港珠澳大橋東人工島工程深厚軟基處理綜合技術(shù)

孫洪春，張煥

（1.中交三航局第二工程有限公司，上海 200122；2.中鐵二院（廣東）港航勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510335）

港珠澳大橋東人工島工程深厚軟基處理綜合技術(shù)

孫洪春1，張煥2

（1.中交三航局第二工程有限公司，上海 200122；2.中鐵二院（廣東）港航勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510335）

港珠澳大橋東人工島軟基處理具有厚度大、水深深、環(huán)保要求高等特點(diǎn)。工程綜合運(yùn)用了開挖換填法、排水固結(jié)法、水下擠密砂樁、高壓噴射注漿法等軟基處理技術(shù)。工程施工中解決了超深塑料排水板打設(shè)、深水區(qū)高置換率擠密砂樁施工、高固結(jié)土中超深高壓噴射注漿復(fù)合地基施工等技術(shù)難題。軟基處理后人工島地基沉降、沉管隧道過渡段地基處理、施工環(huán)保等均取得良好效果。

人工島；深厚軟基處理；超深塑料排水板；擠密砂樁；高壓噴射注漿

1 工程概況

1.1 工程簡介

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，東連香港，西接珠海和澳門，主體采用橋隧組合方案。隧道長5.99 km，位于伶仃西和銅鼓航道處，隧道出口與橋梁相接處修建東、西人工島。東、西人工島的基本功能是實(shí)現(xiàn)海上橋梁和隧道的順利銜接，滿足島上建筑物布置需要。東、西人工島結(jié)構(gòu)形式、工況條件、施工方法等基本類似。

東人工島平面呈橢圓形，長625 m，最寬處約215 m，工程處泥面標(biāo)高約-10.0 m，平均水位+0.54 m，人工島頂面交工標(biāo)高為4.26 m。人工島筑島采用先進(jìn)行基槽開挖至-18.0 m，然后采用59個直徑22 m的鋼圓筒插入不透水層構(gòu)成圍閉結(jié)構(gòu)并在鋼圓筒及圍閉結(jié)構(gòu)內(nèi)回填中粗砂的快速成島工藝。人工島陸域形成后進(jìn)行軟土地基處理，然后進(jìn)行島壁拋石斜坡堤、島上現(xiàn)澆隧道、島上建筑等工程施工。海中沉管隧道在島上現(xiàn)澆隧道暗埋段完成后進(jìn)行對接[1]。

1.2 地質(zhì)概況

東人工島工程地層主要分布四大層。第一大層為淤泥及淤泥質(zhì)黏土，底標(biāo)高-18.1～-33.6 m，流塑狀，淤泥平均標(biāo)貫擊數(shù)小于1擊，淤泥質(zhì)黏土平均標(biāo)貫擊數(shù)小于2擊。第二層為粉質(zhì)黏土層，可塑狀，混較多粉細(xì)砂，夾粉細(xì)砂薄層，平均標(biāo)貫擊數(shù)5.6擊，層厚度3.65 m，層頂標(biāo)高-23.55 m，層底標(biāo)高-26.71m。第三大層為黏土、粉質(zhì)黏土，厚度0.9～39.3 m，平均標(biāo)貫擊數(shù)8.8～13.0擊。第四大層為砂層，上層為粉細(xì)砂，稍密狀～中密狀，平均標(biāo)貫擊數(shù)28.3擊；下層為中粗砂，密實(shí)狀為主，平均標(biāo)貫擊數(shù)40擊[1]。

2 東人工島軟土地基處理設(shè)計

目前，海上人工島建設(shè)以水深20 m以內(nèi)海域填筑式居多，軟土地基處理面積較大，大多采用開挖換填法、排水固結(jié)法、CDM工法、水下擠密砂樁法[2]。筑島完成后，可采用振沖法、砂石樁法、水泥土攪拌法、高壓噴射注漿法等進(jìn)行局部軟基處理。

2.1 東人工島軟土地基處理技術(shù)綜述

根據(jù)結(jié)構(gòu)布置形式、工況、工期、施工環(huán)保等綜合因素考慮，東人工島軟土處理分多個區(qū)域分別設(shè)計，平面布置如圖1所示。

圖1 東人工島軟基處理平面布置圖Fig.1 Layoutofsoft foundation treatmentof eastartifical island

人工島島體部分主要解決人工島工后沉降問題。軟基處理采用部分開挖換填、島壁區(qū)拋石斜坡堤擠密砂樁基礎(chǔ)、鋼圓筒區(qū)及島內(nèi)區(qū)排水固結(jié)法（塑料排水板+降水聯(lián)合堆載預(yù)壓）。

沉管隧道過渡段基礎(chǔ)主要解決海中隧道天然地基與島上現(xiàn)澆隧道PHC樁復(fù)合地基間剛度的平順過度難題。軟基處理采用施打高置換率擠密砂樁復(fù)合地基（沉管基礎(chǔ)A區(qū)）并進(jìn)行堆載預(yù)壓的方法。其中，沉管基礎(chǔ)B區(qū)位于鋼圓筒和島內(nèi)區(qū)，受施工條件的限制，采用高壓噴射注漿復(fù)合地基；沉管基礎(chǔ)C區(qū)為拋石防撞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，采用低置換率擠密砂樁復(fù)合地基。

2.2 軟基處理主要參數(shù)設(shè)計

2.2.1 人工島島體軟基處理

人工島基槽開挖底標(biāo)高為-18.0m，清除表層流塑狀淤泥。塑料排水板采用原生料D型板，正方形布置，間距1.1 m，底標(biāo)高-35.0～-46.0 m。降水井井管直徑30 cm，井底標(biāo)高-24.5 m，每個鋼圓筒/副格各布置1個降水井，島內(nèi)區(qū)降水井按矩形布置，間距30m。塑料排水板和降水井施工完成后分級堆載至+5.0m進(jìn)行降水預(yù)壓。軟基處理后要求地基固結(jié)度不低于80%，且工后沉降120 a內(nèi)不大于500mm[1]。

島壁區(qū)擠密砂樁呈矩形布置，間距2.9 m× 2.7 m，底標(biāo)高-42～-31.0 m。砂樁采用變徑設(shè)計，-31.0 m以上標(biāo)高樁徑為1.6 m，置換率25.6%；-31.0m以下直徑1.0m，置換率10%。擠密砂樁標(biāo)貫檢測平均擊數(shù)不小于15擊且樁頂2.0m范圍內(nèi)平均標(biāo)貫擊數(shù)不小于8擊[1]。人工島島體軟基處理斷面圖如圖2所示。

2.2.2 沉管隧道過渡段基礎(chǔ)軟基處理

沉管隧道過渡段基礎(chǔ)準(zhǔn)永久荷載約為60～120 kPa，地基處理后固結(jié)度不低于90%，殘余沉降量≤200 mm。沉管隧道過渡段基礎(chǔ)軟基處理斷面圖如圖3所示。

圖2 人工島島體軟基處理橫斷面圖Fig.2 Crosssection of soft foundation treatmentofeastartifical island

圖3 沉管隧道過渡段軟基處理斷面圖Fig.3 Crosssection of soft foundation treatmentat the transition section of immersed tunnel

沉管基礎(chǔ)A區(qū)擠密砂樁也采用變徑設(shè)計，順?biāo)淼垒S線方向間距為2.1 m，垂直方向根據(jù)置換率高低為1.8～2.1m不等，其中上部直徑為1.5 m和 1.4 m，分界標(biāo)高-32～-41.9 m，置換率為40%～55%；下部直徑1.1 m，底標(biāo)高-32.0～-57.0 m，置換率為22%～29%。沉管基礎(chǔ)C區(qū)砂樁直徑1.0 m，間距2.7 m×2.7 m，置換率11%。高壓噴射注漿復(fù)合地基置換率為40.3%，樁位呈正三角形布置，樁間距1.5 m，樁底標(biāo)高-42～-43m。擠密砂樁標(biāo)貫檢測平均擊數(shù)不小于20擊且樁頂2.0m范圍內(nèi)不小于12擊，高壓噴射注漿復(fù)合地基平均標(biāo)貫擊數(shù)不小于17擊[1]。

3 軟土地基處理關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 超深塑料排水板打設(shè)

本工程塑料排水板打設(shè)最大深度達(dá)42.0 m，是同類工程之最，也是本工程軟基處理的難點(diǎn)。

3.1.1 設(shè)備改造

國內(nèi)目前無插打深度達(dá)42m的插排機(jī)，因此本工程需對現(xiàn)有插排機(jī)進(jìn)行改造。改造后插排機(jī)由挖機(jī)、主機(jī)架、液壓馬達(dá)、鏈條驅(qū)動裝置和插管等組成[3]。挖機(jī)型號為PC750；主機(jī)架為三角形鋼桁架結(jié)構(gòu)，高45.0m，正面主梁由兩根160mm× 80 mm×5mm矩形鋼管構(gòu)成，背梁及其余橫向和斜向支撐采用60 mm×40 mm×4 mm矩形鋼管。液壓馬達(dá)型號為SX510；傳動鏈條型號為20A-1，單根極限拉力為88.5 kN；插管采用150 mm×90 mm×14 mm菱形鋼管制成，鋼管材料為錳鋼，其強(qiáng)度較高。插管下端焊接10 mm×50 mm× 160 mm左右的矩形鋼端頭（管靴）。

3.1.2 主要施工方法與質(zhì)量控制要點(diǎn)

1）施工方法：①樁位放樣。②穿靴：塑料排水板從頂部穿進(jìn)插管，從插管底口拉出約20 cm，對折回后再穿進(jìn)插管底口，然后在折疊處插進(jìn)插銷并回拉排水板另一端將管靴底口封閉。③插設(shè)排水板：操控插排機(jī)使插管對準(zhǔn)設(shè)計樁位，調(diào)整好垂直度后啟動液壓馬達(dá)，驅(qū)動傳動鏈條下插插管至設(shè)計標(biāo)高。④拔管：向插管內(nèi)注滿清水后拔出插管，塑料排水板在土體擠壓下留在土體中。

2）質(zhì)量控制要點(diǎn)：①排水板的垂直度控制：主要是通過在主機(jī)架上安裝擺鐘式傾斜儀控制機(jī)架的垂直度來實(shí)現(xiàn)。②減少回帶：首先穿靴時插銷采用φ30mm，長200 mm左右的圓鋼制作，其重量合適并能有效阻止泥土進(jìn)入管靴；其次嚴(yán)格控制插管垂直度，同時插管下插到位后向插管內(nèi)注清水減小排水板與插管內(nèi)壁的摩擦力。

3.2 水下擠密砂樁施工

本工程水下擠密砂樁施工采用目前國內(nèi)最先進(jìn)的三管砂樁船施工，砂樁船船型參數(shù)為：船長75 m，船寬26 m，型深5.2 m，設(shè)計吃水3 m，儲料倉容積240m3，樁管直徑0.8 m（底部1.0 m），最大打至水面下深度超過60m。

3.2.1 主要施工方法

本工程采用的砂樁船施工方法是通過振動設(shè)備和管腔增壓裝置把砂強(qiáng)制壓入水下軟弱地基中，經(jīng)過振動拔管、回打、擠密擴(kuò)徑，形成大直徑密實(shí)砂柱體從而置換軟土地基。砂樁船施工主要流程如下[4]：1）海上建GPS參考站對砂樁船精確定位；2）沉放砂樁套管，當(dāng)套管接近泥面時，向管內(nèi)加壓排水，然后繼續(xù)沉放套管入泥面，可設(shè)定壓縮空氣最大壓力P=0.9 Ph（Ph為樁位泥面處的水壓力）；3）開啟振動錘使套管至一定深度后減壓放氣并向套管內(nèi)灌砂6～10 m3，然后加壓（0.4～0.5MPa）施打套管至設(shè)計樁底標(biāo)高；4）持壓，上拔砂樁套管，排出管內(nèi)泥柱，完成端部處理；5）灌砂、加壓施打砂樁套管至設(shè)計樁底標(biāo)高；6）灌砂、加壓上拔砂樁套管，排砂形成一定高度砂柱；7）加壓振動回打擴(kuò)徑，形成一段擠密砂樁；8）循環(huán)灌砂、加壓排砂形成砂柱、振動回打擴(kuò)徑，逐段形成整根擠密砂樁。

3.2.2 主要施工參數(shù)

擠密砂樁施工時，根據(jù)砂樁設(shè)計直徑、樁管底部直徑及每段成樁高度確定每次拔管高度、回打深度等施工參數(shù)，計算公式如下：

式中：A為回打高度；ΔGL為拔管高度（拔管后與拔管前樁管底標(biāo)高差值）；d為套管底部內(nèi)徑；D為擴(kuò)徑后砂樁直徑；H為成樁高度。

本工程實(shí)際施工時，每次成樁高度為1 m，經(jīng)典型施工后確定了相關(guān)參數(shù)如表1所示。樁頂周圍土壓力較小時，回打時樁管內(nèi)壓力要減小，防止管內(nèi)砂全部沖出造成砂樁斷樁。為此，當(dāng)施工至距樁頂1～2 m時，縮短每次成樁的高度，上拔及回打高度應(yīng)乘以相應(yīng)成樁高度比率。如每次成樁0.6m，上拔及回打高度按表1數(shù)值乘以0.6。

表1 擠密砂樁施工參數(shù)Table 1 Construction parametersof sand com paction pile

3.3 超深高壓噴射注漿復(fù)合地基施工

本工程高壓噴射注漿施工深度達(dá)46 m，且施工區(qū)域軟土地基經(jīng)過塑料排水板堆載預(yù)壓后固結(jié)度達(dá)80%以上，施工難度大。實(shí)際施工采用新二管法旋噴工藝，且在正式噴漿前先使用清水噴射對固結(jié)地基土預(yù)切割，以保證噴射直徑和返漿效果，提高施工質(zhì)量。

3.3.1 主要施工方法

本工程采用的新二管法高壓噴射灌漿技術(shù)機(jī)理是以大于30MPa的高壓水泥漿通過φ1.9～2 mm的噴嘴噴出，以高壓水泥漿射流直接沖切破壞土體，漿射流以環(huán)繞壓縮氣保護(hù)，隨著噴桿的旋擺提升，水泥漿和切割下的土體混合成水泥土，凝結(jié)后形成強(qiáng)度較高的加固體。主要方法為：1）鉆孔；2）制備漿液；3）噴漿臺車就位并下噴漿管；4）清水噴射預(yù)切割，即正式噴射前先輸入清水和壓縮空氣，按施工參數(shù)要求的提升速度、旋轉(zhuǎn)速度來旋轉(zhuǎn)提升噴管進(jìn)行土體預(yù)切割；5）第一次正式噴射提升；6）第二次正式噴射提升（全孔復(fù)噴）；7）回灌，即噴漿結(jié)束后隨即向噴射孔靜壓充填灌漿直到漿面不再下沉為止，確保樁頂高程。

3.3.2 主要施工參數(shù)

施工過程中相鄰兩樁施工距離太近或間隔時間太短易造成串漿，采取分批跳孔施工，即每間隔兩孔施工。高壓噴射注漿詳細(xì)施工參數(shù)如表2所示。

表2 高壓噴射注漿施工參數(shù)Table 2 Construction parametersof high pressure jetgrouting

4 軟基處理效果

東人工島島內(nèi)滿載預(yù)壓時間148 d，平均表層沉降量為1 896.8mm，平均固結(jié)度超過80%，經(jīng)計算工后殘余沉降量小于436.4 mm，滿足設(shè)計要求。圓筒區(qū)滿載預(yù)壓時間297 d，平均表層沉降量為1 444.6mm，平均固結(jié)度超過80%，經(jīng)計算工后殘余沉降量小于150.0mm，滿足設(shè)計要求。

施工完成后對直徑≥1.4m擠密砂樁進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入度檢測，結(jié)果滿足設(shè)計要求。其中島壁擠密砂樁樁頂2 m范圍標(biāo)貫擊數(shù)12～40擊，樁體平均標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)34.6擊；沉管隧道過渡段基礎(chǔ)擠密砂樁樁頂2 m范圍標(biāo)貫擊數(shù)18～32擊，樁體平均標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)28.4擊。高壓噴射注漿復(fù)合地基平均標(biāo)貫擊數(shù)大于17擊，滿足設(shè)計要求。

沉管隧道過渡段擠密砂樁打設(shè)完成后進(jìn)行堆載預(yù)壓，滿載預(yù)壓166 d，平均表層沉降量為85.3 mm。經(jīng)計算，地基平均固結(jié)度已超過90%，工后殘余沉降量小于13mm，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

港珠澳大橋是當(dāng)前世界上最長、施工難度最大的跨海橋隧集群工程，島隧工程地處中華白海豚核心保護(hù)區(qū)，人工島軟基施工難度和環(huán)保要求都很高。本工程軟基處理綜合運(yùn)用了開挖換填法、排水固結(jié)法、水下擠密砂樁、高壓噴射注漿等工藝。軟基處理過程中成功解決了超深塑料排水板打設(shè)、深水區(qū)高置換率擠密砂樁施工、高固結(jié)土中超深高壓噴射注漿復(fù)合地基施工等一系列工程技術(shù)難題，同時也將施工對海洋環(huán)境的污染降到了最低。軟基處理施工完成后，人工島的地基沉降、沉管隧道過渡段基礎(chǔ)處理效果滿足設(shè)計要求。本工程軟土地基處理綜合施工技術(shù)工藝成熟，施工效果好，大大節(jié)約施工工期和成本，有效保護(hù)海洋環(huán)境，可為其他類似工程提供借鑒。

[1]中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司.港珠澳大橋主體工程島隧工程施工圖設(shè)計[R].2011. CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing of island and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project[R].2011.

[2]林鳴，梁桁，劉曉東，等.海上擠密砂樁工法及其在港珠澳大橋島隧工程中的應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，2012（4）：72-77. LIN Ming,LIANG Heng,LIU Xiao-dong,et al.Method for construction of offshore sand compaction piles and its application for island and tunnel project for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J]. China Harbour Engineering,2012(4):72-77.

[3]孫洪春，姚輝博，張煥.外海人工島深厚軟土地基超深塑料排水板施工技術(shù)[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（7）：74-76. SUNHong-chun，YAOHui-bo，ZHANGHuan.Construction technology of ultra-deep prefabricated drains in deep and thick soft foundation ofoffshore artificial island[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):74-76.

[4]沈永興，李業(yè)勛，張奎.港珠澳大橋快速人工建島施工關(guān)鍵技術(shù)[J].施工技術(shù)，2015，35（6）：104-107，122. SHEN Yong-xing,LIYe-xun,Zhang Kui.Rapid island-formation key technology about artificial island in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Construction Technology,2015,35(6)：104-107,122.

Deep soft foundation treatment com prehensive technology in east artifical island project of Hongkong-Zhuhai-M acao Bridge

SUNHong-chun1,ZHANGHuan2
（1.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCCThird Harbour Engineering Co.,Ltd.,Shanghai200122,China; 2.CREEC(Guangdong)PortChannel Survey and Design Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510335,China）

The eastartifical island soft foundation treatmentof Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge located with deep soft soil and deep water with high requirements for environmental protection etc.This project uses excavation replacementmethod, drainage consolidationmethod,sand compaction pile and high pressure jetgrouting.In construction,it solvesdifficult technical problems such as ultra deep prefabricated drains,high replacement rate sand compaction pile in deep water,deep jet grouting in high compression soil etc.After treatment,the foundation settlement of island,soft foundation treatment at the transition section of immersed tunnel,and environmental protection achieve good results.

artifical island;deep soft foundation treatment;deep prefabricated drains；sand compaction pile；high pressure jet grouting

U655.544

A

2095-7874（2015）11-0015-05

10.7640/zggw js201511005

2015-10-12

孫洪春（1987— ），男，江蘇淮安人，碩士，工程師，建筑與土木工程專業(yè)，主要從事水運(yùn)工程施工。E-mail：412837323@qq.com