海上擠密砂樁工法及其在港珠澳大橋島隧工程的應用

林 鳴，梁 桁，劉曉東，李建宇

（中交股份聯合體港珠澳大橋島隧工程項目總經理部，廣東 珠海 519080）

1 港珠澳大橋島隧工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海及澳門的大型跨海通道。大橋工程包括海中橋隧主體工程、香港、澳門、珠海三地口岸及連接線工程，海中橋隧主體工程全長約29.6 km，采用橋隧組合方式，島隧工程是大橋的控制性工程[1]，包括兩個長度為625 m的隧道人工島及5 664 m長的海中沉管隧道，島隧工程是當今世界同類工程綜合技術難度最大的工程之一。

島隧工程平均水位+0.54 m，原海床面標高約-8.0～-10.0 m，主要分布四大土層，第一層淤泥、淤泥質黏土，厚度3.5～25.4 m，標貫擊數＜1；第二層黏土，厚度0.6～10.5 m，標貫擊數約12.5；第三大層黏土、粉質黏土，厚度0.9～39.3 m，標貫擊數12.9～24.4擊；第四大層為密實砂層。不論是人工島填筑還是沉管隧道斜坡段的基礎，即便經過局部開挖換填，仍需對厚度達10～20 m的高壓縮性軟土進行加固處理。

東、西隧道人工島采用深插式鋼圓筒形成止水型島壁結構，島壁外設拋石斜坡堤，采用低置換率擠密砂樁復合地基基礎，島內采用降水聯合堆載預壓加固軟土地基。

沉管隧道共分為33節依次為E1、E2、E3、…E32、E33，標準管節長度180 m，其中E7～E29管節基礎為天然地基，E1～E6及E30～E33管節下軟土層較厚需進行處理，為控制沉降并實現隧道地基剛度的平順過渡，這些區域采用高置換率擠密砂樁復合地基。

為適應工程區域嚴格的環保要求，島隧工程地基處理采用了擠密砂樁這種環保的軟基處理方法，本文主要介紹擠密砂樁復合地基在島隧工程不同區段的設計與施工。本工程共投入7條砂樁船，圖1為正在作業的砂樁6號，圖2、圖3為低置換率和高置換率擠密砂樁的分布范圍，圖4、圖5為低置換率和高置換率擠密砂樁典型斷面圖。

2 擠密砂樁加固原理及特點

2.1 加固機理

擠密砂樁（SCP） 不同于陸上一般采用的砂樁，它的原理是在軟基上用振動錘把套管沉入到要求的深度，填入中粗砂并向下擠壓使砂樁擴徑，使其周圍地基發生側向擠壓而使地基密實的一種加固方法[2-3]。對松散砂土地基，SCP的主要作用是成樁時對周圍砂層產生擠密作用以及振密作用；對軟弱黏土層地基，SCP的作用主要是置換和排水作用，一般高置換率SCP考慮置換作用，低置換率SCP只考慮排水固結作用，其作用形式與置換率的關系見圖6。實施SCP可通過高強度砂樁與軟弱地基形成復合地基，使之對上部荷載的承載力增強，包括排水效果在內的地基整體剛度增加，滑動阻力增加，沉降減少，側向流動減少。

2.2 擠密砂樁工法特點

1） 施工作業區域廣。砂樁船不僅可在內河及近海區域作業，也可進入條件惡劣的外海區域，目前島隧工程在外海已成功完成了6 000多根擠密砂樁。

2） 樁徑大、成樁長。擠密砂樁套管一般0.8~1.0 m，在淤泥中可形成最大2.0 m的樁徑，通過調節樁架可實現最深70 m樁長。

3）砂樁自動化程度高，施工速度快。

4）先進的GPS定位系統，打樁定位準確。

5） 快速提高承載力及消除沉降。形成高置換率擠密砂樁（島隧工程中最大置換率達到70%），快速提高地基承載力。在超大氣壓反復沖擊作用下，樁體密實度高（標貫擊數可達20~45擊），地基整體沉降小。

6） 消除不均勻沉降。擠密砂樁形成的柔性樁復合地基，有利于消除不均勻沉降。

7） 加速軟土排水固結速度。擠密砂樁樁徑大，樁間距小，排水距離短，排水固結速度快。

8）擠密砂樁用料環保無污染。

3 港珠澳大橋島隧工程SCP設計

3.1 低置換率擠密砂樁設計

為保證鋼圓筒外側拋石斜坡堤在施工期及使用期穩定，斜坡堤基礎設置低置換率擠密砂樁，見圖4。

3.1.1 設計思路

設計流程見圖7，通過試算拋石斜坡堤施工期及使用期穩定所需置換率為25%。通過典型試驗確定SCP樁徑為1 600 mm（樁管φ1 000 mm）。樁間距宜根據施工船配備的套管間距確定，套管懸掛間距為5.4 m，樁間距設置為2.7 m×2.9 m，其中2.7 m由施工船套管間距決定，2.9 m可通過調整船位確定，實際SCP置換率為25.6%。

圖7 設計流程圖

3.1.2 穩定計算

1）施工期穩定計算

土層采用快剪指標，只考慮擠密砂樁的置換作用，不考慮海側護岸結構施工過程中的地基土強度增長，復合土體綜合強度指標采用面積比法計算。

2）使用期穩定計算

使用Ⅰ期：使用前期，鋼圓筒仍然存在，假設圓弧不經過圓筒。砂樁處理區土層以及島內排水板處理部分的土層采用固快指標，其它均采用快剪指標。

使用Ⅱ期：使用后期，圓筒腐蝕、變薄，即假設圓筒不存在，在這種情況下，砂樁處理區及圓筒以下土層在荷載作用下已經固結，其范圍內均采用固快指標。

3） 穩定計算結果

施工期安全系數，簡單條分法（天津地基計算系統）≥1.0；

使用期安全系數，BISHOP法≥1.3～1.5；簡單條分法（天津地基計算系統）≥1.1～1.3。

3.2 高置換率擠密砂樁設計

沉管隧道基礎沉降要求嚴格，差異沉降不宜大于0.1%，地基處理方式須采用能有效控制沉降且容錯性高的地基處理手段，高置換率擠密砂樁是理想的地基加固方法。靠近西人工島的E1~E6管節以及靠近東島的E30~E33管節基礎軟土層較厚，且荷載變化較大，為減少沉管管節殘余沉降及差異沉降，在E1~E6及E30~E33管節設置高置換率擠密砂樁，見圖5。

3.2.1 設計思路

設計流程見圖8。

3.2.2 高置換率擠密砂樁設計方案

根據管節基礎附加荷載將擠密砂樁地基處理方式分為擠密砂樁+堆載預壓以及單獨擠密砂樁兩種方式。附加荷載≥0區段施打擠密砂樁后進行水上堆載，砂樁起到排水及置換的雙重作用；附加荷載≤0的區段只設置高置換率擠密砂樁，僅考慮其置換作用。

圖8 設計流程圖

1）擠密砂樁+堆載預壓（附加荷載≥0區段）

根據荷載及軟土層厚度的變化，共設置70%、55%以及42%三種置換率的擠密砂樁，擠密砂樁直徑及間距見表1。

表1 擠密砂樁參數

2） 擠密砂樁（附加荷載≤0區段）

隨著沉管埋深加大，地基土所受附加荷載≤0，堆載對軟土加固效果不明顯。根據荷載及軟土層厚度的變化，擠密砂樁布置見表2。

表2 擠密砂樁參數

承載力及沉降計算與擠密砂樁+堆載預壓區段相似，承載力計算時采用快剪指標。

3.2.3 高置換率擠密砂樁設計計算

1） 承載力計算

本文同時采用理論和半經驗半理論方法進行承載力計算。

①樁、土承載力復合法

復合地基承載力可根據樁體承載力及樁間土承載力疊加確定：

式中：fspk為復合地基承載力特征值，kPa；fpk為樁體承載力特征值，kPa；fsk為堆載預壓區按處理后樁間土承載力特征值，kPa；m為樁土面積置換率。

②綜合物理力學性能指標法

Terzaghi地基承載力計算公式：

式中：fu為地基極限承載力，kPa；ck為基底下一倍基礎寬度的深度范圍內土的黏聚力標準值，kPa；γ0為基礎底面以上土的加權平均重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；d為基礎埋置深度，m；γ為基礎底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；b 為基礎寬度，m；Nγ，Nq，Nc為地基的承載力系數，由復合地基的內摩擦角和黏聚力標準值采用相應公式計算。

③日本擠密砂樁復合地基承載力計算

根據日本擠密砂樁設計與施工手冊[3]，擠密砂樁復合地基承載力fa為：

式中：fa為擠密砂樁復合地基承載力容許值，kPa；fas為砂土地基承載力容許值，kPa；fac為黏土地基承載力容許值，kPa；m為樁土面積置換率；b基礎寬度，m；γs為砂的重度，kN/m3；Nγ為砂土地基的承載力系數，由圖9查取；Nc為黏土地基的承載力系數，由圖9查取；c為黏土的黏聚力，kPa；Fs為安全系數。

地基承載力計算結果表明：3種方法承載力計算結果相近。

2） 沉降計算

考慮擠密砂樁復合地基的應力折減效應，復合地基的沉降s按下式計算[4]：

式中：s為擠密砂樁復合地基沉降，m；s0為原土層地基沉降，m，采用分層總和法計算；βc為沉降折減比：

式中：n為應力分擔比；m為樁土面積置換率。

沉降計算方法簡單，應根據地方經驗或沉降觀測數據對計算結果進行修正。

3.2.4 高置換率擠密砂樁水下荷載板試驗

為準確掌握本項目條件下擠密砂樁復合地基承載力，施工圖設計階段在擠密砂樁置換率為62%區域進行了水下載荷試驗。試驗區域擠密砂樁直徑1.6 m，樁間距1.8 m×1.8 m，置換率62%，承壓板尺寸5.4 m×5.4 m，加載分級見表3。

表3 荷載分級表

p-s曲線（圖10）無明顯陡降，復合地基尚未達到極限承載能力。承載力特征值可根據JGJ79—2002《建筑地基處理技術規范》取沉降s=0.015b對應的應力220 kPa。可見，淤泥經62%置換率擠密砂樁加固后承載力顯著提高。

復合地基加載8 000 kN（274 kPa）時恒載約40 d，沉降-時間曲線見圖11。根據雙曲線法推算固結度91.1%，最終沉降17.5 cm，擠密砂樁排水固結效果好，工后殘余沉降小。

4 擠密砂樁（SCP）施工裝備及效率

4.1 SCP施工裝備

水上SCP施工需用專門的SCP施工船，參見圖1，目前國內已有7條，均已在島隧工程作業，施工效率高，質量優良。各船性能詳見表4。

表4 島隧工程SCP施工船性能

4.2 施工效率

影響施工效率的因素很多，如土性、樁徑、樁長、天氣以及操作手的熟練程度，但總體上SCP施工速度較快，效率較高。島隧工程施工船打設一組（3根）樁用時約30~40 min，每條船每天平均打設SCP約10組，共約1 100 m3，加固面積約140 m2。

圖12 擠密砂樁施工工藝流程

5 施工及質量控制

SCP施工過程為全自動控制，通過PC友好可視化界面操作，施工工藝流程及質量控制要點說明如下。

施工工藝流程見圖12。施工注意事項：

1） 碎石墊層的設置。低置換率擠密砂樁打設前先拋填2.0 m排水碎石墊層，碎石墊層具有兩方面作用：保證擠密砂樁與碎石墊層相通，確保砂樁排水效果；通過碎石自身的重量抑制原狀土層在施打擠密砂樁過程中隆起。高置換率擠密砂樁施打過程中隆起較大，62%置換率區段拱起淤泥厚度約5.0 m，預拋2.0 m碎石不能抑制拱淤。合理措施：先施打擠密砂樁，擠密砂樁完成后清除隆起。

2） 合理確定擠密砂樁的施打順序。擠密砂樁施打順序決定拱起淤泥的運動趨勢，根據場地及工程需要決定擠密砂樁的施打順序，人工島島壁擠密砂樁以圓筒為起點向島外方向打設，使拱起淤泥向遠離圓筒的方向移動。

3） 根據泥面標高監測實時調整樁頂標高。隨著砂樁施工的推進，上覆碎石墊層發生1~2 m隆起，為保證砂樁與碎石墊層連通，造樁前測量預打樁位碎石標高，以實測標高為造樁頂標高。

4） 確定樁底標高。大面積施工前，在已有鉆孔附近進行典型施工試驗，通過典型試驗確定樁管貫入速率與土的標貫擊數（或CPT） 關系、擴徑速率與土的標貫擊數（或CPT） 關系，從而確定樁管停止貫入標準以及擠密砂樁停止擴徑標準。

施工質量控制：

1）根據施工記錄中拔起量、打入量及完成量（圖13擠密砂樁施工記錄）判斷樁徑是否達到設計要求。

式中：r為樁管直徑；R為擠密砂樁直徑；h1為樁管拔起量；h2為擠密砂樁完成量。

2） 通過典型試驗確定停止樁管貫入標準。在已有鉆孔附近試樁確定達到設計樁底標高時樁管貫入速率，大面積施工時可根據該貫入速率確定實際的樁底標高。

3） 砂樁密實度檢測。通過標準貫入試驗檢查成樁質量，一般標貫擊數大于20擊時成樁質量較好。如標貫擊數較低，宜改變施工參數或加大樁徑。

4） 樁間土檢測。高置換率擠密砂樁樁間土可不進行檢測，原因有二：高置換率擠密砂樁置換作用顯著，原狀土地基發揮作用較小；樁間土所占比例較小，水上取土或原位試驗實施困難。低置換率擠密砂樁樁間土可通過十字板、標貫、靜力觸探或鉆孔取土檢驗其加固效果。

6 應用情況及前景

1）國內外應用情況

日本1956年開始應用SCP施工工法，1960年開發了振動式的施工方法，1967年開始應用于海上工程，并在日本得到廣泛的應用。關西國際機場一期堤岸工程、橫濱市南本碼頭工程、東京灣海隧海橋公路人工島工程都成功地應用了SCP工法。韓國將SCP技術應用于釜山新港北港區集裝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擠密砂樁復合地基控制基礎沉降，較好地實現與CDM復合地基及天然地基的過渡。

國內，擠密砂樁應用于洋山深水港東側港池臨時工作船碼頭工程。該工程在置換率60%的區域進行了水下載荷試驗，加載至737 kPa時載荷板沉降23.1 cm，未破壞，卸載后回彈約3.2 cm，擠密砂樁加固效果明顯。港珠澳大橋島隧工程大面積采用不同置換率及不同樁徑的擠密砂樁，擠密砂樁直徑分別為1.4 m、1.5 m和1.6 m，樁間距分別為1.8 m、2.2 m和2.7 m，置換率分別為26.5%、42%、55%、62%和70%，共打設SCP約120萬m3，將大大推動擠密砂樁技術在國內的應用。

2） 國內應用前景

海上地基處理多采用開挖換填、CDM及SCP工法，深水開挖換填施工困難、污染環境，CDM工法水泥漿液污染環境、施工效率低且造價高，擠密砂樁具有環保、施工方便快捷、質量可控、造價低的優點，具有較好的經濟和社會效益，在水下軟基處理領域具有廣闊的應用前景，需要根據我國實際情況，研究總結擠密砂樁復合地基計算分析理論及經驗公式、總結形成完整的施工工藝、質量驗評標準，為此工法的推廣及應用建立依據。

[1]中交第四航務工程勘察設計院有限公司，中交公路規劃設計院.港珠澳大橋主體工程島隧工程沉管隧道基礎工程（E1~E6-S2）[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2012.

[2]莫景逸，黃晉申.擠密砂樁在海洋接岸地基加固工程中的應用[J].水運工程，2009，423（1）：62~68.

[3]社団法人地盤工學會.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.