饱和回填砂及深厚软土地基同步加固技术在港珠澳大桥人工岛中的应用

李建宇，王征亮，林佑高，肖仕宝

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

岛隧工程是港珠澳大桥主体工程中投资规模最大、技术难度最高的一个标段，岛隧工程包括为实现桥隧转换，在深水、软基区域填筑的东、西人工岛，超长、深埋沉管隧道以及部分非通航孔桥梁[1]。尹海卿[2]阐述了人工岛和沉管隧道的设计与施工关键技术，人工岛是岛隧工程的基石，而地基处理技术是人工岛最为关键的技术之一，林鸣、孙洪春、沈永兴等[3-7]从施工方面做过一些介绍，本文着重对人工岛软土地基加固及回填砂密实处理技术方法、机理及加固效果进行介绍。

1 人工岛概况

1.1 港珠澳大桥岛隧工程

岛隧工程总长7 440.5 m，包括5 664 m沉管隧道、2个面积10万m2的离岸人工岛及长约700 m的桥梁。其中，东、西2座离岸人工岛长度均625 m，最宽处183 m，采用中粗砂填筑成岛。人工岛一方面是沉管隧道始发点和终止点，决定着隧道开工工期，处于关键工期节点；另一方面做为支撑岛上隧道的基础（隧道又是岛上房建的基础），其地基沉降控制尤为重要。

1.2 人工岛技术要点

1）人工岛位于外海，受台风袭击的概率大，处于关键施工节点，人工岛填筑完成后需具备4~5 a基槽开挖干施工作业条件，采用大直径钢圆筒止水围堰可以满足这些施工条件及要求。钢圆筒围堰设计及施工技术是岛隧工程的关键技术之一，本文不做具体介绍。

2）人工岛所在区域分布厚度20~30 m软土，钢圆筒围堰围闭后人工岛内回填约20 m厚中粗砂，在厚软基及松散回填砂上建设沉管隧道，同时隧道结构作为岛上建筑的支撑，这对人工岛沉降控制提出高标准的要求。采用快速、高效、安全可靠的地基加固技术是岛隧工程的关键技术之一，本文主要论述人工岛采用的深井降水密实回填砂和加固深厚软土的地基处理技术，即饱和回填砂及深厚软土地基同步加固技术。

2 人工岛地基处理

2.1 工程地质条件

1）第一大层（淤层）为淤泥及淤泥质土层，该层含水量高、抗剪强度低、压缩性高、渗透性差，层厚20~30 m。

2）第二大层（于层）为粉质黏土及黏土层，呈软塑~可塑状，判定为正常固结~轻微超固结状态。

3）第三大层（盂层）为粉质黏土、黏土层以及粉细砂和中砂，粉质黏土及黏土呈可塑~硬塑状，判定为超固结状态；粉砂及中砂标贯击数大于25击。

4）第四大层（榆层）为黏土和粗砾砂组成，其中黏土层仅分布于东岛，该黏土分布深且厚，呈软塑~可塑状，判定为正常固结~轻微超固结状态，为减少人工岛工后沉降应尽可能加深该层土的处理深度；粗砂砾标贯击数大于30击，呈密实状态，该砂层具有承压水特性，地基加固时排水通道不宜与该层联通。

各土层的主要物理力学参数见表1和表2。

表1 土层天然密度及孔隙比表Table 1 Natural density and pore ratio of soil layer

表2 固结试验结果表Table 2 Consolidation test results

2.2 筑岛方案

开挖表层8 m淤泥，振沉准22 m钢圆筒，形成具有止水功能的钢圆筒围堰，围堰围闭后回填中粗砂，中粗砂含泥量小于10%，厚度约20 m。

2.3 地基处理

1）地基处理方案

采用降水联合堆载预压加固人工岛深厚软土地基，降水同时产生渗透力密实上覆回填砂层，即采用了本文所述的饱和回填砂及深厚软土地基同步加固技术，具体实施步骤如下：

淤钢圆筒围堰围闭；于回填中粗砂至-5.0 m；盂岛内抽水形成干施工作业条件；榆陆上施打塑料排水板；虞分级堆载至+5.0 m；愚埋设降水井，降水至-16.0 m，满载预压4~5个月；舆停止抽水，开挖基槽，现浇隧道结构。地基处理平面及断面图见图1~图2。

图1 地基处理平面图Fig.1 Plan of ground improvement

图2 地基处理断面图Fig.2 Section of ground improvement

2）降水联合堆载预压机理

降水预压法作为加固软黏土层的一种方法，它适合于黏土层和透水层相连的情况，通过降低透水层中的地下水位或水压，软黏土层中的孔隙水压力也随之开始降低，在土层总应力不变的情况下，有效应力相应提高[8]，加固机理见图3。图3中阴影部分为降低透水层中地下水位后，土层最终所增加的有效应力，可见回填砂中水位每降低1.0 m就会对下卧软土地基增加10 kPa预压荷载。同时，在深厚软基中设置砂井或排水板等竖向排水通道，将软土中水挤压排入砂层，最终通过砂层中设置的深埋管井将水排出。

3）饱和回填砂降水密实机理

水向上渗透时会引起管涌、流土、接触流土和接触冲刷等渗透破坏，相反，水自上而下渗透时，渗流对每个土颗粒有推动、摩擦和拖曳的作用力，这种拖曳力即为渗透力，当渗透力作用向下时对砂土有显著的密实作用。渗透力为水力坡降与水的重度乘积，当水垂直下渗时，水力坡降为1.0，单位渗透力为水的重度。在回填砂中设置管井排水系统，利用水泵将回填砂中自由水从砂层底部抽出，使回填砂中水自上而下形成渗流，形成渗流力密实回填砂。管井降水密实饱和回填砂机理见图4。

图4 管井降水密实饱和回填砂机理图Fig.4 Compaction mechanism of saturated backfilling sand by pipe well

采用该技术要求待密实饱和回填砂的含泥量臆10%，渗透系数逸10-3cm/s，降水井的底标高宜低于待密实砂层的底标高6 m以下。

4）饱和回填砂及深厚软土地基同步加固技术

降水密实饱和回填砂及降水超载预压处理深层软土地基可同时同步开展，既节约造价又节约工期。实现密实饱和回填砂和加固深层软土地基同步技术需要2个前提条件，一是提前设置竖向排水系统（塑料排水带或排水砂井），排水系统须穿透深厚回填砂及深层软黏土，所以竖向排水系统须具备穿透能力强、打设深度深的特点；二是合理设置降水井的间距，使回填砂中的水位近似竖直下渗。

3 地基处理加固效果（以西人工岛为例）

3.1 水位、沉降及孔隙水压力监测

圆筒和连接圆筒的隔仓各布置一口降水井，岛内区降水井间距30 m，正方形布置，四口降水井中心布置一口观测井，降水井及观测井布置见图5。观测井水位观测结果见图6，回填砂原水位-5.0 m，降水36 d达到设计要求水位-16.0 m，降水速率约0.3 m/d。达到设计降深后，维持设计要求水位的抽水量较小，后期主要抽排下卧软土中“挤压”水以及钢圆筒围堰渗水（锁口渗水）。

图5 降水井平面布置图Fig.5 Plan of dewatering well

图6 水位观测结果Fig.6 Water level observation result

人工岛填筑至-5.0 m完成塑料排水板的施工后设置沉降盘，监测后期堆载及降水期间的沉降。插板期间平均沉降613 mm，堆载及降水期间沉降见图7，监测数据表明堆载及降水期间沉降1 486~2 278 mm，平均1 828 mm，地基总体平均沉降为2 441 mm，卸载前一周平均沉降速率<2.0 mm/d，三点法、双曲线法和ASAOKA法推算的沉降固结度均>90%，工后残余沉降<20 cm，施工期消除沉降效果显著。插板后开始分级堆载，分级堆载50 d后开始降水，降水36 d达到设计降深，即86 d达到满载，图7可见分级堆载及降水期间（0~86 d）沉降速率最快，满载后沉降速率逐步降低并收敛。人工岛布置9组分层沉降，9组沉降规律相近，选择其中1组进行分析，沉降磁环设置的初始标高分别为-17.0 m、-20.0 m、-23.0 m、-26.0 m、-29.0 m、-32.0 m、-35.0 m、-38.0 m、-41.0 m，分别定名为1~9号磁环，各磁环监测沉降见图8，1~5号磁环处于软土中沉降量较大，平均每米沉降率为13%，6~7号磁环处于粉质黏土或黏土中沉降量较小，平均每米沉降率为1%~3%，8号磁环处于底部黏土层且未设置排水板，平均每米沉降率仅0.5%，9号磁环处于黏土与底部砂层交界处，沉降可忽略。分层沉降表明软土加固效果显著，同时深层黏土及粉质黏土在超大预压荷载下设置排水通道是有一定排水固结作用的。最下部密实砂即使在大荷载作用下，也未见沉降。

图7 沉降随时间变化曲线Fig.7 Settlement change with time

图8 分层沉降随时间变化曲线Fig.8 Layered settlement change with time

分层沉降埋设的同时安装孔压探头，人工岛布置9组孔压监测设备，其孔压消散规律相近，选择其中1组进行分析，孔压探头设置的初始标高分别为-17.5 m、-20.0 m、-23.0 m、-29.0 m、-32.0 m、-35.0 m、-37.5 m，各探头监测孔压见图9。

图9 孔压随时间变化曲线Fig.9 Pore water pressure change with time

初始孔压瞬时降低，然后增大，约30 d后又逐渐降低，并最终稳定。原因在于筑岛至-5.0 m插排水板，导致先前从-16.0 m填筑砂荷载产生的超静孔隙水压力快速消散，当插板完成后分级堆载至+5.0 m，孔隙水压力又逐渐增加，随后降水使孔压再次快速降低，降水维持设计水位-16.0 m后，孔压进一步缓慢降低，为软土中超静孔隙水压力消散过程，直至最终收敛。

3.2 标准贯入（SPT）检测

人工岛地基处理后进行了9组SPT试验，其检测结果规律相近，选择其中1组进行分析，SPT检测结果见图10。未降水处理的回填砂标贯击数平均约10击，而降水处理后的回填砂标贯击数约28击，降水密实饱和回填砂效果显著。原状软土标贯击数为0，经大超载比降水联合堆载预压处理后，标贯击数平均达7击，软土由流塑状变为可塑状，加固效果显著。

图10 标准贯入检测结果Fig.10 Result of SPT test

3.3 室内土工试验

人工岛地基处理后取土样进行室内土工试验，试验结果见表3。软土经地基处理后含水量、孔隙比、塑性指数和液性指数明显降低，密度、剪切强度以及压缩模量明显增加，表明软土地基加固效果明显，流塑状软土加固成为可塑黏土；深层黏土含水量、孔隙比和塑性指数有所降低但不明显，强度指标增加明显但变形指标基本不变。

表3 土工试验结果表Table 3 Results of laboratory tests

4 结语

1）创新提出的深井降水密实回填砂和同步加固深厚软土的地基处理技术，即饱和回填砂以及深厚软土地基同步加固技术，在港珠澳大桥岛隧人工岛工程中获得成功应用。饱和回填砂经降水密实后标贯击数由10击增加至28击，回填砂由松散加固到中密。回填砂下卧软土经降水联合堆载预压处理，标贯击数由0击增加至7击，液性指数由1.0降低为0.6，由流塑状软土变为可塑黏土。

2）饱和回填砂及深厚软土地基同步加固技术，适用于回填砂层与待加固软土层相连的情况，要求回填砂具备较好的渗透性，回填砂一般为中粗砂，且含泥量一般要求小于10%。

3）以塑料排水板作为排水通道的降水预压方案地基加固效果好，工程造价低，工期短。人工岛在降水预压过程中，外部水压力指向岛内，保证了岛壁结构的稳定性。与原案相比，取消了砂桩复合地基以及回填砂振冲密实，大大节约了工程造价。同时，同步加固技术可同时密实回填砂和处理下部软土地基，节约了工期。地基处理后人工岛总体工后沉降可控制在20 cm之内，使得沉管隧道岛上段部分具备采用预压后的“天然地基”的条件。

饱和回填砂及深厚软土地基同步加固技术在港珠澳大桥人工岛中的成功应用可为深中通道等类似工程提供经验。