復合地基條件下沉管隧道塊石墊層振密試驗研究

李進，金文良，王強，寇曉強，付佰勇，管維東

（1.深中通道管理中心，廣東 中山 528400；2.中交第一航務工程局有限公司；天津 300461；3.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100088）

0 引言

沉管隧道作為一種跨江跨海的交通基礎設施已被越來越多地應用于水下工程領域。在港珠澳大橋以前，國內的沉管隧道多修建于內河。內河沉管隧道的水文地質條件好、埋深淺、占地規模小[1]，基礎不均勻沉降問題不突出。隨著近幾年跨海沉管隧道的修建與運營，因其地基基礎不均勻沉降已嚴重威脅沉管隧道結構受力和接頭安全，才開始引起學者們的廣泛關注[2-3]。

沉管隧道軟土地基處理主要有開挖換填、鋼管樁、PHC 管樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG）、擠密砂樁、高壓旋噴樁、深層水泥攪拌樁（DCM）等多種方式，其中DCM 是近些年國內引進的一種軟土處理工藝，因其施工效率高、經濟性顯著等優點而得到迅速推廣[4]。

深中通道E1—E22 管節地基較差，因此基礎采用碎石墊層+塊石振密+深層水泥攪拌樁（DCM）處理軟弱地基[5]，同時碎石、振密塊石墊層及樁基在水中作業時存在平整度、振密參數、振密后塊石質量不確定性等問題[6-7]，因此開展了復合地基條件下沉管隧道塊石墊層振密試驗，研究塊石振密效果以及振密對DCM 樁頂沉降、樁頂及樁間土應力的影響。

1 工程概況

深中通道跨越珠江口海域，是連接深圳、中山、廣州三地的大型集群工程，項目全長約24 km，其中沉管隧道長5 035 m，由32 節管節組成[8]。地貌上屬于河口三角洲，為珠江入海口，海底由于河流堆積作用形成了巨厚的軟土層，厚度10耀20 m。其沉管隧道最大基槽開挖深度達30.3 m，地層條件復雜多變，基底應力差異大。

隧道沉管段各區段基礎處理方案如表1 所示。天然地基段及DCM 區段均采用了1.1 m 厚塊石振密層+1.0 m 碎石墊層結構。DCM 處理區段采用DCM 單簇布置形式，單簇直徑2.3 m，由4 根直徑1.3 m 的單樁互相搭接0.3 m 形成。

表1 隧道沉管各段基礎處理方案Table 1 Basic treatment plan for each section of tunnel immersed pipe

2 試驗區布置及監測點布設

2.1 試驗區布置

試驗地點選擇在深中通道S06 標中交二公局陸上堆場西側的空地區域，面積約為5 000 m2，主要地質為淤0.5 m 厚種植土，于19.2 m 厚淤泥，盂10.2 m 厚淤泥質粉質黏土，榆11.9 m 厚細砂，虞3.9 m 厚礫砂。

2.2 振密試驗參數

采用260 t 的履帶吊吊起APE600 液壓振動錘和4 m伊5 m 夯板進行振密試驗，振動錘轉速1 600 r/min，激振力為150 kN/m2，振密分區有1 m 搭接范圍。試驗區內水位沒過夯板30 cm，見圖1。

2.3 試驗分組及測試儀器布置

為保證DCM 復合地基段振密試驗測試數據的準確性，本文進行了C-1~C-4 四組模擬試驗。C-1~C-4 組試驗采用“APE600 振動錘+夯板”振密設備按各自方式對試驗區塊石墊層進行振密，振密順序為4 號區寅3 號區寅2 號區寅1 號區。土壓力計埋設原則：先將試驗區開挖至樁頂，整平后在樁頂埋設土壓力計，最后在樁間土埋設土壓力計。位移計埋設原則：在土壓力計埋設完成后，回填碎樁渣18.1 cm，在振密區埋設位移計，繼續拋填塊石至0.6 m，在振密區埋設位移計，繼續拋填塊石至墊層標高。以C-1 組為例，試驗振密次序及儀器埋設位置如圖2 所示。

圖1 現場振密試驗Fig.1 Field vibration density test

圖2 C-1 組試驗振密次序及儀器埋設布置圖（mm）Fig.2 Group C-1 test vibrating sequence and instrument layout diagram(mm)

3 DCM 復合地基振密試驗結果分析

3.1 塊石墊層振密量分析

C-1~C-4 組在同樣樁間距（3 m伊4 m）情況下， 分別進行了1.10 m、1.17 m、1.21 m、1.76 m厚，15~30 cm 塊石的振密試驗。振密結果如表2所示。從表中可知：在樁間距和振密時間相同的情況下，塊石墊層厚度為1.21 m 時，振密效果較好；厚度1.76 m 左右時，振密時間75 s 時效果較好。綜合整體工效和振密效果，15~30 cm 塊石墊層采用厚度1.21 m。

表2 C-1~C-4 組試驗振密成果統計表Table 2 Group C-1—C-4 test vibration results statistics table

3.2 樁頂沉降分析

采用樁頂埋設位移計的方法對振密過程中DCM 樁沉降量進行監測，考慮到陸上試驗的局限性、DCM 樁未完全坐落于底板基礎上；4 組試驗DCM 樁頂沉降均超過了60 mm，超出位移計量程。其中振密前后樁頂方格網測量結果顯示，C-1組樁頂平均沉降12.1 cm，C-2 組樁頂平均沉降7.1 cm，C-3 組樁頂平均沉降6.5 cm，C-4 組樁頂平均沉降6.3 cm。4 組樁頂沉降歷程表明：DCM樁在夯密過程中沉降主要發生在初始夯密過程，后續沉降基本呈收斂態勢。

3.3 激振過程中樁頂及樁間土應力分析

3.3.1 激振過程中樁頂應力統計

C-1~C-4 各試驗區樁頂應力測試結果如表3所示，在夯板直落于樁頂上方激振過程中產生的最大激振力在457.8~834.5 kPa，45 s 時間內樁頂產生的有效壓應力在77.7~136.5 kPa，均遠小于現場DCM 樁身設計強度1.2 MPa。

表3 各區激振過程樁頂應力統計Table 3 Statistics of pile top stress during excitation in each area

不同樁間距情況下，3 m伊3 m 樁間距（C-1 組）的樁頂平均有效應力及最大瞬時應力均最小，分別為77.7 kPa 和457.8 kPa，最大瞬時激振力出現在3 m伊5 m 最大樁間距的C-3 組，瞬時激振力達到了834.5 kPa，說明樁間距的不同對激振產生的應力分配有明顯影響，樁間距越大，樁頂應力越集中。

3.3.2 激振過程中樁間土應力分析

在4 號振密區振密時，2 號土壓力計距振密源1.4 m 位置，樁間土應力增長至14.3 kPa，振密結束后，產生9.4 kPa 的應力松弛。振密系統在3號區振密時，2 號土壓力計距振密源0.0 m 位置，樁間土應力瞬間增長，最大值為241.7 kPa，振密結束后，樁間土應力增長34.3 kPa，穩定后樁間土應力為36.7 kPa。在2 號振密區振密時，2 號土壓力計距振密源0.0 m 位置，樁間土應力瞬間增長，最大值為313.8 kPa，振密結束后，樁間土應力增長37.7 kPa，穩定后樁間土應力為74.4 kPa。在1 號振密區振密時，2 號土壓力計距振密源1.4 m 位置，樁間土應力增長至80.4 kPa。

結合不同測點位置試驗結果和樁間土應力時程曲線（圖3）可知。在相同振密時間和激振力的情況下，零距離測點產生的樁頂動土壓力比距離2.05 m 測點產生的樁頂動土壓力大42 倍、比距離1.40 m 測點產生的樁頂動土壓力大17 倍。說明振密錘垂直向振密DCM 復合地基，對樁間土和DCM樁有加固作用，而對周圍土體和DCM 樁的應力影響比較小。尤其是振密樁間土后，土體的土壓力顯著增長（穩定后樁間土的土壓力增長14倍），說明振密對復合地基樁間土的加固效果較明顯。

圖3 C-1 組試驗樁間土應力時程曲線（2 號電阻式壓力計）Fig.3 Time history curve of soil stress between test piles in group C-1(resistance pressure gauge No.2)

3.4 振密前后樁頂完整程度分析

在振密前后，對樁頂完整性進行了現場開挖探查，發現振密后DCM 樁頭基本完整，未出現明顯的開裂和斷開情況，說明在整個激振過程中，激振力對樁頂未造成明顯破壞。

3.5 DCM 樁頂極限應力分析

為進一步分析振密過程中DCM 樁在完全不沉降時的樁頂極限應力分布情況，在天然地基的基礎上，增加1 組樁頂振密過程的極限應力模擬試驗。采用直徑2 m、鋪設30 cm 厚的碎石層模擬DCM 樁，樁周鋪設同等厚度的淤泥質黏土層，后填1.21 m 厚塊石墊層，在墊層頂部按照1 m 搭接寬度進行2 次振密（振密參數：1 600 r/min，150 kN/m2，45 s），在碎石樁頂埋設土壓力計，觀測振密過程中碎石樁頂應力發展情況。

激振過程樁頂極限應力以及土壓力時程曲線如表4 和圖4 所示。發現瞬時樁頂極限應力達到設計強度值，其原因應與振密過程中，塊石持續出現再排列有關。在振密過程中，土壓力盒位置振動應力傳遞在某一時刻瞬時達到最大集中應力，其后塊石持續再排列，出現局部應力拱效應，樁頂振動應力降低，這種瞬時應力對樁頂影響比較有限，在出現最大瞬時應力的整個振密過程（45 s）內，樁頂瞬時壓力絕大多數在1 000 kPa 以下，45 s 內有效樁頂應力僅約為310.5 kPa，遠低于樁身設計強度值1.2 MPa。

表4 激振過程樁頂極限應力統計Table 4 Statistics of ultimate stress on pile top during excitation

圖4 土壓力時程曲線Fig.4 Time history curve of earth pressure

4 結語

通過對復合地基條件下沉管隧道塊石墊層進行振密試驗研究分析，得出如下結論：

1）DCM 復合地基陸上試驗結果表明，APE600液壓振動錘轉速1 600 r/min，激振力150 kN/m2，振密時間45~75 s，夯板尺寸4 m伊5 m，搭接寬度1 m等施工參數，可對1.2 m、1.8 m 塊石層產生有效的振密，能夠滿足現場施工要求。

2）試驗實測數據顯示，振密率較天然地基段大，分析原因為塊石、樁渣陷入淤泥內。3 m伊3 m、3 m伊4 m 、3 m伊5 m 樁間距，1.2 m 厚塊石DCM復合地基墊層在45 s 振密時間內，振沉量在20.3~30.0 cm，振密率為16.92%~21.57%，含樁渣層的振密率在20%左右。

3）不同塊石厚度對振密施工各項指標影響明顯，1.8 m 厚塊石墊層累計振密時間75 s 時可達到或接近1.2 m 厚塊石墊層45 s 振密效果（以振密率指標為依據），同時，提高塊石墊層厚度可顯著降低振動錘荷載對樁頂的影響。

4）考慮到陸上試驗的局限性、DCM 樁未完全坐落于底板基礎上；4 組試驗DCM 樁頂沉降均超過了60 mm，超出位移計量程。4 組樁頂沉降歷程表明，DCM 樁在夯密過程中沉降主要發生在初始夯密過程，后續沉降基本呈收斂態勢。

5）試驗振密過程中，樁頂壓力隨振密過程呈瞬時波動狀態，其中瞬時最大壓應力值在369.1~834.5 kPa；4 組試驗樁頂最大瞬時壓應力均未超過DCM 的樁身強度設計值1.2 MPa。

6）考慮本次試驗在有側限（基坑壁側限）情況下實施，應力傳遞情況明顯優于現場實際情況，現場普遍分布的樁頂樁渣層也存在一定應力擴散效果，極限壓力測試結果應比現場實際工況偏大。

7）綜合振沉量測試結果，增加塊石厚度，適當提高預抬量，可在滿足振密效果的同時降低對DCM 樁的影響，建議振沉量（預抬量）按照20%進行控制。