深中通道沉管隧道深层水泥搅拌桩复合地基合理布置形式研究

许 昱, 徐国平, 陈伟乐, 宋神友

(1. 中交公路规划设计院有限公司, 北京 100088; 2. 深中通道管理中心, 广东 中山 528400)

0 引言

沉管隧道是一种重要的水下隧道建造方式,对于一般的浅埋沉管隧道,附加荷载小、承载力要求低,基础采用天然地基即可。当沉管隧道基底地层条件较差或隧道埋置较深时,需要采用能满足承载力要求且可有效控制沉降的地基处理方式。沉管隧道地基处理方式主要有桩基础、大开挖换填、挤密砂桩(SCP)、深层水泥搅拌桩(DCM)等类型。桩基础在荷兰、德国等国家的沉管隧道应用比较普遍,但由于在实际施工中桩顶标高不可能控制得完全一致,需采取辅助措施使桩群顶面与沉管结构连接,如中国宁波常洪隧道预制混凝土桩基础采用了囊袋压浆法; 韩国釜山沉管隧道根据不同的地层条件分别采用挤密砂桩与深层水泥搅拌桩方法成功加固了软弱地基;港珠澳大桥沉管隧道岛隧结合部过渡段采用了挤密砂桩的地基处理方法。

深中通道西岛斜坡段隧道槽底以下淤泥类土(含②1流态淤泥、②2淤泥、②3淤泥质土、②2-4粉砂)厚度为3～18 m,比港珠澳大桥沉管隧道的淤泥层厚,同时受采砂扰动影响,②1层淤泥的原位十字板强度仅有4.3～8.4 kPa,是一种流态的淤泥,对基槽开挖有影响,大开挖换填方案开挖深度大,且淤积较为严重,不具备可行性,挤密砂桩在该层的施工成桩难度很大。

深层水泥搅拌桩(DCM)方案在韩国釜山隧道有成功应用案例,随着国产设备的开发和投入使用,以往限制该方案应用的造价高、设备缺乏等问题都得到了解决。该方案通过先加固后开挖,对采砂坑的适应性较好,无需堆载预压,施工工期短,可消除液化,抗震性能好,因而作为西岛斜坡段地基处理的推荐方案[1]。

冯海暴等[2]针对施工环境和沉管结构等指标,提出不同地质和工况条件下选取基础处理方法的原则。张庆贺等[3]对目前国内外沉管隧道基础处理的主要方法进行对比分析,得出不同方法在解决基槽稳定性、控制隧道沉降中的效果。张志刚等[4]总结了沉管隧道各种复合地基处理方法的适用条件,并提出沉管隧道采用复合地基方案时设计计算中应引起高度重视的几个关键问题。王延宁等[5]通过将现场原位堆载试验结果与理论计算结果相互比对,以此开展沉管隧道挤密砂桩复合地基沉降预测。李建宇等[6]基于港珠澳大桥岛隧工程提出针对沉管隧道复合地基建议的沉降计算方法。何洪涛等[7]针对港珠澳大桥沉管隧道通过堆载预压施工期和下放沉管后的管节沉降监测,得出管节的总沉降和差异沉降控制指标。滕超等[8]基于香港三跑水下DCM施工过程中实时记录的施工数据,建立了勘察-施工-检测的因果关系,分析了影响不同土在不同深度成桩质量的主要因素。刘志军等[9]结合海上DCM现场施工工艺流程,以香港冲积层黏土为研究对象,通过室内配合比试验研究了总含水率对水泥土强度的影响。

由上可知,水下深层水泥搅拌桩(DCM)地基处理方式在海洋工程中应用较多,但作为沉管隧道的地基处理方式系国内首次,其合理布置形式尚未见公开报道,因此有必要针对沉管隧道的特点开展系统研究。

1 DCM布置形式

先铺法沉管隧道施工的过程是先进行基槽开挖,然后铺设垫层,再将沉管沉放到垫层上。沉管下部地基受力变形过程为卸载再加载,当沉管垫层下为均匀土层时,计算分析得到的管底应力呈W形,管底沉降则呈马鞍形[10]。管节行车孔中心处应力最小,沉降最小,管节中心次之;管节两侧受到回填土负摩擦力作用,应力最大,沉降最大。而回填防撞区受大范围回填影响,是基底荷载最大的区域。深中通道沉管隧道K11+941.20断面竖向接触应力分布模式及竖向沉降分布模式分别如图1和图2所示。

图1 深中通道沉管隧道K11+941.20断面竖向接触应力分布模式

图2 深中通道沉管隧道K11+941.20断面竖向沉降分布模式

经调研,香港机场第三跑道采用长短桩壁式布置方案,韩国釜山—巨济隧道采用单桩式布置方案。根据沉管隧道管底荷载分布情况及横向地基刚度分布模式的特点,设计时初步确定4种DCM布置方案(纵向间距均为3 m)。1)方案1: 管底采用长短桩壁式布置,沿纵向每隔6 m在横向形成一个壁体,壁体宽度48.3 m,略大于沉管宽度46 m,DCM长桩进入全风化层;根据岩面起伏情况设置不同的桩长,短桩长度为3 m,设置在长桩中间;沉管两侧防撞回填区采用单桩式布置。2)方案2: 管底及两侧防撞回填区均采用单桩式布置,横向间距均采用4 m。3)方案3: 管底及两侧防撞回填区均采用单桩式布置,管底横向间距采用3 m,两侧防撞回填区横向间距采用4 m。4)方案4: 管底及两侧防撞回填区均采用单桩式布置,管底中心和端部横向间距为3 m,行车道双孔中间横向间距为4 m,两侧防撞回填区自隧道往外锁定回填部分采用横向间距3 m,至回填防护二级平台处采用横向间距4 m,一级平台及边坡处采用横向间距5 m。上述4种方案的布置分别如表1和图3所示。

表1 4种方案DCM布置

2 数值计算及分析

2.1 计算模型

根据沉管隧道对称性,选用沉管隧道横截面的1/2进行建模。DCM模拟时按照面积相等原则简化为矩形截面,建立的三维模型如图4所示。

边界条件: 四周法向约束,底部完全固定。

根据沉管隧道实际的施工工序建立以下施工步骤: 1)初始地应力状态; 2)DCM施工; 3)基槽开挖; 4)施工振密块石层; 5)施工碎石垫层; 6)沉管下沉及锁定回填施工; 7)沉管顶部回填施工; 8)运营通车。

在计算过程中,三维模型应尽可能符合工程实际,以与计算断面最近的钻孔作为地层输入条件,在土体、回填材料与隧道结构、DCM桩之间建立界面。PLAXIS 3D软件可以很好地模拟水位,初始水位取+0.520 m,从沉管下沉及锁定回填施工工序开始,应消除沉管隧道内部水压力,在软件中将其类组赋值为“干”,各施工步骤完全模拟隧道施工工序,施加相同的荷载。

(b) 方案2

(c) 方案3

表2 计算参数

图4 三维模型

2.2 计算结果

采用4种DCM布置方案得到的沉管隧道、回填防撞区、沉管底部DCM、回填防撞区底部DCM变形云图分别如图5—8所示。

从方案1和方案2结果对比可以看出: 二者置换率接近,壁式布置综合置换率比单桩式布置稍大,但单桩式布置比壁式布置方案计算得到的沉降小。因此,相同置换率下,单桩式布置方案的沉管隧道沉降、桩基沉降均比壁式布置方案小,主要原因在于单桩式布置时,DCM分布更均匀,桩长分布更合理。此外,现场工艺试验结果表明: DCM桩浅层成桩质量较差、桩身强度较低,采用壁式布置时,短桩大部分位于淤泥及淤泥质粉质黏土层中,短桩部分质量难以保证,且强度较低。因此,从控制沉降角度考虑,单桩式布置方案(方案2)较优。

方案2、方案3和方案4计算结果表明: 方案2及方案3的沉管隧道及DCM沉降均比方案4沉降大。文献[10]给出了典型沉管隧道管底荷载分布模式,即管节行车孔中心处应力最小、沉降最小,管节中心次之;管节两侧受回填土的负摩擦作用影响,应力最大、沉降最大。对于沉管隧道来说,沉管底部荷载不大,地基处理应综合考虑沉管隧道总沉降和差异沉降,回填防撞区对沉降要求相对较低,地基处理主要考虑地基承载力及回填防撞区与沉管隧道差异沉降引起的负摩擦力。结合方案2、3、4来看,方案4考虑了沉管隧道管底荷载的分布模式,根据荷载分布模式合理确定了桩的疏密度,即沉管底部中心和端部DCM横向间距为3 m,行车道双孔中间横向间距为4 m,两侧防撞回填区根据回填材料的高度分别采用3～5 m间距。因此,在相同的置换率条件下,方案4对于沉管隧道的沉降控制最优,因此是最合理的DCM布置形式。

3 现场载荷板试验及分析

3.1 试验过程

为验证DCM复合地基的承载力和沉管隧道DCM布置的合理性,选择在E3管节中段南侧对西岛斜坡段DCM复合地基开展2组原位荷载板试验(见图9)。实际设计施工过程中,回填防撞区底部DCM桩要求60 d无侧限抗压强度设计值达到1 600 kPa,因此得出4桩3 m×4 m布置目标承载力为158.6 kPa,4桩3 m×3 m布置目标承载力为211.1 kPa,DCM载荷板试验工况见表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

图9 现场载荷板试验

表3 DCM载荷板试验工况

试验系统由荷载块、承压板、基准板、基准板吊架、测量系统,以及沉箱荷载块与承压板之间的吊具组成,采用满足吊装要求的起重船进行水下吊装测试。

荷载块采用分块的混凝土,底宽要求8 m(长)×6 m(宽)。承压板底面尺寸为8 m(长)×6 m(宽)。采用型钢及钢板焊接而成,承压板上设置安放仪器的测试台座,以及与荷载块之间的限位装置。同时,承压板内填充泡沫以减轻承压板自身重量对地基沉降造成的影响。吊架安装在荷载块两侧,用于悬挂基准板系统。基准板距离承压板净间距6.0 m,满足规范3.0倍板宽的要求。基准板上安装静力水准仪作为基准点。

试验分为4级加载和卸载,每次加卸载均在变形稳定后进行,最后1级荷载与沉管隧道回填施工完成时荷载相同。

3.2 试验结果

A1组试验桩土应力比、桩土荷载分担比、加卸载沉降曲线如图10所示。可以看出: A1组(纵横向桩间距3 m×4 m)在各级荷载作用下,沉降分别为46.1、8.2、9.2、7.0 mm,在总荷载158.3 kPa荷载作用下,总沉降为65.9 mm;各级荷载卸载回弹量分别为0.13、0.72、0.58、2.05 mm,总回弹量为3.48 mm。桩土应力比随着荷载的增大逐渐增大,且增长速率逐渐减小,第4级荷载下的桩土应力比为9.01∶1,表明纵横向桩间距3 m×4 m的复合地基容许承载力能满足不小于158.3 kPa的要求。

(a) A1组试验桩土应力比

(b) A1组试验桩土荷载分担比

(c) A1组试验加/卸载-沉降曲线

A2组试验桩土应力比、桩土荷载分担比、加卸载沉降曲线如图11所示。可以看出,A2组(桩间距3 m×3 m)在各级荷载作用下沉降分别为64.9、19.5、11.6、11.6 mm,在总荷载211.1 kPa荷载作用下,总沉降为107.7 mm,各级荷载卸载回弹量分别为0、0.10、0.60、1.03 mm,总回弹量为1.73 mm。桩土应力比随着荷载的增大逐渐增大,且增长速率逐渐减小,第4级荷载下的桩土应力比为7.84∶1,表明纵横向桩间距3 m×3 m的复合地基容许承载力能满足不小于211.1 kPa的要求。

(a) A2组试验桩土应力比

(b) A2组试验桩土荷载分担比

(c) A2组试验加/卸载-沉降曲线

3.3 计算和试验的对比

方案4沉管隧道回填施工工况下DCM桩及桩间土顶部应力如图12和表4所示。

图12 DCM桩及桩间土顶部应力

表4 DCM桩及桩间土顶部应力

由图12可以看出: 应力分布呈现锯齿状,DCM桩顶部应力较大,桩间土应力较小,结合图3(d)根据管底荷载情况可分为3个区段。区段1: 距离沉管隧道中心0～23 m沉管隧道段,管底荷载约90 kPa,DCM间距为3～4 m。区段2: 23～45 m段回填范围,底部荷载约200 kPa,DCM间距为3 m。区段3: 45～87 m回填边坡段底部平均荷载约150 kPa,DCM间距为4～5 m。根据图12的计算,区段2桩土应力比为7.86,区段3桩土应力比为8.17,与载荷试验结果基本吻合。

方案4沉管隧道回填施工工况下DCM桩及桩间土顶部沉降如图13所示。可以看出: 根据沉管隧道基底荷载分布模式确定的不等间距布置的DCM方案,其沉降总体较为均匀,最大沉降为6 cm,数值计算和载荷试验较好地验证了设计方案的合理性。

图13 DCM桩及桩间土顶部沉降

4 结论与建议

1)根据沉管隧道基底荷载分布模式确定的不等间距布置的DCM方案是较合理的布置方式。

2)根据现场载荷板试验,纵横向桩间距3 m×4 m的复合地基容许承载力≥158.3 kPa,纵横向桩间距3 m×3 m的复合地基容许承载力≥211.1 kPa,与数值计算结果基本吻合,较好地验证了沉管隧道DCM布置方式的合理性。

3)目前深中通道已经沉放31个管节,为验证沉管隧道DCM处理的实际情况,有必要根据现场监测数据进行反演分析,进一步开展理论提升研究。