沉管隧道DCM區地基塊石拋填振密施工技術

羅昌武，李進，陳偉樂，寧進進

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；3.廣東省公路建設有限公司，廣東 廣州 510623）

1 工程概況

深中通道地處珠江口核心區域，北距虎門大橋約30 km，南距港珠澳大橋約38 km，項目東接機荷高速，跨越珠江口，西至中山馬鞍島，主體工程全長約24.0 km。海中沉管隧道設計時速100 km/h、建設標準為雙向八車道、采用兩孔一管廊橫斷面結構。隧道全長6 845 m，其中沉管隧道全長5 035 m，由32個管節組成，標準管節長165 m，曲線變寬管節長123.8 m，最終接頭設置在E22與E23之間[1]。

沉管隧道基礎塊石下部為DCM樁地基處理方案，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而成。樁按縱向間距3 m，橫向間距3 m、5 m的非等間距布置，綜合置換率41%，DCM的60 d無側限抗壓強度為1 200 kPa。在DCM區地基采用了1.1 m厚塊石振密層+1.0m碎石墊層方案。沉管基礎塊石施工主要內容為塊石拋填和塊石振密，塊石振密范圍向沉管兩側各擴3 m，基礎塊石采用粒徑為15～30 cm塊石，振密后塊石層頂面高程設計允許誤差為±25 cm[2-5]。

2 施工難點

1）缺乏施工經驗

DCM區地基采用1.1 m厚塊石振密層+1.0 m碎石墊層方案為國內首次，在保證振密效果的同時保證DCM的承載性能不受影響是施工的最大難點。

2）塊石振密高程測控精度高，難度大

塊石振密層采用粒徑15～30 cm塊石進行拋填施工，而塊石振密層頂面高程允許偏差僅±25 cm。

3）交叉作業多，前后工序銜接緊密，對現場施工協調要求高

沉管基礎塊石施工時交叉工序繁多，基槽精挖、碎石基礎整平、沉管浮運安裝等，特別是島隧結合部的施工交叉作業多，施工區域內的船舶作業多，現場施工協調難度大。

3 專用施工船舶

根據工程特點分析，為了避免水流作用影響拋石精度，新研制專用塊石振密船，開發了滿足精度要求的拋石設備。拋石采用溜管下料，保證下料不受水流的影響，確保下料位置的準確性。溜管小車在船上能靈活移動定位，做到定點定量拋填，塊石振密船平面布置示意圖如圖1所示。

3.1 溜管拋石小車

溜管小車施工時利用卷揚機牽引行走，行走時測距儀實時監測小車位置。溜管由3節管組成，大管套小管，第1節管直徑1.5 m，其余2節直徑逐漸遞增，溜管水下部分設置泄流孔。為滿足12～36 m水深變化要求，溜管行走小車兩側設置卷揚機，溜管可以通過卷揚機自由提升[6]。溜管底部下料點裝置多通道測深儀，拋填時可以實時監測下料點塊石標高以指導施工。

3.2 液壓振動錘小車

振動錘小車施工時利用卷揚機牽引行走，行走時測距儀實時監測小車位置。塊石振密施工采用APE600液壓振動錘系統進行作業，利用液壓振動錘產生的激振力對塊石基床進行振密，APE600液壓振動錘與夯板連接，振錘系統重量約72 t，夯板尺寸為5 m×4 m，設有泄水孔[7]。懸臂小車上設有2臺卷揚機，通過滑輪組將液壓振動錘及夯板放入水中，如圖2所示。

圖2 振動錘小車示意圖Fig.2 Schematic diagram of vibrating hammer trolley

3.3 測控系統

1）平面控制系統

船上設3臺GPS流動站，對船體進行平面定位，利用測距儀實時監測臺車距測距儀距離并傳輸至測量控制室，根據固定船體參數反算出拋石臺車和振錘臺車的平面位置。

2）高程控制系統

利用臺車和GPS的相對位置關系，測算出臺車固定位置與GPS的高差，溜管拋石臺車固定位置至溜管底口的高差根據測繩計量功能推算，計算出塊石頂面標高。

3）測控施工管理系統

為了滿足溜管拋石和振密施工定位需求，集成開發了測控施工管理系統。

4 施工技術研究

4.1 塊石拋填施工

1）塊石拋填網格優化

塊石拋填前，根據施工區域特點提前繪制拋石網格圖，并導入拋石軟件。塊石拋填典型施工期間，對拋石網格進行了比選，在同一管節采取2種拋石網格施工，一種網格間距3 m，另一種網格間距2.5 m。經多波束掃測結果顯示拋石網格間距由3 m縮小至2.5 m后，塊石散落更為集中，最終將拋石網格間距設置為2.5 m。

2）塊石拋填參數計算

根據前期振密塊石層陸地工藝試驗結果和E1、E2塊石振密典型施工總結，DCM復合地基段的塊石夯沉量按照塊石厚度的20%控制。塊石拋填前，沿沉管基礎縱向間距2.5 m劃分若干個拋石網格，并以多波束掃測數據計算單個拋石網格的基槽槽底實測標高平均值，已知塊石頂設計標高，塊石拋填控制標高=塊石頂設計標高+（塊石頂設計標高-槽底實測標高）/（1-20%）×20%，各塊石拋填控制參數見表1。

表1 塊石拋填控制參數表Table 1 Control parameters of block stone throw-fill m

3）回淤檢測

基槽精挖后，塊石拋填施工前3 d需檢測槽底的回淤厚度，多波束水深監測每10 m一個斷面，多波束測量數據分析發現異常情況時，進行潛水探摸檢查。當基槽底容重大于12.6 kN/m3的回淤沉積物厚度大于0.2 m時，應進行清淤。確定回淤厚度及容重滿足設計要求后，方能進行塊石拋填施工。

4）船舶定位

塊石振密船橫跨基槽駐位，石料船靠塊石振密船東側，在施工管理系統的指導下，軸向通過移船、橫向通過臺車在軌道上移動實現定點、定量拋石。

5）塊石拋填

塊石振密船在測控系統指導下根據拋石網格圖進行精確定位，運輸石料的石料船靠塊石振密船安裝拋石溜管的一側。溜管臺車精確定位后，根據拋石頂標高控制溜管下落距離，溜管底口下放到距離塊石設計頂標高2.5 m處時，開始通過石料船上的挖掘機向溜管料斗喂料，如圖3所示。同時根據測控系統對水下塊石頂標高進行實時監測，1個點位拋填至塊石控制標高后，拋石溜管小車移動至下一個點位拋填，拋填完1個船位后，移船進行下一個船位的拋填。

圖3 塊石拋填示意圖Fig.3 Schematic diagram of block stone throw-fill

4.2 塊石振密施工

1）施工流程

塊石振密施工流程如圖4所示。

圖4 塊石振密施工流程圖Fig.4 construction flow chart of block stone vibro-densification

2）繪制振密網格

塊石振密前，根據夯板尺寸5 m×4 m，相鄰夯點之間搭接1 m，沉管有效振密寬度為沉管兩側各擴3 m，即沉管基礎塊石橫向振密寬度為52 m。將單個沉管劃分為若干個52 m×3 m的振密網格，并將繪制好的振密網格導入塊石振密施工軟件。

3）塊石振密控制參數

DCM復合地基陸上塊石振密工藝試驗結果表明，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5 m×4 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[8]。通過現場塊石振密典型施工，塊石振密時間應根據每個振密網格實測塊石平均厚度做動態調整，具體為當平均塊石厚度小于1.5 m時，時間為45 s，平均塊石厚度大于1.5 m、小于2 m時，時間為60 s。

4）塊石振密施工

塊石振密施工時，利用測控定位系統將塊石振密船精確定位到指定拋石位置，嚴格按照前期規劃的振密軌跡進行施工。塊石振密船和振錘臺車精確定位后，控制絞車下放夯板，根據絞車出繩長度計量功能控制絞車行程以及夯板的傾斜度和下沉量，絞車提升或下降速度為5～10 m/min，當夯板下放至塊石頂時停止下放，開啟動力柜，按照塊石振密施工控制參數表進行振密施工。

塊石振密施工完成后，使用配置多波束系統的測量船進行水下測量，測點布設為垂直于基床軸線10 m為1個斷面，每個斷面測點間距5 m。振密后塊石頂標高未達設計要求應進行補拋，補拋塊石連續面積大于30 m2時應進行補夯處理。

4.3 工效分析

在石料供應充足情況下，塊石振密船溜管拋石工效達到日均1 900 m3。塊石振密日均工效達2 184 m2/d，單個標準管節基礎的塊石拋填總量為14 500 m3，塊石拋填需要8 d。標準管節長165 m，塊石振密有效寬度為52 m，單個標準管節塊石振密總面積為165×52=8 580 m2。即單個標準管節塊石振密時間為4 d，單個標準管節塊石拋填及振密共需12 d。

5 工藝實施效果

塊石振密完成后，采用多波束進行掃測，生成清晰的三維輪廓影像、平面輪廓影像及準確的斷面圖。塊石振密率達到20%以上，沉管基礎塊石得到有效密實，塊石夯沉量統計見表2。

表2 塊石夯沉量統計表Table 2 Statistical table of block stone compaction amount

塊石振密船自2020年2月23日開始沉管隧道基礎塊石施工，截止2020年11月底共計完成6個管節基礎塊石拋填及振密施工，拋石約8.7萬m3，累計完成塊石振密4.5萬m2。根據多波束掃測數據分析，塊石拋填標高控制精確，斷面成型效果好，基礎塊石得到有效密實，已安裝沉管沉降量滿足設計要求。

6 結語

塊石振密船溜管拋石工藝在沉管隧道基礎工程中的應用，有效解決了深水、大流速工況下塊石漂移距離大、流失嚴重，斷面成型難等技術難題。塊石振密工藝在DCM復合地基上的應用，既保證了基礎塊石振密效果，同時又不對DCM的承載性能造成影響，有效助推了深中通道工程建設，為今后類似工程提供了參考。