李遵豪，彭元棟，曹 雄

（1、珠海大橫琴城市新中心發(fā)展有限公司 廣東 珠海 519000；2、中鐵十五局集團有限公司 上海 200070；3、珠海市規(guī)劃設計研究院 廣東 珠海 519000；4、廣東省濱海地區(qū)防災減災工程技術研究中心 廣東 珠海 519000）

0 引言

杧洲隧道工程作為橫琴粵澳深度合作區(qū)對外溝通聯(lián)絡通道，承擔一體化區(qū)域跨馬騮洲水道與橫琴溝通的重要交通性主干路，以盾構法穿越杧洲海域深厚海相軟土地層。這類海相軟土地層具有流變性、觸變性、壓縮性高和透水性、抗剪強度低等不良工程特性［1-2］。在此地層中修建的隧道在施工和運營階段易產(chǎn)生沉降或上浮變形［3］，可能造成隧道接頭錯開、管片開裂，影響正常使用，甚至威脅到隧道結構本身的安全。因此，在海域盾構隧道掘進施工前，有必要對軟弱土層進行預先加固。

關于加固范圍對軟土淺埋超大直徑盾構掘進地表沉降影響，黃昌富等人［4］通過有限元分析得出當加固范圍由隧道外壁擴大到0.2D時，地表最大沉降減小約84%，軟土地層經(jīng)加固處理后可有效減少隧道開挖對地表沉降的影響，在盾構機通過監(jiān)測橫斷面期間對地表擾動程度最大。對于海相軟土的加固，吳寧［5］研究了深層水泥土攪拌樁處理深厚海相淤泥質(zhì)軟土的效果以及在荷載長期作用下的工作特性，對比了濕噴和干噴兩種施工工法。田良輝［6］探討了雙向攪拌粉噴樁的施工工藝，并分析了不同樁長的施工參數(shù)、施工技術要點和質(zhì)量控制措施等。王延寧等人［7］對港珠澳大橋島隧工程的水下擠密砂樁復合地基進行原位載荷試驗，研究了其力學和變形特性，得到應力分擔比與載荷水平以及時間效應的相關關系。此外，還有學者對水下高壓旋噴注漿法［8］、新型粉噴樁［9］、高壓旋噴鋼管混凝土組合樁［10］、水泥攪拌樁聯(lián)合堆載固結法［11］等工藝在海相軟土加固中的應用進行了研究。

鑒于此，本文對橫琴杧洲隧道工程盾構掘進前的深厚海相軟土地層預加固方案展開了研究，通過分析場地周邊環(huán)境及工程地質(zhì)條件，以及進行三軸攪拌樁、高壓旋噴樁和深層水泥土攪拌樁加固工法的對比，確定了隧道各區(qū)段的加固設計方案，并明確了各工法的施工工藝與控制參數(shù)，為同類工程設計與施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

橫琴杧洲隧道工程位于橫琴一體化區(qū)域，穿越馬騮洲水道，北岸接珠海保稅區(qū)環(huán)港東路與洪灣大道交叉口，南岸接橫琴島西北角的厚樸道，平面位置如圖1所示。

圖1 杧洲隧道工程平面位置Fig.1 Plan Location of the Mangzhou Tunnel

隧道主體為雙管單層雙向六車道盾構隧道，盾構外徑14.5 m。道路等級為城市主干道，設計速度60 km∕h，路線全長約3.0 km，其中隧道段總長約1.74 km（含隧道段、明挖暗埋段、敞口段和工作井），北岸接線道路長約590 m，南岸接線道路長約649 m（含現(xiàn)狀道路改造）。

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場地位于珠江三角洲南部，珠江出?？谖鹘饔?。項目沿線勘察場地屬海陸交互相-濱海沉積地貌單元，沿線第四系覆蓋層較厚，主要為人工填土層、海陸交互相沉積的淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土及粗砂層、砂巖殘積土和下伏的全風化、強風化、中風化砂巖以及燕山期中風化花崗巖。

杧洲隧道工程縱斷面如圖2 所示，隧道北段大部分位于②1淤泥層，中段穿越②2黏土層、④礫質(zhì)黏性土和⑤1全風化砂巖層，南段全部位于②1淤泥層。

圖2 杧洲隧道工程縱斷面Fig.2 Longitudinal Section of the Mangzhou Tunnel

根據(jù)鉆孔揭露②1淤泥層分布于人工填土層之下，厚度4.00～50.70 m，平均25.69 m。通過室內(nèi)試驗與原位測試，獲得其參數(shù)指標如表1所示。

表1 橫琴杧洲海域淤泥層物理力學參數(shù)指標取值范圍統(tǒng)計Tab.1 Statistical of the Range of Physical and Mechanical Parameters of the Silt Layer in the Sea Area of Hengqin Mangzhou

2 地層加固技術分析

根據(jù)杧洲隧道沿線地質(zhì)情況，隧道南北岸明挖段、南岸工作井及盾構段均位于第四系海陸交互相沉積層②1層淤泥。②1層淤泥根據(jù)前文的分析可知其具有高壓縮性、低強度和承載力，盾構掘進中易擾動，擾動后強度極易降低，導致隧道在軟弱土中沉降量要遠大于在殘積土、風化巖中的沉降量，隧道在底部土層變化處產(chǎn)生差異沉降。同時，后期隧道周邊地塊開發(fā)過程中地下水位下降，孔隙水壓力消散，軟土蠕動變形將引起隧道單側(cè)偏壓。為保證隧道運營期間安全，對盾構基底和側(cè)向軟弱地層進行加固，以提高盾構基底承載力及側(cè)向抗推能力。

岸上軟基處理常用的加固工法有三軸攪拌樁、高壓旋噴樁等，水中軟基處理常用的加固工法有深層水泥土攪拌樁和高壓旋噴樁。表2 中從地層適用性、施工設備及條件、對水道和堤岸的影響、加固效果等角度對三軸攪拌樁、高壓旋噴樁和深層水泥土攪拌樁工藝進行了對比分析。

表2 地層加固方案對比Tab.2 Comparison of the Ground Reinforcement Schemes

3 地層加固設計方案

經(jīng)技術對比分析，最終確定本工程各盾構區(qū)段深厚海相軟土地層加固總平面、立面設計方案如圖3 所示。以下對各區(qū)段加固設計方案進行詳細介紹。

圖3 盾構隧道地層加固總平面與立面Fig.3 General Plan and Elevation of Shield Tunnel Strata Reinforcement

3.1 陸域段

在陸域淺覆土段，即隧道埋深小于0.7D時，為保障盾構掘進安全，采用?850@600 三軸攪拌樁加固，隧道拱頂往上3 m 范圍內(nèi)采用滿堂強加固，隧道拱頂以上3 m 至地面采用滿堂弱加固，隧道拱頂往下至②1層淤泥底部采用格柵加固，縱向支撐間距2.4 m。加固范圍為現(xiàn)狀地面至底部穿透②1層淤泥不小于1 m，隧道外邊線兩側(cè)1.575 m，水泥摻量不小于20%。在加固深度范圍以上的土層被擾動區(qū)采用低摻量水泥加固，水泥摻量為5%。陸域淺覆土段軟基加固區(qū)段為：左線南岸LK2+033～LK2+072、北岸LK1+163～LK1+240，右線南岸RK2+053～RK2+105.5、北岸RK1+164～RK1+240。

在陸域正常段，即隧道埋深大于0.7D時，采用?850@600三軸攪拌樁加固（見圖4），盾構隧道拱頂以上3 m 范圍內(nèi)采用高水泥摻量強加固，隧道拱頂以上3 m 至地面采用低水泥摻量弱加固。加固采用格柵加固型式，縱向支撐間距2.4 m。強加固范圍為盾構拱頂以上3 m、隧道外邊線兩側(cè)3.375 m，底部穿透②1層淤泥不小于1 m，水泥摻量為20%；弱加固范圍為盾構拱頂以上3 m至現(xiàn)狀地面，水泥摻量為5%。陸域正常段軟基三軸攪拌樁加固區(qū)段為：南岸左線LK1+860～LK2+033，南岸右線RK1+860～RK2+053。

圖4 陸域正常段軟基加固示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Soft Foundation Reinforcement in Normal Section of Land Area （mm）

3.2 海堤段

為確保盾構在穿越過程中減小擾動，保證海堤的穩(wěn)定以及控制沉降，對海堤下方地層采用?2 000@1 800 mm超高壓旋噴工法樁（MJS）格柵加固（見圖5），加固范圍為盾構拱頂以上3 m、兩側(cè)1.3 m，底部穿透②1層淤泥不小于1 m，水泥摻量為40%。

圖5 海堤段軟基加固示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Soft Foundation Reinforcement in Seawall Section （mm）

3.3 水域段

水域段盾構軟基加固采用?1 300@1 000 mm 深層水泥土攪拌樁（DCM）格柵加固（見圖6），加固范圍為盾構拱頂以上3 m、兩側(cè)3 m，底部穿透②1層淤泥不小于1 m，水泥摻量為20%，盾構拱頂以上3 m 至泥面的空鉆段采用5%水泥摻量弱加固。

圖6 水域段軟基加固示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Soft Foundation Reinforcement in Water Area （mm）

4 地層加固施工工藝

4.1 三軸攪拌樁

三軸攪拌樁主要施工工序為：場地平整?測量放線?開挖溝槽?樁機就位?攪拌和注漿?清理溝槽內(nèi)泥漿?移機下一根樁。

三軸攪拌樁主要技術參數(shù)取值為：水泥強度等級42.5 級，水泥摻量實樁不小于20%，空樁不小于5%，28 d 無側(cè)限抗壓強度標準值不小于0.8 MPa，墻體滲透系數(shù)小于1.0×10-7cm∕s。三軸攪拌機攪拌下沉速度與攪拌提升速度控制在0.3 m∕min范圍內(nèi)，并保持勻速下沉與勻速提升，攪拌提升時不應是孔內(nèi)產(chǎn)生負壓造成周邊地基沉降；三軸攪拌樁垂直度誤差不應大于1∕200，樁位偏差不應超過50 mm；因故擱置超過2 h以上的拌制漿液，作廢漿處理；樁與樁之間的搭接時間不得大于24 h。

攪拌樁正式施工前進行試樁，確定水泥漿液的水灰比、成樁工藝及施工步驟。

4.2 超高壓旋噴工法樁（MJS）

超高壓旋噴工法樁（MJS）主要施工工序為：場地平整?測量放線?引孔-垂直度檢查?下放套管?主機就位?下放鉆桿?高壓水和空氣噴射試驗?水泥漿液、高壓水和空氣噴射注漿提升?噴射結束或樁結束?清洗（套管）鉆桿?移到下一樁位。

MJS工法樁主要技術參數(shù)取值為：水泥摻量40%，水灰比1∶1；水泥漿壓力40±2 MPa，漿液流量85～100 L∕min；切削水壓力20+2 MPa；切削水流量50 L∕min；空氣壓力1.05 MPa，空氣流量3～7 m3∕min；漿液噴射鉆桿提升速度30～40 min∕m（全圓），15～20 min∕m（半圓）；地內(nèi)壓力控制1.0～1.8 的系數(shù)（視地質(zhì)情況適當進行調(diào)節(jié)和控制）；成樁垂直度誤差＜1∕400；滲透系數(shù)應小于1×10-7cm∕s；28 d 無側(cè)限抗壓強度大于0.8 MPa，施工時為改善水泥土攪拌樁的性能和提高早期強度，可摻加外摻劑。

正式施工前，進行成樁工藝試驗，確定各項施工技術參數(shù)，施工過程中，記錄每根樁的壓力表和自動數(shù)據(jù)顯示記錄儀中的噴射流壓力、噴射流流量、同軸高壓空氣壓力，同軸高壓空氣流量、水泥用量等參數(shù)。

4.3 深層水泥土攪拌法（DCM）

水下深層水泥土攪拌法（DCM）加固軟土地基采用專用成套設備進行，由專用船組及測量定位系統(tǒng)、攪拌機及操作控制系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng)，制漿輸漿系統(tǒng)和水泥供應保障系統(tǒng)等組成。主要施工工序為：鉆桿入水?鉆桿入土?鉆進攪拌噴水切土?坐底攪拌噴漿?樁底區(qū)段復攪噴漿?上提攪拌噴漿?樁頂區(qū)段復攪噴漿?鉆桿提出水面。

DCM 樁主要技術參數(shù)取值：水泥摻量20%，水灰比0.8～1.0；土中鉆入和提升速度為0.3 ～1.0 m∕min，并保持勻速下沉與勻速提升；因故擱置超過2 h 以上的拌制漿液，應作廢處理；垂直度誤差不應大于1∕100，柱位平面偏差不應超過50 mm；鉆孔取芯的取芯率不宜低于80%；28 d 無側(cè)限抗壓強度標準值不小于0.8 MPa，芯樣的無側(cè)限抗壓強度的變異系數(shù)不大于0.35，墻體滲透系數(shù)小于1.0×10-7cm∕s。

5 總結

針對橫琴杧洲隧道工程特點，進行了盾構穿越前的地層預加固技術研究，總結如下：

⑴橫琴杧洲隧道場地淤泥地層最深達50.7 m，含水率、孔隙比、壓縮性高，強度指標低，處理難度大。

⑵通過對比各類加固工藝，三軸攪拌樁加固效果好、適用性廣，但不適用于水上作業(yè)；超高壓旋噴工法樁可斜向施工，對海堤等結構物擾動以控制；深層水泥土攪拌法可依靠船舶水上作業(yè)，對水下深厚軟土具有適用性。

⑶根據(jù)各類地層加固方法的特點，確定了本盾構隧道地層加固方案。陸域段采用三軸攪拌樁，跨越海堤段采用MJS 工法樁，水域段采用深層水泥土攪拌法（DCM），并明確了各工法的施工工藝及施工控制參數(shù)。