真空聯合堆載預壓法在人工島地基處理中的應用

徐婷婷，李連明

（廣州南華工程管理有限公司，廣東 廣州 510230）

真空聯合堆載預壓法是在真空預壓法和堆載預壓法的基礎上發展形成的一種軟土地基處理方法，具有真空預壓和堆載預壓的雙重效果，適用于設計荷載大、承載力要求高、工后沉降少、工期要求緊的工程[1]。

1 工程概況

港珠澳大橋珠澳口岸人工島填海工程位于珠海市九州港碼頭南約2 500 m、情侶南路東約2 000 m的拱北灣，自然水深-2.5～-3.0 m，原泥面以下為15～18 m厚的淤泥，東南護岸為大開挖清除淤泥拋石護岸，西北護岸為半直立式護岸，即對原地基進行處理，然后其上安裝預制的空心方塊（小沉箱）。西、北護岸真空聯合堆載預壓范圍：長2 551.6 m、寬110 m帶狀，面積266 123 m2，分11個區域施工；其中北標段7個區域，面積171 524 m2。北標段島內區由于陸域形成吹填施工造成原泥面變形，局部淤泥相對集中，原泥面擠壓抬高，淤泥層變深，為保證地基處理的效果及工期要求，原設計的堆載聯合降水法改為真空聯合堆載預壓法進行地基處理，面積511 235.6 m2，分18個區域施工[2]。

2 施工工藝及應用

2.1 真空預壓法施工工藝

真空預壓法：是在需加固的軟土地基表面鋪設1層不小于1.0 m透水砂墊層，在砂墊層頂面打設垂直塑料排水板，排水板間距在0.7～1.3 m，并穿透淤泥0.3 m以上，保證淤泥中垂直和水平方向的排水；在需加固的軟土地基周圍進行連續泥漿攪拌墻或其它形式不透氣密封；然后在砂墊層上覆蓋1層不透氣的密封膜（塑料薄膜或橡膠布），覆蓋密封膜前在砂墊層內埋設滲水不漏砂的濾管以及各種監測設備并引出密封膜外，管道及各種監測設備與密封膜連接保證不透氣；管道與真空泵連通進行抽氣，以大氣壓力作為預壓載荷，在土體孔隙水中產生負壓力，使透水砂墊層中保持較高的真空度，將土體中孔隙水和空氣逐漸吸出，從而使土體固結。

2.2 堆載預壓法施工工藝

堆載預壓法：是在軟土地基中形成垂直、水平方向的排水后，再在地面上堆載預壓，使軟土體中孔隙水沿塑料排水板溝槽排至砂墊層，以加速軟土地基的沉降，使軟土地基密實固結。

2.3 真空聯合堆載預壓法施工工藝

真空聯合堆載預壓法，是將真空預壓法和堆載預壓法整合并同時進行。真空預壓期間，受真空預壓荷載的影響，加固土體產生側向收縮變形；而在堆載預壓期間，土體受堆載影響，加固土體產生側向擠出變形。上述兩種變形在施工過程中可相互抵消，從而可使地基處理的預壓速度加快，且地基在預壓過程中不會產生變形失穩。

2.4 在人工島填海工程中的應用

港珠澳大橋珠澳口岸人工島填海工程半直立式的西、北護岸及島內區部分采用了真空聯合堆載預壓法進行地基處理。具體方法如下：

1） 西、北護岸陸域回填到+1.0 m標高后，西、北護岸鋪設1層1.0 m厚中粗砂墊層；島內區陸域回填到±0.0 m標高后，鋪設1層2.0 m厚中粗砂墊層。以保證水平方向的透水，在中粗砂墊層頂面按1.0 m間距打設塑料排水板，以保證淤泥土體中垂直方向排水。

2）砂墊層鋪設完成后，按劃分區域打設泥漿攪拌墻進行豎向密封，根據JTS 147-2—2009《真空預壓加固軟土地基技術規程》規定區域劃分宜為20 000～40 000 m2。泥漿攪拌墻按照設計技術標準和要求，外側采用雙排樁，直徑φ700 mm，縱橫兩樁彼此搭接200 mm，間距500 mm；分區之間采用單排樁，直徑φ700 mm，兩樁彼此搭接200 mm，間距500 mm。

3）在鋪設密封膜前在砂墊層中埋設各種監測和檢測設備，包括地表沉降監測、分層沉降監測、孔隙水壓力監測、水位觀測和深層側向位移觀測及真空度觀測測頭，所有監測和檢測設備在區域內均勻布置，并引出密封膜外。

沉降監測需監測塑料排水板打設期間的沉降和真空聯合堆載預壓期間的沉降，沉降監測桿底盤面積不小于0.5 m×0.5 m，測桿接出堆載頂面1.0 m，按75 m間距正方形布置。

分層沉降監測按間距150 m布置，埋入不變形土層1.0 m以下，軟土層中大致按每3.0 m間距埋設1個測環。

孔隙水壓力監測按間距150 m布置，在軟土層中大致每3.0 m間距埋設1個測頭，與分層沉降相對應。

水位觀測按間距100 m布置，水位觀測管需進入穩定水位以下2.0 m，且進入原泥面3.0 m以上。

深層側向位移觀測沿護岸按200 m布置，觀測管底部進入強風化巖層1.0 m。

同時按每600～800 m2均勻埋設真空度測頭，測頭埋設兩濾管中間離邊界5.0 m處砂墊層頂面以下0.25 m，引出密封膜與真空表連接。

4）鋪設真空濾管道，真空濾管道采用UPVC塑料花管，花管管壁上每隔5～8 cm有直徑φ5～7 mm的小孔；外包1層質量為90 g/m2的無紡土工布作為過濾層，過濾層只透水氣不透砂；濾管按間距6.0 m布置，并埋入砂墊層0.25 m深。真空濾管道與四周的主干管連接，主干管采用通徑為76 mm的UPVC管（壁厚δ=3.5～4.0 mm，能承受400 kPa的壓力），主干管伸出密封膜0.3 m與真空泵連接。

5）鋪設密封膜，在鋪設密封膜前全面檢查和清除砂墊層頂面的尖銳雜物，并在砂墊層頂面先鋪1層土工布或紡織布，防止對密封膜的損壞；密封膜雙層鋪設，每層鋪設均仔細檢查密封膜的完好情況，不得有破損；采用人工將密封膜踩入四周的泥漿攪拌墻頂面0.2 m以上，密封膜與泥漿攪拌墻將真空聯合堆載區域圍成完全封閉的整體。

6）真空泵安裝與連接，真空泵按每800～1 000 m2均勻布置1臺在需預壓處理區域的邊界四周，與主干管出膜口連接抽氣。

7）真空聯合堆載預壓，真空泵與出膜口連接完成后，開始抽氣，當膜下真空度達到85 kPa開始恒載計時；恒載計時15 d后，在密封膜上鋪設1層土工布或紡織布，防止堆載料破壞密封膜，然后分級上料堆載；西、北護岸堆載厚度為3.6 m，分1.5 m、1.5 m、0.6 m三級加載，預計堆載預壓時間105 d；島內區堆載厚度為5.6 m，分1.5 m、1.5 m、1.5 m、1.1 m四級加載，預計堆載預壓時間135 d。為保證島內陸域形成與堆載上料的平衡，真空聯合堆載預壓區域的堆載料需借用其它區域的堆載料，根據現場實際情況，部分區域先期采用真空預壓，待有堆載料時再行加載，以減少真空聯合堆載預壓的時間。

3 地基處理效果分析

3.1 地表沉降分析

真空聯合堆載預壓法通過地表沉降速率觀測指導堆載施工的速度，通過地表沉降觀測推算土體固結度和殘余沉降量，以及確定堆載預壓的卸載時間。設計要求滿載期間膜下真空度85 kPa以上，殘余沉降不大于250 mm，差異沉降按坡度不大于1/400，西、北護岸固結度80%以上、島內區固結度85%以上。以西、北護岸B5區、島內5區作為典型施工區域進行分析。

B5區滿載有效時間114 d，總沉降量為1 717 m，固結度90.7%，殘余沉降107～250 mm，差異沉降按坡度1/2 884，達到設計的卸載要求。實測地表沉降時間曲線如圖1。

圖1 B5區地表平均沉降-荷載-時間曲線圖Fig.1 Curve of average settlement-loading-time of ground surface in B5 area

5區滿載有效時間82 d，總沉降量為2 429 mm，固結度94.4%，殘余沉降169～250 mm，差異沉降按坡度1/862，達到設計的卸載要求。實測地表沉降荷載時間曲線如圖2。

圖2 5區地表平均沉降-荷載-時間曲線圖Fig.2 Curve of averagesettlement-loading-time of ground surface in No.5 area

3.2 孔隙水壓力分析

真空預壓法在軟土體中產生負壓力，使軟土體中的孔隙水吸出；堆載預壓法在荷載的作用下，使軟土體中孔隙水沿排水板溝槽排出；土體中的孔隙水壓力不斷消散，有效應力不斷增加，從而使土體固結。5區、B5區實測孔壓與荷載、時間曲線如圖3、圖4。

圖3 5區孔隙水壓力-荷載-時間曲線Fig.3 Curve of pore water pressure-loading-timeof No.5 area

圖4 B5區孔隙水壓力-荷載-時間曲線Fig.4 Curveof pore water pressure-loading-time of B5 area

可以看出：抽真空的前期，在負壓的作用下，孔壓迅速減小；隨著堆載荷載的增加而孔壓有所增大，滿載后又逐漸消散。且觀測測頭附近土體中孔隙水消散良好，說明真空聯合堆載預壓區域均取得較好的效果。

3.3 地基處理效果檢驗

真空聯合堆載區域卸載后進行了室內土工試驗及現場十字板試驗，并與地基處理前勘察資料進行對比[3]。

1） 室內土工試驗

B5區和5區卸載后分別進行原狀取土鉆孔，進行室內主要力學指標土工試驗，并與該區域真空聯合堆載預壓前勘察的力學指標進行對比，詳見表1。

從表1分析：軟土地基經真空聯合堆載預壓后，軟土層的含水量w、孔隙比e、液性指數IL、壓縮系數a1-2等指標均變小；剪切強度指標（C、φ）、無側限抗壓強度qu等指標均有所增大；土質明顯改善，壓縮性降低、強度增加，由淤泥已改變為黏土。

2）十字板原位試驗

B5區和5區卸載后分別進行現場十字板強度試驗，并與該區域真空聯合堆載預壓前勘察的十字板強度進行對比，詳見表2。

表1 地基處理前后主要物理力學指標對照表Table 1 Comparison of the main physico-mechanical indexesbefore and after foundation treatment

表2 地基處理前后十字板強度對照表Table 2 Comparison of the vane shear strengths before and after foundation treatment

從表2分析：十字板抗剪強度明顯提高，處理后的十字板抗剪強度比處理前提高5.6～6.2倍。

4 施工出現問題及解決辦法

由于港珠澳大橋珠澳口岸人工島位于離陸地較遠，四周海域寬闊，受風浪、潮水影響大，同時施工時間跨越臺風和雨季，臺風及降雨對施工影響很大。本工程真空聯合堆載預壓法進行地基處理的施工過程中出現了以下情況，對施工進度造成了一定的影響。

1）西、北護岸地基處理區域外圍采用砂袋臨時圍堰防護，在高潮位大風浪時，臨時圍堰容易受風浪影響而被破壞，影響真空聯合堆載預壓的正常施工，需經常性修復臨時防護圍堰。

2） 2012年“韋森特”臺風，造成正在真空聯合堆載預壓期間的北護岸B7（東端）東北角堆載砂料全部流失、坍塌，真空泵被坍塌的砂全部淹埋，密封膜與泥漿攪拌墻連接處全部損壞，這個區域的真空度下降為0 kPa；沿線其它6個施工區域的真空泵不同程度遭到損壞，膜下真空度部分下降到50 kPa以下。經近1個月時間的真空泵搶修，沿線6個區域的膜下真空度才恢復到85 kPa以上；北護岸B7東北角，經全力搶修真空泵、修補密封膜及與泥漿攪拌墻的連接、重新進砂分級堆載，前后花去兩個多月時間才全部恢復抽氣，使膜下真空度達到85 kPa以上。西、北護岸地基處理拖延兩個多月時間。

3）島內區真空聯合堆載預壓區域施工期間，遭遇2013年4—6月珠海市特大雨季，強降雨造成島內區嚴重積水。548臺真空泵連續兩次近50%的真空泵被積水淹沒損壞，膜下真空度下降到60 kPa以下；一次全部被積水淹沒損壞，膜下真空度下降到30 kPa以下。為恢復膜下真空度，前后更換真空泵近200臺，搶修真空泵500多臺次。為有效排除降雨的積水，保證真空泵不被積水淹沒，根據現場情況，在西、北護岸開挖5處、每處埋設3根φ700 mm排水管道，與島內連通以利及時排水；適當抬高真空泵安放位置，但真空泵水箱進水口高出了出膜口，真空泵的功效就會降低，也就會延長預壓時間，因此只能適當抬高真空泵。

4） 島內8區在真空聯合堆載預壓恒載89 d、滿載施工至3 d時，膜下真空度在布設的43臺真空泵全部開啟的情況下突然全部下降為40 kPa以下。該區為直角三角形，東邊與7區相臨、南邊與9區相臨成垂直狀，西北向為三角形斜邊。

經對現場排查分析：所有43臺真空泵運行正常；相臨的7區、9區真空度未下降，說明豎向泥漿攪拌墻密封完好；可能是因滿載產生荷載應力，對三角形的密封膜產生不均勻拉力，致使密封膜大面積破裂，其它區域為直角四邊形或近似直角四邊形，荷載應力對密封膜產生的拉力較為均勻，未出現類似情況。

由于堆載砂已全部完成，不可能開挖檢查和修補密封膜，經設計同意該區域由真空聯合堆載預壓改為堆載預壓，并由設計計算堆載預壓的加載厚度，在原滿載基礎上再加載3.9 m厚的堆載砂，就能滿足預壓效果和工期要求。該區加載3.9 m堆載砂預壓101 d后達到卸載要求。

5 結語

真空聯合堆載預壓法進行軟土地基處理，在港珠澳大橋珠澳口岸人工島填海工程中得到較好的應用，地基處理效果良好。施工過程中由于大風浪、臺風、強降雨的影響，真空泵多次遭遇積水淹沒、堆載砂的淹埋，對工期造成了一定影響；因此，采用真空聯合堆載預壓法進行軟土地基處理施工時，必須做到場地內排水暢通，做好大風浪、臺風季節關鍵部位的防護，防止損壞真空泵等設備而影響工期；同時區域劃分盡可能呈直角四邊形布置，長寬比控制在1/3之內，避免三角形等異型布置，防止密封膜受力不均拉裂。

[1]港珠澳大橋珠澳口岸人工島填海工程施工圖設計技術標準和要求[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2009.Technical standards and requirements for the reclamation project construction-diagram design of Zhuhai-Macao Port in the HZMB[R].CCCC-FHDIEngineering Co.，Ltd.，2009.

[2]JTS147-2—2009，真空預壓加固軟土地基技術規程[S].JTS147-2—2009，Technical specification for cacuum preloading techniquetoimprovesoft soils[S].

[3]JTS257—2008，水運工程質量檢驗標準[S].JTS 257—2008，Standard for quality inspection of port and waterway engineeringconstruction[S].