挤密砂桩施工造成桩间土扰动会影响到复合地基的正常固结，即产生固结延迟效应，因此沉管隧道挤密砂桩复合地基的固结分析采用固结系数修正法，即采用修正后的水平固结系数c′h代替初始水平固结系数ch。根据大量的挤密砂桩复合地基实测沉降时间曲线分析，复合地基实测数据推算的固结系数c′h与室内试验得到的固结系数ch之比，即固结延迟率c′h/ch大部分处于0.03～1.0之间。

2 场地条件

港珠澳大桥岛隧工程位于珠江口伶仃洋水域，场地主要土层从上到下依次主要为①全新世海相沉积淤泥层（）、②晚更新世陆相沉积黏土层（）、③晚更新世海陆交互相沉积黏土层（）、④晚更新世陆相冲洪积沉积砂层（）、⑦震旦纪变质层（Z），图2为典型地质剖面图[13]。其中表层为厚度约10～20 m、呈流塑～软塑状态的软弱黏性土，沉管隧道沿线均有分布，但是由于沉管隧道的埋深不一，中间段大部分软土基本被挖除，而在两侧的过渡段存在变化的软土厚度，这将是沉管隧道基础沉降控制的关键点。典型孔压静力触探CPTU测试结果见图3，场地主要土层的物理力学指标见表1。

图2 港珠澳大桥岛隧工程地质剖面示意图Fig.2 Geological profile diagram of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island and tunnel project

图3 典型孔压静力触探CPTU测试结果Fig.3 Typical CPTU test results

表1 场地主要土层的物理力学指标Table 1 Physical and mechanical index of main soil layer in site

3 沉管隧道挤密砂桩复合地基

3.1 沉管隧道基础

传统的沉管隧道一般位于海（河）床表面上，基槽开挖量不大，上覆荷载小，对地基要求不高，即怕浮不怕沉[14]。但港珠澳大桥沉管隧道为深埋沉管隧道，上覆回淤荷载大，下卧软基厚，对地基要求高，沉降问题甚至是工程建设成败的关键。特别是港珠澳大桥沉管隧道通过海中人工岛与桥梁段相连接，与人工岛相邻的西岛过渡段、东岛过渡段存在厚度变化的海相软弱黏性土，沉管隧道需跨越不同地层，工程地质条件复杂。

经过计算，对比分析了沉管隧道在使用荷载条件下不进行地基处理和进行地基处理的总沉降，见图4。

图4 沉管隧道在使用荷载条件下不进行地基处理和进行地基处理的总沉降Fig.4 The total settlement of immersed tunnel without and with ground improvement under load conditions

结果表明，沉管隧道只有在中间段可不进行地基处理满足设计要求，沉管隧道过渡段为满足差异沉降的设计要求，必须进行地基处理或采用深基础满足差异沉降控制要求。早期使用刚性接头的沉管隧道多使用偏刚性的桩基础，但水力压接的柔性接头出现后，沉管隧道基础较多地采用了复合地基进行地基处理。

为实现隧道与地基刚柔协调和沉降平稳过渡至人工岛，将沉降差控制在隧道结构可承受的范围内，沉管隧道基础采用了天然地基、挤密砂桩复合地基、高压旋喷桩复合地基、PHC复合地基形成组合基础，以满足整个沉管隧道沉降与刚度的协调一致。

3.2 挤密砂桩复合地基

沉管隧道过渡段的挤密砂桩复合地基有两种方案[13]。附加应力 <0的区段用高置换率挤密砂桩复合地基的处理方式，挤密砂桩采用了直径1.5～1.6 m，间距1.8 m×1.8 m的正方形布置，置换率约为55%～62%，典型断面见图5；附加应力＞0的区段用挤密砂桩复合地基结合水下堆载预压的处理方式，挤密砂桩采用了直径1.5～1.7m，间距为2.1m×2.1m、1.8 m×1.8 m的正方形布置形式，置换率约为42%～70%，超载比约为1.3，堆载区域两侧还设置了直径1.0 m、间距为2.7 m×2.7 m正方形布置、置换率约为11%的排水砂井作为堆载预压期排水通道，典型横断面见图6。

图5 未采用堆载预压的挤密砂桩复合地基Fig.5 SCP composite foundation without preloading

图6 采用堆载预压的挤密砂桩复合地基Fig.6 SCP composite foundation with preloading

4 加固效果

4.1 堆载施工期

由于沉管隧道西岛过渡段管节E1-S3～E4-S3区段和东岛过渡段地基软弱淤泥层深厚，设计采用挤密砂桩复合地基结合堆载预压加固处理，挤密砂桩不仅作为复合地基的竖向增强体，同时也作为堆载预压期间的排水通道。沉管隧道过渡段水下堆载预压监测主要采用了地表沉降和分层沉降监测[15-16]。

1）西岛过渡段

图7为西岛过渡段K12+486.75里程位置沉降监测断面图，沉降标埋设高程分别为-19.5 m（挤密砂桩顶）、-27.0 m、-30 m、-33 m、-36 m、-42 m（密实砂层顶）。图8为堆载预压期间挤密砂桩复合地基分层沉降随时间变化曲线。西岛过渡段K12+486.75里程的挤密砂桩桩径1.5 m，采用间距为1.8 m×1.8 m的正方形布置，置换率约为55%，水下堆载厚度约13 m。

图7 西岛过渡段挤密砂桩复合地基沉降监测断面图（K12+486.75）Fig.7 Cross section of settlement monitoring for SCP composite foundation at K12+486.75

图8 堆载预压期间挤密砂桩复合地基分层沉降随时间变化曲线（K12+486.75）Fig.8 Field settlement against time curves for SCP composite foundation during surcharge preloadingat K12+486.75

从图8可知，挤密砂桩复合地基沉降随着前期荷载施加约30 d期间快速增长，后期在约120 d的满载期间，沉降随着时间不断发展并逐渐收敛，最后在满载约150 d时沉降稳定，复合地基桩顶最大沉降约53 mm，最终沉降速率约为0.01 mm/d，深部土层的分层沉降在荷载施加完成后基本无变化。

2）东岛过渡段

图9为东岛过渡段K7+171.57里程位置沉降监测断面图，沉降标埋设高程分别为-23 m（挤密砂桩顶）、-48 m、-51 m、-54 m、-57 m、-60 m。图10为堆载预压期间挤密砂桩复合地基分层沉降随时间变化曲线。东岛过渡段K7+171.57里程的挤密砂桩分上、下2个部分，其中上部挤密砂桩桩径1.5 m，采用间距为1.8 m×1.8 m的正方形布置，置换率约为55%；下部挤密砂桩桩径1.1 m，采用间距为1.8 m×1.8 m的正方形布置，置换率约为29%；水下堆载厚度约12 m。

图9 东岛过渡段挤密砂桩复合地基沉降监测断面图（K7+171.57）Fig.9 Cross section of settlement monitoring for SCP composite foundation at K7+171.57

图10 堆载预压期间挤密砂桩复合地基分层沉降随时间变化曲线（K7+171.57）Fig.10 Field settlement against time curves for SCP composite foundation during surcharge preloading at K7+171.57

从图10可知，由于东岛过渡段软土比西岛过渡段较厚，因此施工期的沉降更大；挤密砂桩复合地基沉降随着前期170 d的荷载加载期间快速增长，后期沉降随着时间不断发展并逐渐收敛，最后在满载约300 d左右时沉降趋于稳定，复合地基桩顶最大沉降约72 mm，最终沉降速率约为0.01 mm/d，深部土层的分层沉降在荷载施加完成后基本无变化。

4.2 沉管管节沉降

沉管管节的沉降是直接反应沉管结构和周围地层稳定性的一个重要标志，同时通过对沉管管节沉降监测的实施，可以对管节沉降的发展变化进行预测，也为下一管节的沉放坐标修正提供依据，因此管节的沉降数据是关系到沉管隧道施工沉放及后期安全性的关键指标。

通过在隧道管节上安放仪器，对管节外墙的横向、纵向倾斜进行监测测量，可以得到管节在沉放完成后沿轴线方向以及垂直于轴线方向上的倾斜变化情况。该项监测可判断管节沉放之后的整体姿态变化，同时用于判断管节沉放后的不均匀沉降以及管节之间的相对位移变化[15-16]。图11和图12分别为沉管隧道全线管节总沉降及差异沉降。