沉管隧道水下深层水泥搅拌桩清除施工技术研究

黄道金，刘新明，黎忠豪，王腾

（中交广州航道局有限公司，广东广州 510290）

引言

对沿海和海底软土地基处理有多种加固处理方法，而水下深层水泥搅拌桩（以下简称“DCM桩”）就是其中一种。DCM 桩是利用水泥作为固化剂的一种水下软基处理先进技术，通过深层搅拌机械在地基将软土或沙等与固化剂强制拌和，使软基硬结从而提高地基强度的施工方法，具有施工工期短、工艺简单、加固效果显著等特点，同时对周围建筑产生的影响较小，对周边环境污染小。

深中通道工程项目运用DCM 桩工艺对海底沉管隧道软土基础进行处理，以无侧限抗压强度（UCS）值作为设计控制指标，设计要求强度为1.6 Mpa.为保证DCM 桩顶混凝土强度达到设计要求，桩体设计顶标高高于基槽底标高0.5 m，后续工序需将超灌DCM 桩体予以清除。由于DCM 基础开挖在我国尚属首次实施，对于深基槽下DCM桩预留部分的桩体开挖施工精度能否满足设计要求值得深入分析和研究。随着近年来海底隧道工程的明显增多，我国已逐步迈入沿海港口及海底隧道建设的高峰期，如何解决沉管隧道DCM 桩高精度开挖技术难题显得十分必要和紧迫。

1 现状分析

港池扩容、航道疏浚、基槽开挖硬质土体主要设备有绞吸式挖泥船、抓斗式挖泥船等。目前，中国国内一般绞吸式挖泥船开挖深度小于30 m，如IHC 7025 系列绞吸式挖泥船的最大开挖深度为25 米，IHC 8527 系列船的最大开挖深度为27 m，IHC 9029 系列船的最大开挖深度为29 m。但本工程开挖深度平均在30 m 以上，一般绞吸式挖泥船无法达到开挖深度要求，而抓斗挖泥船可以很好解决挖深不够的问题，同时抓斗船在基槽疏浚工程中对边坡稳定性较好，相比绞吸式挖泥船对土体的扰动也小，基本上不会造成混水残留及后期回淤影响，对基槽回淤影响相对较小。目前抓斗船疏浚施工工艺主要有直接开挖及定深平挖两种工艺。

1.1 直接开挖施工工艺

直接开挖施工工艺是抓斗船一种常规疏浚方式，通过设计标高和抓斗斗高结合潮位遥报仪的潮位数据设置抓斗下限停止深度，利用旋转式挖泥机的吊杆、钢索悬挂抓斗，在抓斗本身重量的作用下沉入海底，通过液压系统合斗破土抓取泥土（图1）。

图1 直接开挖原理示意图

1.2 定深平挖施工工艺

定深平挖施工工艺是利用微型计算机根据深度计和开口度计的信号，对盘形制动器的动作压力、开闭斗时对应的钢丝长度等数据进行高速演算，将运算结果作为控制指令输出以控制吊斗、开闭斗钢丝的收放速率，使抓斗闭合挖掘轨迹呈一条平均高低值约0.3 m 的水平波纹线，以达到设计精度要求（图2）。

图2 定深平挖原理示意图

2 工程概况

深圳至中山跨江通道工程（以下简称“深中通道”）是世界级超大型“桥、岛、隧、水下互通”集群工程，采用双向八车道、时速100 km 高标准建设，线路总长约24 km。同时，深中通道作为国家“十三五”重大工程，建设条件异常复杂，项目建设受航空、水运、环保等多重因素限制，技术难度高，沉管隧道在世界范围内首次大规模采用钢壳混凝土结构，由32 个管节和最终接头衔接而成，海底隧道总长约6.8 km。而岛隧工程是深中通道控制性工程之一，需克服复杂的海床条件、超长的跨海距离、恶劣的自然环境等影响，具有超宽、变宽、深埋、回淤大、地层稳定性差五大技术难点。

隧道基槽设计断面复杂，基槽采用横向分级、纵向分段的方法，见图3。

图3 隧道纵断面示意图

1）西岛斜坡段（E1 管节～E5 管节中部）基础边坡：基槽淤泥与淤泥质土层采用1:7 坡率，粘土（含粉质粘土及夹砂层）、砂层及全风化岩坡率采用 1:3；强风化、中风化岩层坡率采用1:0.75；纵向设置了2.960 %、2.627 %、2.155 %、1.741 %、1.680 %多个纵坡组合。

2）其它段（E5 管节中部～32 管节）基槽边坡：淤泥与淤泥质土层按南北边坡进行区分，南坡采用1:5 的坡率，北坡采用1:7 的坡率，粘土（含粉质粘土及夹砂层）、砂层及全风化岩坡率按1:3；强、中风化岩层坡率按1:0.75。纵向设置了 1.680 %、1.608 %、0.924 %、0.099 %、-0.727 %、-1.539 %、0.556 %等多个纵坡组合。

3 软土地基处理方案及标准

3.2 软土地基处理方案

以往DMC 方案的使用主要受造价昂贵、核心设备缺乏等因素的制约和影响，但随着相关国产设备的开发与使用，限制 DCM 方案应用的问题就逐步得到了解决。针对伶仃洋水域地质条件较差，软土质占一定比例的情况，为提升沉管隧道地基承载力，深中通道项目运用DCM 工艺对沉管隧道软土地基进行处理，以无侧限抗压强度（UCS）为设计控制指标，设计强度为1.6 Mpa，桩体设计顶标高高于基槽底标高0.5 m，分布范围包括E1-E5 管节沉管底部区域及两侧回填区域范围、E14-E15 管节、E17-E20 管节沉管底区域。DCM 桩对土地基抗剪强度及地基承载力有一定的提高，但对后续施工的沉管隧道基槽开挖精度控制有一定难度。

3.2 沉管隧道基槽开挖验评标准

深中通道沉管隧道基槽疏浚质量控制要求远远超出现行的疏浚工程和水运工程规范要求，基槽槽底允许超深小于0.5 m，槽底单边坡线允许超宽2.5 m，不足交通运输部《水运工程质量检验标准》（JTS257-2008）各类挖泥船开挖的平均超深、超宽控制值的一半。

4 DCM 桩开挖

4.1 典型施工

DCM 载荷板试验区域开挖土质以淤泥为主，开挖底层需将DCM 桩顶部的0.5 m 部分挖除，DCM 桩无侧限抗压强度设计值为1.6 MPa。

采用定深平挖功能的抓斗式挖泥船进行地基开挖作业。抓斗船开挖施工时船前布八字锚，通过抓斗咬合力切割土体挖泥，通过调整锚链来移动船体，挖出的泥土卸放靠在一旁的泥驳舱内，泥驳装满后启航运至抛泥区倾卸。抓斗船开挖边坡过程中需严格按照设计标准，按台阶齿状开挖，遵循“上超下欠，超欠平衡”的原则开挖，边坡开挖断面线与设计边坡基本一致，抓斗船施工示意图见图4。

图4 抓斗船船施工示意图

本次施工上层软土覆盖层采用直接开挖施工工艺，下层DCM 桩地基区域采用定深平挖施工工艺，保证开挖精度符合验收标准及基槽DCM 地基平整度要求。

为验证其是否满足DCM 地基精挖施工精度要求，特别策划基槽DCM 卸荷载试验区精挖典型施工。DCM 卸荷载试验区域位于E3 管节中段南边坡，试验区域开挖底标高-17.4 m（1985 国家高程基准）。DCM 桩开挖典型施工实验区域共98 根DCM 桩，试验区域下层边坡部分桩间距1 m×1 m，上层边坡部分桩间距2 m×2 m。DCM 卸荷载试验区开挖平面图、断面图见图5。

图5 DCM 卸荷载试验区

4.2 施工参数控制

1）抓斗船开挖采用分段、分层、分条施工，分段长度主要考虑船舶横移距离，一般为100～150 m，为有效控制开挖精度，保障施工质量分条主要考虑船舶宽度，本次施工分条宽度20 m。

2）本次施工试验区域开挖底标高-17.4 m，上层软土覆盖层开挖分层厚度设置为2 m，直至标高-14.9 m；下层DCM 桩地基区域[-14.9 m,-17.4 m]使用抓斗船定深平挖施工工艺开挖至设计底标高，分四层进行开挖，四层分层厚度依次为1.0 m、0.8 m、0.5 m、0.2 m。

3）在开挖下层DCM 桩地基区域[-14.9 m，-17.4 m]中倒数第一、二层相邻斗之间在平行基槽方向左右叠斗0.5 m，垂直基槽方向各按1-1.5 m重叠布斗，以防止漏挖以便有效破除桩头。

4.3 检测结果分析

按照沉管隧道基槽开挖验评标准，DCM 载荷板试验区超欠挖允许偏差值为[+40 cm，-60 cm]，基槽边坡坡率或坡面超欠挖不陡于设计坡率1:7。根据实验槽底标高为-17.4 m，DCM 载荷板试验区设计标高验收标准为[-17.0 m，-18.0 m]。

从水深测图显示总测点数为270 个，见图8，施工质量检测结果分析如下：

1）DCM 载荷板试验区开挖标高为[-17.0 m，-17.4 m]有125 个测点，占总测点比例46.30 %，其中开挖标高为-17.4 m 向上40 cm 范围内平均测点底标高为-17.27 m 与槽底标高-17.4 m 偏差13 cm；-17.4 m 至18 m 有145 个测点，占总测点比例为53.70 %；

2）DCM 载荷板试验区开挖标高为[-17.4 m，-18.0 m]有145 个测点，占总测点比例为53.70 %，-17.4 m 向下 60 cm 范围内平均测点底标高为-17.45 m 与槽底标高-17.4 m 偏差5 cm；

3）实际开挖平均底标高为-17.37 m，与槽底标高-17.4 m 偏差3 cm。通过上述数据分析可以判定,本次试验开挖精度满足槽底设计[+40 cm，-60 cm]偏差要求。

5 结语

通过采用大型抓斗挖泥船进行挖除施工，同时在施工过程中不断测定DCM 桩高精度开挖的相关参数，并结合现场实际情况对工艺进行不断优化，有效地控制了基槽开挖精度，很好地解决了沉管隧道基槽DCM 桩预留部分的开挖技术难题。本方法虽然在国内尚属首次使用，但相信对推动该领域新技术、新工艺的发展，特别是引领疏浚技术创新具有重要的推动作用，同时也为国内外类似工程项目DCM 桩的开挖施工提供借鉴和参考。