深中通道沉管隧道深層水泥攪拌樁復合地基合理布置形式研究

許 昱, 徐國平, 陳偉樂, 宋神友

(1. 中交公路規劃設計院有限公司, 北京 100088; 2. 深中通道管理中心, 廣東 中山 528400)

0 引言

沉管隧道是一種重要的水下隧道建造方式,對于一般的淺埋沉管隧道,附加荷載小、承載力要求低,基礎采用天然地基即可。當沉管隧道基底地層條件較差或隧道埋置較深時,需要采用能滿足承載力要求且可有效控制沉降的地基處理方式。沉管隧道地基處理方式主要有樁基礎、大開挖換填、擠密砂樁(SCP)、深層水泥攪拌樁(DCM)等類型。樁基礎在荷蘭、德國等國家的沉管隧道應用比較普遍,但由于在實際施工中樁頂標高不可能控制得完全一致,需采取輔助措施使樁群頂面與沉管結構連接,如中國寧波常洪隧道預制混凝土樁基礎采用了囊袋壓漿法; 韓國釜山沉管隧道根據不同的地層條件分別采用擠密砂樁與深層水泥攪拌樁方法成功加固了軟弱地基;港珠澳大橋沉管隧道島隧結合部過渡段采用了擠密砂樁的地基處理方法。

深中通道西島斜坡段隧道槽底以下淤泥類土(含②1流態淤泥、②2淤泥、②3淤泥質土、②2-4粉砂)厚度為3～18 m,比港珠澳大橋沉管隧道的淤泥層厚,同時受采砂擾動影響,②1層淤泥的原位十字板強度僅有4.3～8.4 kPa,是一種流態的淤泥,對基槽開挖有影響,大開挖換填方案開挖深度大,且淤積較為嚴重,不具備可行性,擠密砂樁在該層的施工成樁難度很大。

深層水泥攪拌樁(DCM)方案在韓國釜山隧道有成功應用案例,隨著國產設備的開發和投入使用,以往限制該方案應用的造價高、設備缺乏等問題都得到了解決。該方案通過先加固后開挖,對采砂坑的適應性較好,無需堆載預壓,施工工期短,可消除液化,抗震性能好,因而作為西島斜坡段地基處理的推薦方案[1]。

馮海暴等[2]針對施工環境和沉管結構等指標,提出不同地質和工況條件下選取基礎處理方法的原則。張慶賀等[3]對目前國內外沉管隧道基礎處理的主要方法進行對比分析,得出不同方法在解決基槽穩定性、控制隧道沉降中的效果。張志剛等[4]總結了沉管隧道各種復合地基處理方法的適用條件,并提出沉管隧道采用復合地基方案時設計計算中應引起高度重視的幾個關鍵問題。王延寧等[5]通過將現場原位堆載試驗結果與理論計算結果相互比對,以此開展沉管隧道擠密砂樁復合地基沉降預測。李建宇等[6]基于港珠澳大橋島隧工程提出針對沉管隧道復合地基建議的沉降計算方法。何洪濤等[7]針對港珠澳大橋沉管隧道通過堆載預壓施工期和下放沉管后的管節沉降監測,得出管節的總沉降和差異沉降控制指標。滕超等[8]基于香港三跑水下DCM施工過程中實時記錄的施工數據,建立了勘察-施工-檢測的因果關系,分析了影響不同土在不同深度成樁質量的主要因素。劉志軍等[9]結合海上DCM現場施工工藝流程,以香港沖積層黏土為研究對象,通過室內配合比試驗研究了總含水率對水泥土強度的影響。

由上可知,水下深層水泥攪拌樁(DCM)地基處理方式在海洋工程中應用較多,但作為沉管隧道的地基處理方式系國內首次,其合理布置形式尚未見公開報道,因此有必要針對沉管隧道的特點開展系統研究。

1 DCM布置形式

先鋪法沉管隧道施工的過程是先進行基槽開挖,然后鋪設墊層,再將沉管沉放到墊層上。沉管下部地基受力變形過程為卸載再加載,當沉管墊層下為均勻土層時,計算分析得到的管底應力呈W形,管底沉降則呈馬鞍形[10]。管節行車孔中心處應力最小,沉降最小,管節中心次之;管節兩側受到回填土負摩擦力作用,應力最大,沉降最大。而回填防撞區受大范圍回填影響,是基底荷載最大的區域。深中通道沉管隧道K11+941.20斷面豎向接觸應力分布模式及豎向沉降分布模式分別如圖1和圖2所示。

圖1 深中通道沉管隧道K11+941.20斷面豎向接觸應力分布模式

圖2 深中通道沉管隧道K11+941.20斷面豎向沉降分布模式

經調研,香港機場第三跑道采用長短樁壁式布置方案,韓國釜山—巨濟隧道采用單樁式布置方案。根據沉管隧道管底荷載分布情況及橫向地基剛度分布模式的特點,設計時初步確定4種DCM布置方案(縱向間距均為3 m)。1)方案1: 管底采用長短樁壁式布置,沿縱向每隔6 m在橫向形成一個壁體,壁體寬度48.3 m,略大于沉管寬度46 m,DCM長樁進入全風化層;根據巖面起伏情況設置不同的樁長,短樁長度為3 m,設置在長樁中間;沉管兩側防撞回填區采用單樁式布置。2)方案2: 管底及兩側防撞回填區均采用單樁式布置,橫向間距均采用4 m。3)方案3: 管底及兩側防撞回填區均采用單樁式布置,管底橫向間距采用3 m,兩側防撞回填區橫向間距采用4 m。4)方案4: 管底及兩側防撞回填區均采用單樁式布置,管底中心和端部橫向間距為3 m,行車道雙孔中間橫向間距為4 m,兩側防撞回填區自隧道往外鎖定回填部分采用橫向間距3 m,至回填防護二級平臺處采用橫向間距4 m,一級平臺及邊坡處采用橫向間距5 m。上述4種方案的布置分別如表1和圖3所示。

表1 4種方案DCM布置

2 數值計算及分析

2.1 計算模型

根據沉管隧道對稱性,選用沉管隧道橫截面的1/2進行建模。DCM模擬時按照面積相等原則簡化為矩形截面,建立的三維模型如圖4所示。

邊界條件: 四周法向約束,底部完全固定。

根據沉管隧道實際的施工工序建立以下施工步驟: 1)初始地應力狀態; 2)DCM施工; 3)基槽開挖; 4)施工振密塊石層; 5)施工碎石墊層; 6)沉管下沉及鎖定回填施工; 7)沉管頂部回填施工; 8)運營通車。

在計算過程中,三維模型應盡可能符合工程實際,以與計算斷面最近的鉆孔作為地層輸入條件,在土體、回填材料與隧道結構、DCM樁之間建立界面。PLAXIS 3D軟件可以很好地模擬水位,初始水位取+0.520 m,從沉管下沉及鎖定回填施工工序開始,應消除沉管隧道內部水壓力,在軟件中將其類組賦值為“干”,各施工步驟完全模擬隧道施工工序,施加相同的荷載。

(b) 方案2

(c) 方案3

表2 計算參數

圖4 三維模型

2.2 計算結果

采用4種DCM布置方案得到的沉管隧道、回填防撞區、沉管底部DCM、回填防撞區底部DCM變形云圖分別如圖5—8所示。

從方案1和方案2結果對比可以看出: 二者置換率接近,壁式布置綜合置換率比單樁式布置稍大,但單樁式布置比壁式布置方案計算得到的沉降小。因此,相同置換率下,單樁式布置方案的沉管隧道沉降、樁基沉降均比壁式布置方案小,主要原因在于單樁式布置時,DCM分布更均勻,樁長分布更合理。此外,現場工藝試驗結果表明: DCM樁淺層成樁質量較差、樁身強度較低,采用壁式布置時,短樁大部分位于淤泥及淤泥質粉質黏土層中,短樁部分質量難以保證,且強度較低。因此,從控制沉降角度考慮,單樁式布置方案(方案2)較優。

方案2、方案3和方案4計算結果表明: 方案2及方案3的沉管隧道及DCM沉降均比方案4沉降大。文獻[10]給出了典型沉管隧道管底荷載分布模式,即管節行車孔中心處應力最小、沉降最小,管節中心次之;管節兩側受回填土的負摩擦作用影響,應力最大、沉降最大。對于沉管隧道來說,沉管底部荷載不大,地基處理應綜合考慮沉管隧道總沉降和差異沉降,回填防撞區對沉降要求相對較低,地基處理主要考慮地基承載力及回填防撞區與沉管隧道差異沉降引起的負摩擦力。結合方案2、3、4來看,方案4考慮了沉管隧道管底荷載的分布模式,根據荷載分布模式合理確定了樁的疏密度,即沉管底部中心和端部DCM橫向間距為3 m,行車道雙孔中間橫向間距為4 m,兩側防撞回填區根據回填材料的高度分別采用3～5 m間距。因此,在相同的置換率條件下,方案4對于沉管隧道的沉降控制最優,因此是最合理的DCM布置形式。

3 現場載荷板試驗及分析

3.1 試驗過程

為驗證DCM復合地基的承載力和沉管隧道DCM布置的合理性,選擇在E3管節中段南側對西島斜坡段DCM復合地基開展2組原位荷載板試驗(見圖9)。實際設計施工過程中,回填防撞區底部DCM樁要求60 d無側限抗壓強度設計值達到1 600 kPa,因此得出4樁3 m×4 m布置目標承載力為158.6 kPa,4樁3 m×3 m布置目標承載力為211.1 kPa,DCM載荷板試驗工況見表3。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

(d) 方案4

(c) 方案3

(d) 方案4

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

(d) 方案4

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

(d) 方案4

圖9 現場載荷板試驗

表3 DCM載荷板試驗工況

試驗系統由荷載塊、承壓板、基準板、基準板吊架、測量系統,以及沉箱荷載塊與承壓板之間的吊具組成,采用滿足吊裝要求的起重船進行水下吊裝測試。

荷載塊采用分塊的混凝土,底寬要求8 m(長)×6 m(寬)。承壓板底面尺寸為8 m(長)×6 m(寬)。采用型鋼及鋼板焊接而成,承壓板上設置安放儀器的測試臺座,以及與荷載塊之間的限位裝置。同時,承壓板內填充泡沫以減輕承壓板自身重量對地基沉降造成的影響。吊架安裝在荷載塊兩側,用于懸掛基準板系統?；鶞拾寰嚯x承壓板凈間距6.0 m,滿足規范3.0倍板寬的要求。基準板上安裝靜力水準儀作為基準點。

試驗分為4級加載和卸載,每次加卸載均在變形穩定后進行,最后1級荷載與沉管隧道回填施工完成時荷載相同。

3.2 試驗結果

A1組試驗樁土應力比、樁土荷載分擔比、加卸載沉降曲線如圖10所示?？梢钥闯? A1組(縱橫向樁間距3 m×4 m)在各級荷載作用下,沉降分別為46.1、8.2、9.2、7.0 mm,在總荷載158.3 kPa荷載作用下,總沉降為65.9 mm;各級荷載卸載回彈量分別為0.13、0.72、0.58、2.05 mm,總回彈量為3.48 mm。樁土應力比隨著荷載的增大逐漸增大,且增長速率逐漸減小,第4級荷載下的樁土應力比為9.01∶1,表明縱橫向樁間距3 m×4 m的復合地基容許承載力能滿足不小于158.3 kPa的要求。

(a) A1組試驗樁土應力比

(b) A1組試驗樁土荷載分擔比

(c) A1組試驗加/卸載-沉降曲線

A2組試驗樁土應力比、樁土荷載分擔比、加卸載沉降曲線如圖11所示?？梢钥闯?A2組(樁間距3 m×3 m)在各級荷載作用下沉降分別為64.9、19.5、11.6、11.6 mm,在總荷載211.1 kPa荷載作用下,總沉降為107.7 mm,各級荷載卸載回彈量分別為0、0.10、0.60、1.03 mm,總回彈量為1.73 mm。樁土應力比隨著荷載的增大逐漸增大,且增長速率逐漸減小,第4級荷載下的樁土應力比為7.84∶1,表明縱橫向樁間距3 m×3 m的復合地基容許承載力能滿足不小于211.1 kPa的要求。

(a) A2組試驗樁土應力比

(b) A2組試驗樁土荷載分擔比

(c) A2組試驗加/卸載-沉降曲線

3.3 計算和試驗的對比

方案4沉管隧道回填施工工況下DCM樁及樁間土頂部應力如圖12和表4所示。

圖12 DCM樁及樁間土頂部應力

表4 DCM樁及樁間土頂部應力

由圖12可以看出: 應力分布呈現鋸齒狀,DCM樁頂部應力較大,樁間土應力較小,結合圖3(d)根據管底荷載情況可分為3個區段。區段1: 距離沉管隧道中心0～23 m沉管隧道段,管底荷載約90 kPa,DCM間距為3～4 m。區段2: 23～45 m段回填范圍,底部荷載約200 kPa,DCM間距為3 m。區段3: 45～87 m回填邊坡段底部平均荷載約150 kPa,DCM間距為4～5 m。根據圖12的計算,區段2樁土應力比為7.86,區段3樁土應力比為8.17,與載荷試驗結果基本吻合。

方案4沉管隧道回填施工工況下DCM樁及樁間土頂部沉降如圖13所示。可以看出: 根據沉管隧道基底荷載分布模式確定的不等間距布置的DCM方案,其沉降總體較為均勻,最大沉降為6 cm,數值計算和載荷試驗較好地驗證了設計方案的合理性。

圖13 DCM樁及樁間土頂部沉降

4 結論與建議

1)根據沉管隧道基底荷載分布模式確定的不等間距布置的DCM方案是較合理的布置方式。

2)根據現場載荷板試驗,縱橫向樁間距3 m×4 m的復合地基容許承載力≥158.3 kPa,縱橫向樁間距3 m×3 m的復合地基容許承載力≥211.1 kPa,與數值計算結果基本吻合,較好地驗證了沉管隧道DCM布置方式的合理性。

3)目前深中通道已經沉放31個管節,為驗證沉管隧道DCM處理的實際情況,有必要根據現場監測數據進行反演分析,進一步開展理論提升研究。