沉管隧道水下深層水泥攪拌樁清除施工技術(shù)研究

黃道金，劉新明，黎忠豪，王騰

（中交廣州航道局有限公司，廣東廣州 510290）

引言

對沿海和海底軟土地基處理有多種加固處理方法，而水下深層水泥攪拌樁（以下簡稱“DCM樁”）就是其中一種。DCM 樁是利用水泥作為固化劑的一種水下軟基處理先進技術(shù)，通過深層攪拌機械在地基將軟土或沙等與固化劑強制拌和，使軟基硬結(jié)從而提高地基強度的施工方法，具有施工工期短、工藝簡單、加固效果顯著等特點，同時對周圍建筑產(chǎn)生的影響較小，對周邊環(huán)境污染小。

深中通道工程項目運用DCM 樁工藝對海底沉管隧道軟土基礎(chǔ)進行處理，以無側(cè)限抗壓強度（UCS）值作為設(shè)計控制指標(biāo)，設(shè)計要求強度為1.6 Mpa.為保證DCM 樁頂混凝土強度達到設(shè)計要求，樁體設(shè)計頂標(biāo)高高于基槽底標(biāo)高0.5 m，后續(xù)工序需將超灌DCM 樁體予以清除。由于DCM 基礎(chǔ)開挖在我國尚屬首次實施，對于深基槽下DCM樁預(yù)留部分的樁體開挖施工精度能否滿足設(shè)計要求值得深入分析和研究。隨著近年來海底隧道工程的明顯增多，我國已逐步邁入沿海港口及海底隧道建設(shè)的高峰期，如何解決沉管隧道DCM 樁高精度開挖技術(shù)難題顯得十分必要和緊迫。

1 現(xiàn)狀分析

港池擴容、航道疏浚、基槽開挖硬質(zhì)土體主要設(shè)備有絞吸式挖泥船、抓斗式挖泥船等。目前，中國國內(nèi)一般絞吸式挖泥船開挖深度小于30 m，如IHC 7025 系列絞吸式挖泥船的最大開挖深度為25 米，IHC 8527 系列船的最大開挖深度為27 m，IHC 9029 系列船的最大開挖深度為29 m。但本工程開挖深度平均在30 m 以上，一般絞吸式挖泥船無法達到開挖深度要求，而抓斗挖泥船可以很好解決挖深不夠的問題，同時抓斗船在基槽疏浚工程中對邊坡穩(wěn)定性較好，相比絞吸式挖泥船對土體的擾動也小，基本上不會造成混水殘留及后期回淤影響，對基槽回淤影響相對較小。目前抓斗船疏浚施工工藝主要有直接開挖及定深平挖兩種工藝。

1.1 直接開挖施工工藝

直接開挖施工工藝是抓斗船一種常規(guī)疏浚方式，通過設(shè)計標(biāo)高和抓斗斗高結(jié)合潮位遙報儀的潮位數(shù)據(jù)設(shè)置抓斗下限停止深度，利用旋轉(zhuǎn)式挖泥機的吊桿、鋼索懸掛抓斗，在抓斗本身重量的作用下沉入海底，通過液壓系統(tǒng)合斗破土抓取泥土（圖1）。

圖1 直接開挖原理示意圖

1.2 定深平挖施工工藝

定深平挖施工工藝是利用微型計算機根據(jù)深度計和開口度計的信號，對盤形制動器的動作壓力、開閉斗時對應(yīng)的鋼絲長度等數(shù)據(jù)進行高速演算，將運算結(jié)果作為控制指令輸出以控制吊斗、開閉斗鋼絲的收放速率，使抓斗閉合挖掘軌跡呈一條平均高低值約0.3 m 的水平波紋線，以達到設(shè)計精度要求（圖2）。

圖2 定深平挖原理示意圖

2 工程概況

深圳至中山跨江通道工程（以下簡稱“深中通道”）是世界級超大型“橋、島、隧、水下互通”集群工程，采用雙向八車道、時速100 km 高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，線路總長約24 km。同時，深中通道作為國家“十三五”重大工程，建設(shè)條件異常復(fù)雜，項目建設(shè)受航空、水運、環(huán)保等多重因素限制，技術(shù)難度高，沉管隧道在世界范圍內(nèi)首次大規(guī)模采用鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，由32 個管節(jié)和最終接頭銜接而成，海底隧道總長約6.8 km。而島隧工程是深中通道控制性工程之一，需克服復(fù)雜的海床條件、超長的跨海距離、惡劣的自然環(huán)境等影響，具有超寬、變寬、深埋、回淤大、地層穩(wěn)定性差五大技術(shù)難點。

隧道基槽設(shè)計斷面復(fù)雜，基槽采用橫向分級、縱向分段的方法，見圖3。

圖3 隧道縱斷面示意圖

1）西島斜坡段（E1 管節(jié)～E5 管節(jié)中部）基礎(chǔ)邊坡：基槽淤泥與淤泥質(zhì)土層采用1:7 坡率，粘土（含粉質(zhì)粘土及夾砂層）、砂層及全風(fēng)化巖坡率采用 1:3；強風(fēng)化、中風(fēng)化巖層坡率采用1:0.75；縱向設(shè)置了2.960 %、2.627 %、2.155 %、1.741 %、1.680 %多個縱坡組合。

2）其它段（E5 管節(jié)中部～32 管節(jié)）基槽邊坡：淤泥與淤泥質(zhì)土層按南北邊坡進行區(qū)分，南坡采用1:5 的坡率，北坡采用1:7 的坡率，粘土（含粉質(zhì)粘土及夾砂層）、砂層及全風(fēng)化巖坡率按1:3；強、中風(fēng)化巖層坡率按1:0.75。縱向設(shè)置了 1.680 %、1.608 %、0.924 %、0.099 %、-0.727 %、-1.539 %、0.556 %等多個縱坡組合。

3 軟土地基處理方案及標(biāo)準(zhǔn)

3.2 軟土地基處理方案

以往DMC 方案的使用主要受造價昂貴、核心設(shè)備缺乏等因素的制約和影響，但隨著相關(guān)國產(chǎn)設(shè)備的開發(fā)與使用，限制 DCM 方案應(yīng)用的問題就逐步得到了解決。針對伶仃洋水域地質(zhì)條件較差，軟土質(zhì)占一定比例的情況，為提升沉管隧道地基承載力，深中通道項目運用DCM 工藝對沉管隧道軟土地基進行處理，以無側(cè)限抗壓強度（UCS）為設(shè)計控制指標(biāo)，設(shè)計強度為1.6 Mpa，樁體設(shè)計頂標(biāo)高高于基槽底標(biāo)高0.5 m，分布范圍包括E1-E5 管節(jié)沉管底部區(qū)域及兩側(cè)回填區(qū)域范圍、E14-E15 管節(jié)、E17-E20 管節(jié)沉管底區(qū)域。DCM 樁對土地基抗剪強度及地基承載力有一定的提高，但對后續(xù)施工的沉管隧道基槽開挖精度控制有一定難度。

3.2 沉管隧道基槽開挖驗評標(biāo)準(zhǔn)

深中通道沉管隧道基槽疏浚質(zhì)量控制要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)行的疏浚工程和水運工程規(guī)范要求，基槽槽底允許超深小于0.5 m，槽底單邊坡線允許超寬2.5 m，不足交通運輸部《水運工程質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)》（JTS257-2008）各類挖泥船開挖的平均超深、超寬控制值的一半。

4 DCM 樁開挖

4.1 典型施工

DCM 載荷板試驗區(qū)域開挖土質(zhì)以淤泥為主，開挖底層需將DCM 樁頂部的0.5 m 部分挖除，DCM 樁無側(cè)限抗壓強度設(shè)計值為1.6 MPa。

采用定深平挖功能的抓斗式挖泥船進行地基開挖作業(yè)。抓斗船開挖施工時船前布八字錨，通過抓斗咬合力切割土體挖泥，通過調(diào)整錨鏈來移動船體，挖出的泥土卸放靠在一旁的泥駁艙內(nèi)，泥駁裝滿后啟航運至拋泥區(qū)傾卸。抓斗船開挖邊坡過程中需嚴(yán)格按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，按臺階齒狀開挖，遵循“上超下欠，超欠平衡”的原則開挖，邊坡開挖斷面線與設(shè)計邊坡基本一致，抓斗船施工示意圖見圖4。

圖4 抓斗船船施工示意圖

本次施工上層軟土覆蓋層采用直接開挖施工工藝，下層DCM 樁地基區(qū)域采用定深平挖施工工藝，保證開挖精度符合驗收標(biāo)準(zhǔn)及基槽DCM 地基平整度要求。

為驗證其是否滿足DCM 地基精挖施工精度要求，特別策劃基槽DCM 卸荷載試驗區(qū)精挖典型施工。DCM 卸荷載試驗區(qū)域位于E3 管節(jié)中段南邊坡，試驗區(qū)域開挖底標(biāo)高-17.4 m（1985 國家高程基準(zhǔn)）。DCM 樁開挖典型施工實驗區(qū)域共98 根DCM 樁，試驗區(qū)域下層邊坡部分樁間距1 m×1 m，上層邊坡部分樁間距2 m×2 m。DCM 卸荷載試驗區(qū)開挖平面圖、斷面圖見圖5。

圖5 DCM 卸荷載試驗區(qū)

4.2 施工參數(shù)控制

1）抓斗船開挖采用分段、分層、分條施工，分段長度主要考慮船舶橫移距離，一般為100～150 m，為有效控制開挖精度，保障施工質(zhì)量分條主要考慮船舶寬度，本次施工分條寬度20 m。

2）本次施工試驗區(qū)域開挖底標(biāo)高-17.4 m，上層軟土覆蓋層開挖分層厚度設(shè)置為2 m，直至標(biāo)高-14.9 m；下層DCM 樁地基區(qū)域[-14.9 m,-17.4 m]使用抓斗船定深平挖施工工藝開挖至設(shè)計底標(biāo)高，分四層進行開挖，四層分層厚度依次為1.0 m、0.8 m、0.5 m、0.2 m。

3）在開挖下層DCM 樁地基區(qū)域[-14.9 m，-17.4 m]中倒數(shù)第一、二層相鄰斗之間在平行基槽方向左右疊斗0.5 m，垂直基槽方向各按1-1.5 m重疊布斗，以防止漏挖以便有效破除樁頭。

4.3 檢測結(jié)果分析

按照沉管隧道基槽開挖驗評標(biāo)準(zhǔn)，DCM 載荷板試驗區(qū)超欠挖允許偏差值為[+40 cm，-60 cm]，基槽邊坡坡率或坡面超欠挖不陡于設(shè)計坡率1:7。根據(jù)實驗槽底標(biāo)高為-17.4 m，DCM 載荷板試驗區(qū)設(shè)計標(biāo)高驗收標(biāo)準(zhǔn)為[-17.0 m，-18.0 m]。

從水深測圖顯示總測點數(shù)為270 個，見圖8，施工質(zhì)量檢測結(jié)果分析如下：

1）DCM 載荷板試驗區(qū)開挖標(biāo)高為[-17.0 m，-17.4 m]有125 個測點，占總測點比例46.30 %，其中開挖標(biāo)高為-17.4 m 向上40 cm 范圍內(nèi)平均測點底標(biāo)高為-17.27 m 與槽底標(biāo)高-17.4 m 偏差13 cm；-17.4 m 至18 m 有145 個測點，占總測點比例為53.70 %；

2）DCM 載荷板試驗區(qū)開挖標(biāo)高為[-17.4 m，-18.0 m]有145 個測點，占總測點比例為53.70 %，-17.4 m 向下 60 cm 范圍內(nèi)平均測點底標(biāo)高為-17.45 m 與槽底標(biāo)高-17.4 m 偏差5 cm；

3）實際開挖平均底標(biāo)高為-17.37 m，與槽底標(biāo)高-17.4 m 偏差3 cm。通過上述數(shù)據(jù)分析可以判定,本次試驗開挖精度滿足槽底設(shè)計[+40 cm，-60 cm]偏差要求。

5 結(jié)語

通過采用大型抓斗挖泥船進行挖除施工，同時在施工過程中不斷測定DCM 樁高精度開挖的相關(guān)參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況對工藝進行不斷優(yōu)化，有效地控制了基槽開挖精度，很好地解決了沉管隧道基槽DCM 樁預(yù)留部分的開挖技術(shù)難題。本方法雖然在國內(nèi)尚屬首次使用，但相信對推動該領(lǐng)域新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，特別是引領(lǐng)疏浚技術(shù)創(chuàng)新具有重要的推動作用，同時也為國內(nèi)外類似工程項目DCM 樁的開挖施工提供借鑒和參考。