深中通道沉管基础水下深层水泥搅拌桩应用全过程探讨

2022-08-04殷天军宁华宇寇晓强

中国港湾建设 2022年7期

殷天军，宁华宇*，寇晓强

（1.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

水下深层水泥搅拌桩（DCM）是海上加固软弱地基的有效措施之一。其通过将固化材料（通常为水泥浆）利用特定设备注入原状土中，并在原位通过强制切削搅拌后使固化材料与原状土发生各种物理-化学反应而形成具有一定强度的桩体，桩体和桩间土共同承载上部载荷形成复合地基，从而达到加固地基、提高承载力及稳定性的作用。具有施工效率高、干扰少、污染小、适应性强、免疏浚、可靠获得预期强度、沉降一次性发展、残余沉降量小等优点。

水下DCM 施工技术于1984 年引入国内，并在1988 年及1993 年于天津港及烟台港进行了较小规模的施工应用，并取得了预期效果[1]。但由于应用案例相对较少，国内对此项施工技术的相关研究相对较少，还未形成一套完整、规范的设计方案、施工技术及工后检测体系。本文通过深中通道沉管隧道基础中该技术的大规模应用，同时结合前期香港机场应用情况，从设计方案优化、施工工艺研究、工后检测体系建立等方面进行相应的研究和总结。

1 工程概况

深中通道是粤港澳大湾区规划建设的重大基础设施项目，是继港珠澳大桥之后又一集桥、岛、隧于一体的超大型跨海通道工程。该工程采用双向八车道钢壳沉管隧道方案，同时首次大规模采用水下DCM 处理工艺作为沉管隧道基础。

本工程深层水泥搅拌桩处理体积达74 万m3，规模宏大。处理范围地质复杂，处理深度达风化岩层，穿越地层种类多，施工工艺控制要求高。特别是斜坡段区域，该区域地处采砂区，由于前期的采砂作业，严重改变了其原有地质沉积分布结构，使该区域地层分布极为复杂，淤泥与砂层交错分布，局部存在明显的采砂坑，持力层分布也极不均匀。

深中通道沉管基础DCM 采用单桩柱式布置形式，单桩截面呈梅花状，直径2.3 m，沿纵向间距3 m，根据上部载荷不同横向间距分为3 m、4 m和5 m 三种，具体见图1。施工桩底标高从-26.86～-37.7 m 不等，桩顶标高范围-12.93～-27.84 m，60 d 无侧限抗压强度分别为1.6 MPa 和1.2 MPa，对应水泥掺量分别为320 kg/m3和280 kg/m3。

图1 DCM 典型布置形式平面图（cm）Fig.1 DCM typical layout plan（cm）

2 复合地基设计方案优化

2.1 设计强度优化

以E1、E2 管底为例，初步设计要求28 d 无侧限抗压强度（UCS）需满足1.6 MPa 及1.2 MPa，相应技术要求如表1。

表1 不同区域DCM 初步设计要求Table 1 DCM preliminary design requirements for different areas

但从工程需要及经济性角度分析，最大荷载均在DCM 施工成桩90 d 后进行施加，结合JTS 147—2017《水运工程地基设计规范》[2]及实际施工经验，DCM 桩28～90 d 的UCS 仍持续明显增长[3]；从工程施工质量风险角度来看，由于现场处于采砂坑区域，地质情况复杂，试桩UCS 结果表明，当水泥掺量超过规范要求的掺量上限时，UCS（28 d）仍存在一定的离散性，具体如图2 所示。

图2 试桩UCS（28 d）散点图Fig.2 Scatter diagram of test pile UCS(28 d)

鉴于以上情况，在保证DCM 施工质量的同时，为提高其经济性，结合工程需求及质量控制要求对技术要求作适当的调整。假设90 d 单桩UCS 达到1.6 MPa 及1.2 MPa 即可满足复合地基承载力要求，根据《水运工程地基设计规范》单桩承载力特征值参照计算公式（1）：

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；Ap为搅拌桩的截面积，m2；η为桩身强度折减系数，取0.29；fcu为与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为70.7 mm 的立方体）在标准养护条件下90 d 龄期的立方体抗压强度平均值，kPa。

计算可得单桩承载力特征值Ra= 2 148 kN 及1 611 kN。

深层水泥搅拌桩复合地基承载力特征值按公式（2）：式中：fspk为复合地基承载力特征值，kPa；m为搅拌桩的面积置换率；β为桩间土承载力折减系数，取0.1；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa，取35 kPa。

计算可得fspk= 221.3 kPa ＞165.8 kPa 及fspk=166.4 kPa ＞81.4 kPa。均大于设计最大载荷，故DCM 桩在E1 及E2 管底90 d 无侧限抗压强度分别达到1.6 MPa 及1.2 MPa 即可满足最大载荷要求。

考虑工后检测周期，评价龄期为60 d 较为合理，故根据《水运工程地基设计规范》，不同龄期UCS 对应关系如经验公式（3）、式（4）。

经计算，qu90= 1.6 MPa 及1.2 MPa 对应qu60分别为1.3 MPa 及0.97 MPa 即可。考虑一定的质量保证系数，调整其技术要求为60 d 无侧限抗压强度设计值分别为1.6 MPa 及1.2 MPa。

2.2 桩端持力层优化

初步设计文件要求“桩的处理深度根据受力确定，原则上要打入标贯达到30～50 击的全风化岩层，进入全风化岩层1.5 m，确保消除可能存在的采砂坑的隐患”。

DCM 桩是介于刚性桩和柔性桩之间的一种半柔半刚桩，主要通过桩体与周边土体共同形成的复合地基来提高地基承载力，风化岩上部广泛存在中粗砂覆盖层，尤其在E2—E5 管节位置，且中粗砂层普遍标贯值为30～50 击。另外，DCM 工艺主要处理软土地基，现有DCM 船钻头形式在切削中风化岩时适用性较差，如需贯入至中风化岩1.5 m，则存在DCM 钻具长时间无法贯入、卡钻甚至电机烧毁等设备损伤的安全风险。

因此，在持力层满足承载力要求且地勘显示不存在软弱下卧层的情况下，可调整部分区域以中粗砂地层作为桩端持力层，或者选择风化岩层顶面作为桩端持力面。

鉴于以上情况，同时结合试桩区地质、处理机进入持力层反馈状态总结及工后检测验证等情况，配合智能化操作系统，建议桩端持力层判定以设计桩底标高为基准，采用动态控制，具体规则如下：

1）典型施工以设计底标高为主要参考依据。

2）在设计底标高±3 m 范围内处理机以固定参数（0.3 m/min，120 L/min，25 r/min）贯入，处理机速度下降至0.3 m/min 以内且维持60 s 以上，或出现单处理机电流值超过处理机额定电流值20%以上持续4 s 的现象，结合缆绳松弛情况综合判定着底，可停止钻进进行后续施工工作。

3）若出现高于设计底标高3 m 且满足上述条件不能钻进的情况时，应及时上报设计单位进行确认。

4）如遇较大范围桩底标高达不到持力层的情况，上报设计单位，由设计单位确定对地质情况进行探摸或补勘，根据实际地质情况明确后续处理方案。

经过工后检测验证，桩底持力层均达到标贯击数＞50 击的风化岩层，充分验证了上述判底条件的科学性、适用性及操作性。

2.3 检测方案优化

初步设计文件要求针对DCM 成桩进行取芯、原位静力触探试验（CPT）、振动、湿抓及径向加压等5 种检测项目，见表2。检测工作技术要求高，工作量大，需要配备大量的技术及船机资源实施。

表2 初步设计要求检测项目及工作量统计Table 2 Statistics of testing items and workload required by preliminary design

由于海上湿抓取样难度大，作业程序复杂，试验需施工完成24 h 内即进行取样，现场作业面为长条形，作业空间有限，施工交叉干扰极大，结合香港机场项目施工经验，取消该试验项目[4]。

要求采用CPT 试验检验DCM 桩顶标高及桩底持力层深度，存在以下困难：深中通道有别于香港机场的持力层要求，前者基本为风化岩层，后者为硬黏土层；大陆CPT 经验值较少，数据可靠性无法保证，判定误差较大；标贯试验是大陆相关规范中明确规定的DCM 持力层位置及力学强度的检测方法，检测方法简单直接。

变形模量的测试方法主要有刚性膨胀计（钻孔弹模仪）、柔性膨胀计（旁压仪）及大型岩石三轴仪3 种方式，3 种方法测试的设备、方法、表征侧重点及结果均有所不同，径向加压法主要用于测试岩体的径向变形与应力的关系，应用于DCM 等搅拌桩体检测主要存在以下两方面适用性问题：

1）仪器量程普遍较大，加压最大量程基本在40～200 MPa，而DCM 桩身强度在2～3 MPa，不能良好地适用于DCM 桩体；

2）径向加压试验为通过施加径向压力得到被测体的径向应力应变关系，而DCM 复合地基的受力主要是竖向受力；

经研究分析，确定大型岩石三轴仪试验结果可以反应DCM 全变形与压力之间的关系，得到的变形模量为桩体竖向的变形特性，可更加客观地表征和评价桩体质量[5]。

经优化，工后检测取消了湿抓试验，并将原位静力触探试验（CPT）及径向加压试验分别优化为标贯试验（SPT）及室内大型三轴试验。

3 DCM 施工工艺改进

3.1 动作曲线、施工参数优化

DCM 动作曲线是指施工过程中钻头位置、动作等参数随时间变化所形成的曲线，是自动化操作系统控制各阶段位置和动作的依据和标准，为整个工艺的关键所在。其为非固定形式，总体呈现“W”形，需根据不同工程、地质条件进行特别设计，动作曲线设计优劣直接关系到工程质量及施工效率，设计总体目标是在满足喷浆量及切土次数的前提下，尽量提升施工效率、降低设备安全风险。

动作曲线按照不同的喷浆方式，总体分为贯入式喷浆和提升式喷浆2 种形式，前者在贯入过程中即开始同步喷浆作业，后者在钻杆贯入至所需深度后提升过程中进行喷浆作业。考虑施工过程中存在设备故障、突发恶劣天气等非可控因素影响，可能导致无法贯入至所需标高、喷浆中断、中途被迫停止作业等工况，故在保证设备安全、施工质量及降低过程风险方面，后者优于前者。由于短桩钻杆贯入较浅，作业时长较短，上述风险相对较小，故前者适用于短桩（≤8 m），后者适用于长桩（＞8 m）；视是否需要搭接，前者可减少搭接部位原状土的混入比例，更能保证搭接位置施工质量；从施工效率角度讲，前者效率高于后者；从工艺损耗来看，前者低于后者，较为节约成本。

1）不同桩长曲线优化

结合设计情况，深中通道DCM 设计桩长差异较大，从3.7～22.9 m 不等，综合考虑安全、质量及效率等因素，以桩长8 m 为界，分别设计了长桩和短桩曲线，对应采用提升式喷浆和贯入式喷浆，贯入式喷浆方式为国内首次大规模使用。

2）桩顶动作曲线优化

试桩结果发现，桩顶5 m 淤泥质地层成桩质量较差，分析成因可能为切削次数过多、喷水稀释及水泥掺量不足导致，通过降低桩顶切土次数、无喷水及增大水泥掺量3 种方式进行试验，发现切土次数对成桩质量的影响有限，而无喷水及增大水泥掺量可明显改善桩顶质量。体现在动作曲线上则为下贯时不喷水、喷浆阶段提高提升速度、降低处理机转速，并提高喷浆量来实现。

3）深厚砂层曲线优化

施工区域地勘显示，地层中存在深厚中粗砂层，最厚可达13 m，深厚砂层中成桩质量较其它地层差，结合地勘资料及后台数据分析，认为此现象主要原因为中粗砂层渗透性较高，原位喷水后导致水泥浆与中粗砂结合较差，水泥浆流失所致。通过设计试验现场得以验证。处理措施为保证设备安全的前提下，尽量减少砂层中喷水量。体现在动作曲线上则为取消砂层位置自动喷水动作，改为手动控制，视处理机电流超限报警情况，适当手动喷水。

通过不断研究优化，对各种参数间协调匹配，最终设计了一套有针对性的施工曲线，在保证各项技术指标及施工质量满足设计及规范要求前提下，有效节约成本，提高效率。

3.2 自动化控制系统优化

DCM 桩通过专用船舶进行施工。各个设备、系统动作及参数均通过自主开发的自动化操作系统进行控制，主要包括GPS 定位系统、处理机控制系统、制供浆控制系统、CCTV 监控系统、报警系统等子系统。其工作原理为由中央计算机收集深度发信器、吃水计发信器、旋转方向、电磁流量计、潮位计、注浆泵等设备的信号，经过计算，在工作界面显示钻头深度（m）、钻头速度（m/min）、吃水（m）、水位（m）、旋转速度（r/min）、旋转方向（正/反）、瞬间流量（L/min）、累计流量（L）、水泥比重等相关数据，可对注浆流量、水泥配比等一系列工作进行自动化控制，从而实现DCM 桩自动制作[6]。

为满足深中通道对DCM 桩施工过程质量控制的要求，将原有DCM 施工管理控制系统通过分系统间数据交互、后台全程记录、操作界面可视化、可动态调整参数及功能拓展等几方面进行升级，使其“一键制桩”功能适应更复杂的工况，同时兼具手动操作权限，以备特殊情况下人为干预。具体改进和升级情况如下：

1）实现测量控制系统和操作系统的数据交互，桩位位置偏差、高程、垂直度等测量数据通过物联系统实时反馈至操作系统，提高制桩精度，降低人员作业强度。

2）首次引入判底条件和要求判断模块，降低人为控制因素影响，使判底更加准确和科学，并实时后台记录，做到有据可依，数据可追溯。

3）首次实现自动生成制桩过程记录曲线，完成制桩后，系统即自动生成过程记录曲线，方便相关人员检查了解施工过程情况。

4 工后原位检测

DCM 桩检测工作优化后主要包括3 部分：1）原位SPT 结合取芯检测桩顶底标高、桩身完整性、桩端持力层检测；2）室内无侧限抗压强度及变形模量试验；3）振动取样。具体检测方法及结论如下：

1）原位SPT 结合取芯检测桩顶底标高、桩身完整性、桩端持力层检测

取芯检测工作采用海上自升式钻探平台安放300 型钻机配套三重管取芯器进行取芯，取芯器内径100 mm。同时结合芯样情况判断桩顶底标高、桩身完整性及取芯率。

取芯至桩底标高后，进行桩端持力层的标准贯入试验检测，标贯设备及试验方法符合相关标准规范规定，不再赘述。

检测结果表明，绝大多数桩均存在不同高度的隆起，桩顶隆起范围在0.02～3.05 m 之间，平均隆起量0.8 m，相关施工经验和研究成果表明，DCM 隆起现象为工艺原理本身引起[7]。桩底标高与施工桩底标高相比，前者均低于后者，范围在0.01～0.98 m 之间。桩端持力层均为标贯≥50 击风化岩层，达到目标岩位。桩身连续、完整，搅拌均匀，芯样呈柱状，均匀性良好。取芯率均在98%以上，满足取芯率不低于80%的设计要求。

2）室内无侧限抗压强度及变形模量试验

取芯过程中，随机选取连续完整部分制取1个芯样，按照JGJ 340—2015《建筑地基检测技术规范》中高径比为1 ∶1 的要求进行无侧限抗压强度试验制样。同时按照桩身上、中、下3 段，每段随机选取2 组试样，按2 ∶1 高径比进行变形模量试验制样。切样后立即放入样箱进行现场养护，运输途中确保样箱平稳，送至试验室后进行标准养护直至破型试验[8]。

室内UCS 试验采用100 kN 试验机，试验过程采用应力控制模式，根据JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》要求，以0.15 kN/s 的速度匀速施加压力，直至压力峰值出现后结束试验[9]，典型的无侧限抗压强度曲线如图3 所示。

图3 DCM 芯样UCS 典型试验结果Fig.3 UCS typical test results for DCM core specimen

变形参数用变形模量E50来度量，E50指应力为50%抗压强度时水泥土的割线模量。采用应变控制式大型岩石三轴试验机进行。在围压为200 kPa 的条件下，以0.12 mm/min 加载速率缓慢地施加轴向应力，得到应力应变曲线[10]，典型结果如图4 所示。取DCM 芯样峰值应力一半的应力、应变之比值，求得DCM 芯样的变形模量。

图4 DCM 芯样试件应力—应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of DCM core specimen

检测结果表明，60 d 桩身无侧限抗压强度平均值、最小值及变异系数均满足设计要求。桩身平均变形模量均≥100 倍桩身强度，满足设计要求。

3）振动取样

随机确定振动取样位置，取样后进行密封制样，进行界限含水率、天然含水量试验并进行颗粒分析以及化学成分分析。

5 监测情况

通过对已安沉管沉降位移进行监测，以验证DCM 复合基础处理效果。已全部完成上部回填施工的管节沉降量为29～39 mm，整体沉降比较均匀，沉降趋势平稳，各管节沉降基本均匀，未出现明显差异沉降，单个管节首尾沉降差较小，已安沉管荷载-累计沉降关系曲线如图5 所示。说明DCM 复合地基基础处理效果良好，刚度均匀，可有效起到控制纵向不均匀沉降的目的。