海上深层水泥搅拌法在香港国际机场第三跑道填海工程的应用

何洪涛，王征亮，林佑高，谢万东

（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

深层水泥搅拌法（Deep Cement Mixing Method，简称DCM 工法）是原位地将水泥等固化剂与软土进行强制搅拌，并使地基土改良的一种地基处理工法[1-5]。海上深层水泥搅拌法是一种地基处理新技术，即通过特制的海上施工船机将水泥等固化剂与海床软土原位强制搅拌形成水泥土柱，具有加固效率高、成桩直径大、强度高、质量可控、环保等特点，可广泛应用于砂性土、黏性土等几乎所有土质的地基处理[6]。海上深层水泥搅拌法单个搅拌处理机一般为4～8 轴联动，多轴搅拌形成水泥土桩簇，每个桩簇的加固面积可达4～7 m2，最大加固深度可达水下70 m。

1 加固机理

1.1 加固形式

深层水泥搅拌法复合地基根据水泥加固体在地基中的布置形式，可分为块式、壁式、格栅式及桩式等加固形式[1-5]。加固形式的选择与上部结构的类型、尺寸及重要性、地基处理的目的及使用要求、工程造价、场地条件等密切相关，可通过技术经济比选综合确定。大中型建筑物特别是重力式结构，不仅地基承载力及变形要求高，而且还受到水平推力作用，需要通过DCM 加固地基来满足承载力、整体稳定性等要求，宜采用块式、壁式或格栅式加固形式；对于小型建筑物和填土路堤基础，主要满足沉降控制要求，宜采用桩式加固形式。但特别需要注意的是，当采用桩式布置加固填土路堤的边坡稳定时，由于桩式水泥加固土柱本身较低的抗拉强度而易发生弯曲破坏，极易导致边坡发生整体失稳破坏。表1 为对比分析深层水泥搅拌法复合地基不同加固形式的特点，可看出块式加固形式稳定性最高，但造价相对最高；而壁式和格栅式加固形式能达到一定稳定性，但造价低于块式，经济性较高，同时桩体需要相互搭接，质量控制要求较高；桩式加固形式主要用于填土路堤沉降控制，造价也相对最低。

表1 深层水泥搅拌法复合地基不同加固形式的特点Table 1 Characteristics of different improvement types of DCM composite foundation

1.2 分析方法

深层水泥搅拌法复合地基的主要目的是提高稳定性和控制沉降，主要包括稳定及沉降分析。

1） 稳定分析

对于块式、格栅式或壁式加固形式的深层水泥搅拌法复合地基，基本的设计原理是将加固体作为一个整体进行外部稳定分析和内部稳定分析，包括进行整体稳定、抗滑、抗倾覆及承载力验算[7-9]。对于壁式加固形式的深层水泥搅拌法复合地基，还应包括DCM 墙之间的桩间土挤出破坏验算，如图1 所示。

图1 块式、格栅式或壁式加固形式深层水泥搅拌法复合地基的稳定破坏模式Fig.1 Stability failure mode of block，grid or wall type DCM composite foundation

假定水泥加固体与桩间土在相同应变条件下达到最大强度，则深层水泥搅拌法复合地基的强度可由水泥加固桩体与桩间土采用置换率进行复合，见式（1）。

式中：cu，column为水泥加固体桩体强度；cu，soil为桩间土强度；m 为置换率。

桩式加固形式的深层水泥搅拌法复合地基稳定破坏模式较多，而且相对较复杂。由于桩体强度、应力水平、加固位置的不同，桩式深层水泥搅拌法复合地基可能会发生弯曲破坏、剪切破坏及倾覆破坏等模式，见图2[9]。因此，桩式深层水泥搅拌法复合地基不能简单采用式（1）根据面积置换率对水泥加固桩体和桩间土的加权平均抗剪强度进行稳定性分析，需要考虑桩体的抗拉强度。

图2 桩式深层水泥搅拌法复合地基稳定破坏模式Fig.2 Stability failure mode of group column type DCM composite foundation

2） 沉降分析

深层水泥搅拌法复合地基的沉降分析，基本设计原理是将桩体和桩间土等效当作整体复合地基，采用复合参数进行沉降分析。当复合地基受到垂直荷载时，由于桩体与桩间土的刚度不同，在桩体上会出现应力集中[1-4]。作用于桩体上的应力σcol与作用于桩间土上的应力σsoil之比为应力分担比n。

深层水泥搅拌法复合地基的沉降可通过加固前天然地基的沉降乘以沉降折减系数得到[1]：

式中：s 为复合地基上的沉降；s0为加固前天然地基的沉降，可采用太沙基一维固结理论计算分析；β为沉降折减系数。

1.3 施工技术

海上DCM 施工包括5 个关键工序[6]，分别为定位、搅拌处理机下沉、着底及桩端处理、提升喷浆形成水泥土柱、完成DCM。

2 案例分析

2.1 工程概况

香港国际机场第三跑道填海工程（简称香港三跑工程）在现有机场岛以北填海拓地约650 hm2，兴建一座新的客运大楼、57 个停机位及一条长3800 m 的机场跑道[10-11]。然而，如图3 所示，由于填海范围下卧深厚海相软弱淤泥，且填海面积的40%是污泥坑，如果采用传统的排水板或砂石桩堆载预压排水固结法处理污泥[12]，不仅预压时间较长，而且可能会释放潜在的污染物，影响回填区域的海洋水质条件及白海豚的生存环境。为避免环境污染，同时加快填海工程的进度，填海工程大部分采用非浚挖式的填海及地基处理技术，即海堤、跑道区及大部分填海范围均采用海上深层水泥搅拌法进行地基处理，以满足整体稳定及地基沉降要求。

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

整个填海范围的地基处理主要分为回填区和海堤。大部分回填区的软土地基采用了间距为4.8 m×4.8 m，置换率约为20%的桩式深层水泥搅拌法复合地基，主要目的是减少软土地基的工后沉降，并尽可能减少土体扰动、降低环境影响。海堤下方的软土地基采用了置换率20%～33%、DCM 桩墙间距4.8～6 m 的壁式布置水泥搅拌法复合地基，主要目的是满足软土地基上海堤的边坡稳定要求。现场选用了大型多搅拌头、自动化程度高的专用海上深层水泥搅拌船，单桩搅拌叶片直径1300 mm，四轴联动单次加固面积约4.6 m2，地基处理效率较高。现场采用的不同加固形式DCM 典型平面布置见图4。

图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 现场试验

目前，海上深层水泥搅拌法已广泛应用于中国、日本、韩国、越南等亚太地区，以及美国和欧洲，但从未在香港地区应用。因此在大面积应用海上深层水泥搅拌法之前，先在回填区场地内选择代表性区域进行现场试验，以验证深层水泥搅拌法的加固效果，并确定相应的施工参数。

深层水泥搅拌法在香港三跑工程回填区域共进行了2 次现场试验。2011—2012年，首先采用了单桩直径约1.21 m、单次加固面积约2.2 m2的海上双轴深层水泥搅拌法进行第1 次现场试验。现场试验结果证实了海上深层水泥搅拌法可用于加固污泥，现场取出的水泥土芯样的强度和刚度均有大幅提高，并且没有出现不利的环境影响。但由于海上双轴深层水泥搅拌法工效较低，无法满足工期要求，现场需要找到一种工效更高的海上深层水泥搅拌法工艺。2014—2015年，现场采用了单桩直径约1.3 m、单次加固面积约4.6 m2的四轴深层水泥搅拌法进行第2 次现场试验。此次试验的加固范围更大，选择了桩式、壁式和块式等不同加固形式的深层水泥搅拌法进行试验，并且测试了不同水泥掺入量对桩体强度的影响。现场试验结果反映采用多桩架的四轴深层水泥搅拌法能满足工期要求，并且28 d 现场取芯试样能满足1.2 MPa 的强度要求。

2.3 大面积加固效果分析

为了验证海上深层水泥搅拌桩法的加固效果，现场大面积加固完成后按一定比例对加固后28 d龄期的深层水泥搅拌桩进行取芯，并进行室内无侧限抗压强度试验、弹性模量（E50）等测试。试验结果表明，大部分深层水泥搅拌桩芯样的28 d 无侧限抗压强度可达1.2～3.0 MPa，弹性模量（E50）约为100～300 MPa，搅拌桩加固质量良好。

3 讨论

通过现场大面积的应用，海上深层水泥搅拌法有如下特点：

1） 由于海上深层水泥搅拌法是一种非浚挖式的地基处理方法，相比传统的开挖换填法、排水固结法等[12-13]，海上深层水泥搅拌法对环境影响较小，特别是加固污染土时，不会释放污染物，达到固化、稳定化加固目的。

2） 相比传统的陆上深层水泥搅拌法，海上深层水泥搅拌法一般采用四轴、六轴或八轴等多轴工艺，搅拌轴加固形成的水泥加固土柱直径大（一般为1.0～1.6 m），单次加固面积4～7 m2，地基处理加固效率较高，可大幅缩短工期。

3） 海上深层水泥搅拌法的搅拌机内轴搅拌头与外轴搅拌翼互相反方向旋转，并且搅拌次数较多，地基土得到充分搅拌，可形成高强度水泥加固体，一般28 d 龄期的水泥土无侧限抗压强度可达到1.2～1.4 MPa，远高于传统的陆上深层水泥搅拌法，并且强度离散性小，保证率较高。

4） 深层搅拌法的加固深度取决于施工机械桩架的高度，传统的陆上深层水泥搅拌法一般为15～30 m 左右，而海上深层水泥搅拌法加固软土最深可达水下70 m，可有效加固海床面以下深层软弱土层。

5） 深层水泥搅拌法一般需要28 d 或以上的龄期才能达到一定强度，形成的复合地基强度高、刚度大，整体性好，特别适用于对差异沉降和工后沉降控制严格、稳定性要求高的工程。

6） 当加固无表层覆土的软土时，由于海床上覆压力较小，海上深层水泥搅拌法施工前一般需要设置1～2 m 厚的砂垫层，以确保桩头部位的搅拌效果，同时减少水泥浆液的大量排出，对环境的影响可降至最低。然而，海上深层水泥搅拌法施工过程中向地基注入了大量水泥浆，地基土很容易产生隆起，特别是采用置换率较高的壁式、格栅式或块式等加固形式时，隆起土高度可达2～3 m。隆起土中一般混有一定量的水泥浆，具有一定的强度，但隆起土强度离散性大，对于稳定性和敏感性较高的边坡工程，常常采用抓斗挖除的方法处理隆起土；但如果上部结构仅有沉降要求时，且施工过程控制较好，也可根据上部结构特性和使用要求不挖除，有效利用隆起土[13-14]。

4 结语

海上深层水泥搅拌法在香港三跑工程的大面积应用，证实了海上深层水泥搅拌法用于加固污泥和海相淤泥等软土地基是可行的，对环境影响较小。香港三跑工程海堤下方采用了置换率约为20%～33%的壁式DCM 复合地基，以满足海堤的边坡稳定要求；陆域回填区采用了置换率约为20%的桩式DCM 复合地基，以减少软土地基的工后沉降。海上深层水泥搅拌法形成的复合地基共同承担上部荷载，能大幅提高岸坡稳定性、减小回填区地基沉降，达到地基改良的目的。

海上深层水泥搅拌法相比传统的陆上深层水泥搅拌法和其他地基处理方法，有加固效率高、成桩直径大、强度高、处理深度大、环境污染小、适用范围广等优势，特别适合对沉降要求严格、稳定性要求高的工程项目。特别是海上深层水泥搅拌法能适应海洋工程的特点，能在一定程度上克服风浪作业，在深水海域几乎成为唯一的软土地基加固手段，非常适用于人工岛、深水防波堤、护岸、深水港等工程的地基加固。