沉管隧道水下深層水泥攪拌樁清除施工技術研究

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，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，同時對周圍建筑產生的影響較小，對周邊環境污染小。

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進行處理，以無側限抗壓強度（UCS）值作為設計控制指標，設計要求強度為1.6 Mpa.為保證DCM 樁頂混凝土強度達到設計要求，樁體設計頂標高高于基槽底標高0.5 m，后續工序需將超灌DCM 樁體予以清除。由于DCM 基礎開挖在我國尚屬首次實施，對于深基槽下DCM樁預留部分的樁體開挖施工精度能否滿足設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的高峰期，如何解決沉管隧道DCM 樁高精度開挖技術難題顯得十分必要和緊迫。

1 現狀分析

港池擴容、航道疏浚、基槽開挖硬質土體主要設備有絞吸式挖泥船、抓斗式挖泥船等。目前，中國國內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疏浚方式，通過設計標高和抓斗斗高結合潮位遙報儀的潮位數據設置抓斗下限停止深度，利用旋轉式挖泥機的吊桿、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、開閉斗時對應的鋼絲長度等數據進行高速演算，將運算結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 高標準建設，線路總長約24 km。同時，深中通道作為國家“十三五”重大工程，建設條件異常復雜，項目建設受航空、水運、環保等多重因素限制，技術難度高，沉管隧道在世界范圍內首次大規模采用鋼殼混凝土結構，由32 個管節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，需克服復雜的海床條件、超長的跨海距離、惡劣的自然環境等影響，具有超寬、變寬、深埋、回淤大、地層穩定性差五大技術難點。

隧道基槽設計斷面復雜，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～E5 管節中部）基礎邊坡：基槽淤泥與淤泥質土層采用1:7 坡率，粘土（含粉質粘土及夾砂層）、砂層及全風化巖坡率采用 1:3；強風化、中風化巖層坡率采用1:0.75；縱向設置了2.960 %、2.627 %、2.155 %、1.741 %、1.680 %多個縱坡組合。

2）其它段（E5 管節中部～32 管節）基槽邊坡：淤泥與淤泥質土層按南北邊坡進行區分，南坡采用1:5 的坡率，北坡采用1:7 的坡率，粘土（含粉質粘土及夾砂層）、砂層及全風化巖坡率按1:3；強、中風化巖層坡率按1:0.75?？v向設置了 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準

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、核心設備缺乏等因素的制約和影響，但隨著相關國產設備的開發與使用，限制 DCM 方案應用的問題就逐步得到了解決。針對伶仃洋水域地質條件較差，軟土質占一定比例的情況，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，以無側限抗壓強度（UCS）為設計控制指標，設計強度為1.6 Mpa，樁體設計頂標高高于基槽底標高0.5 m，分布范圍包括E1-E5 管節沉管底部區域及兩側回填區域范圍、E14-E15 管節、E17-E20 管節沉管底區域。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準

深中通道沉管隧道基槽疏浚質量控制要求遠遠超出現行的疏浚工程和水運工程規范要求，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《水運工程質量檢驗標準》（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 載荷板試驗區域開挖土質以淤泥為主，開挖底層需將DCM 樁頂部的0.5 m 部分挖除，DCM 樁無側限抗壓強度設計值為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。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，通過調整錨鏈來移動船體，挖出的泥土卸放靠在一旁的泥駁艙內，泥駁裝滿后啟航運至拋泥區傾卸。抓斗船開挖邊坡過程中需嚴格按照設計標準，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 樁地基區域采用定深平挖施工工藝，保證開挖精度符合驗收標準及基槽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 卸荷載試驗區精挖典型施工。DCM 卸荷載試驗區域位于E3 管節中段南邊坡，試驗區域開挖底標高-17.4 m（1985 國家高程基準）。DCM 樁開挖典型施工實驗區域共98 根DCM 樁，試驗區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 卸荷載試驗區開挖平面圖、斷面圖見圖5。

圖5 DCM 卸荷載試驗區

4.2 施工參數控制

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）本次施工試驗區域開挖底標高-17.4 m，上層軟土覆蓋層開挖分層厚度設置為2 m，直至標高-14.9 m；下層DCM 樁地基區域[-14.9 m,-17.4 m]使用抓斗船定深平挖施工工藝開挖至設計底標高，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 樁地基區域[-14.9 m，-17.4 m]中倒數第一、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 檢測結果分析

按照沉管隧道基槽開挖驗評標準，DCM 載荷板試驗區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計坡率1:7。根據實驗槽底標高為-17.4 m，DCM 載荷板試驗區設計標高驗收標準為[-17.0 m，-18.0 m]。

從水深測圖顯示總測點數為270 個，見圖8，施工質量檢測結果分析如下：

1）DCM 載荷板試驗區開挖標高為[-17.0 m，-17.4 m]有125 個測點，占總測點比例46.30 %，其中開挖標高為-17.4 m 向上40 cm 范圍內平均測點底標高為-17.27 m 與槽底標高-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 載荷板試驗區開挖標高為[-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 范圍內平均測點底標高為-17.45 m 與槽底標高-17.4 m 偏差5 cm；

3）實際開挖平均底標高為-17.37 m，與槽底標高-17.4 m 偏差3 cm。通過上述數據分析可以判定,本次試驗開挖精度滿足槽底設計[+40 cm，-60 cm]偏差要求。

5 結語

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參數，并結合現場實際情況對工藝進行不斷優化，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 樁預留部分的開挖技術難題。本方法雖然在國內尚屬首次使用，但相信對推動該領域新技術、新工藝的發展，特別是引領疏浚技術創新具有重要的推動作用，同時也為國內外類似工程項目DCM 樁的開挖施工提供借鑒和參考。