横琴杧洲隧道深厚海相软土地层预加固方案研究

李遵豪，彭元栋，曹 雄

（1、珠海大横琴城市新中心发展有限公司 广东 珠海 519000；2、中铁十五局集团有限公司 上海 200070；3、珠海市规划设计研究院 广东 珠海 519000；4、广东省滨海地区防灾减灾工程技术研究中心 广东 珠海 519000）

0 引言

杧洲隧道工程作为横琴粤澳深度合作区对外沟通联络通道，承担一体化区域跨马骝洲水道与横琴沟通的重要交通性主干路，以盾构法穿越杧洲海域深厚海相软土地层。这类海相软土地层具有流变性、触变性、压缩性高和透水性、抗剪强度低等不良工程特性［1-2］。在此地层中修建的隧道在施工和运营阶段易产生沉降或上浮变形［3］，可能造成隧道接头错开、管片开裂，影响正常使用，甚至威胁到隧道结构本身的安全。因此，在海域盾构隧道掘进施工前，有必要对软弱土层进行预先加固。

关于加固范围对软土浅埋超大直径盾构掘进地表沉降影响，黄昌富等人［4］通过有限元分析得出当加固范围由隧道外壁扩大到0.2D时，地表最大沉降减小约84%，软土地层经加固处理后可有效减少隧道开挖对地表沉降的影响，在盾构机通过监测横断面期间对地表扰动程度最大。对于海相软土的加固，吴宁［5］研究了深层水泥土搅拌桩处理深厚海相淤泥质软土的效果以及在荷载长期作用下的工作特性，对比了湿喷和干喷两种施工工法。田良辉［6］探讨了双向搅拌粉喷桩的施工工艺，并分析了不同桩长的施工参数、施工技术要点和质量控制措施等。王延宁等人［7］对港珠澳大桥岛隧工程的水下挤密砂桩复合地基进行原位载荷试验，研究了其力学和变形特性，得到应力分担比与载荷水平以及时间效应的相关关系。此外，还有学者对水下高压旋喷注浆法［8］、新型粉喷桩［9］、高压旋喷钢管混凝土组合桩［10］、水泥搅拌桩联合堆载固结法［11］等工艺在海相软土加固中的应用进行了研究。

鉴于此，本文对横琴杧洲隧道工程盾构掘进前的深厚海相软土地层预加固方案展开了研究，通过分析场地周边环境及工程地质条件，以及进行三轴搅拌桩、高压旋喷桩和深层水泥土搅拌桩加固工法的对比，确定了隧道各区段的加固设计方案，并明确了各工法的施工工艺与控制参数，为同类工程设计与施工提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

横琴杧洲隧道工程位于横琴一体化区域，穿越马骝洲水道，北岸接珠海保税区环港东路与洪湾大道交叉口，南岸接横琴岛西北角的厚朴道，平面位置如图1所示。

图1 杧洲隧道工程平面位置Fig.1 Plan Location of the Mangzhou Tunnel

隧道主体为双管单层双向六车道盾构隧道，盾构外径14.5 m。道路等级为城市主干道，设计速度60 km∕h，路线全长约3.0 km，其中隧道段总长约1.74 km（含隧道段、明挖暗埋段、敞口段和工作井），北岸接线道路长约590 m，南岸接线道路长约649 m（含现状道路改造）。

1.2 工程地质条件

拟建场地位于珠江三角洲南部，珠江出海口西江流域。项目沿线勘察场地属海陆交互相-滨海沉积地貌单元，沿线第四系覆盖层较厚，主要为人工填土层、海陆交互相沉积的淤泥、黏土、粉质黏土、淤泥质黏土及粗砂层、砂岩残积土和下伏的全风化、强风化、中风化砂岩以及燕山期中风化花岗岩。

杧洲隧道工程纵断面如图2 所示，隧道北段大部分位于②1淤泥层，中段穿越②2黏土层、④砾质黏性土和⑤1全风化砂岩层，南段全部位于②1淤泥层。

图2 杧洲隧道工程纵断面Fig.2 Longitudinal Section of the Mangzhou Tunnel

根据钻孔揭露②1淤泥层分布于人工填土层之下，厚度4.00～50.70 m，平均25.69 m。通过室内试验与原位测试，获得其参数指标如表1所示。

表1 横琴杧洲海域淤泥层物理力学参数指标取值范围统计Tab.1 Statistical of the Range of Physical and Mechanical Parameters of the Silt Layer in the Sea Area of Hengqin Mangzhou

2 地层加固技术分析

根据杧洲隧道沿线地质情况，隧道南北岸明挖段、南岸工作井及盾构段均位于第四系海陆交互相沉积层②1层淤泥。②1层淤泥根据前文的分析可知其具有高压缩性、低强度和承载力，盾构掘进中易扰动，扰动后强度极易降低，导致隧道在软弱土中沉降量要远大于在残积土、风化岩中的沉降量，隧道在底部土层变化处产生差异沉降。同时，后期隧道周边地块开发过程中地下水位下降，孔隙水压力消散，软土蠕动变形将引起隧道单侧偏压。为保证隧道运营期间安全，对盾构基底和侧向软弱地层进行加固，以提高盾构基底承载力及侧向抗推能力。

岸上软基处理常用的加固工法有三轴搅拌桩、高压旋喷桩等，水中软基处理常用的加固工法有深层水泥土搅拌桩和高压旋喷桩。表2 中从地层适用性、施工设备及条件、对水道和堤岸的影响、加固效果等角度对三轴搅拌桩、高压旋喷桩和深层水泥土搅拌桩工艺进行了对比分析。

表2 地层加固方案对比Tab.2 Comparison of the Ground Reinforcement Schemes

3 地层加固设计方案

经技术对比分析，最终确定本工程各盾构区段深厚海相软土地层加固总平面、立面设计方案如图3 所示。以下对各区段加固设计方案进行详细介绍。

图3 盾构隧道地层加固总平面与立面Fig.3 General Plan and Elevation of Shield Tunnel Strata Reinforcement

3.1 陆域段

在陆域浅覆土段，即隧道埋深小于0.7D时，为保障盾构掘进安全，采用ϕ850@600 三轴搅拌桩加固，隧道拱顶往上3 m 范围内采用满堂强加固，隧道拱顶以上3 m 至地面采用满堂弱加固，隧道拱顶往下至②1层淤泥底部采用格栅加固，纵向支撑间距2.4 m。加固范围为现状地面至底部穿透②1层淤泥不小于1 m，隧道外边线两侧1.575 m，水泥掺量不小于20%。在加固深度范围以上的土层被扰动区采用低掺量水泥加固，水泥掺量为5%。陆域浅覆土段软基加固区段为：左线南岸LK2+033～LK2+072、北岸LK1+163～LK1+240，右线南岸RK2+053～RK2+105.5、北岸RK1+164～RK1+240。

在陆域正常段，即隧道埋深大于0.7D时，采用ϕ850@600三轴搅拌桩加固（见图4），盾构隧道拱顶以上3 m 范围内采用高水泥掺量强加固，隧道拱顶以上3 m 至地面采用低水泥掺量弱加固。加固采用格栅加固型式，纵向支撑间距2.4 m。强加固范围为盾构拱顶以上3 m、隧道外边线两侧3.375 m，底部穿透②1层淤泥不小于1 m，水泥掺量为20%；弱加固范围为盾构拱顶以上3 m至现状地面，水泥掺量为5%。陆域正常段软基三轴搅拌桩加固区段为：南岸左线LK1+860～LK2+033，南岸右线RK1+860～RK2+053。

图4 陆域正常段软基加固示意图Fig.4 Schematic Diagram of Soft Foundation Reinforcement in Normal Section of Land Area （mm）

3.2 海堤段

为确保盾构在穿越过程中减小扰动，保证海堤的稳定以及控制沉降，对海堤下方地层采用ϕ2 000@1 800 mm超高压旋喷工法桩（MJS）格栅加固（见图5），加固范围为盾构拱顶以上3 m、两侧1.3 m，底部穿透②1层淤泥不小于1 m，水泥掺量为40%。

图5 海堤段软基加固示意图Fig.5 Schematic Diagram of Soft Foundation Reinforcement in Seawall Section （mm）

3.3 水域段

水域段盾构软基加固采用ϕ1 300@1 000 mm 深层水泥土搅拌桩（DCM）格栅加固（见图6），加固范围为盾构拱顶以上3 m、两侧3 m，底部穿透②1层淤泥不小于1 m，水泥掺量为20%，盾构拱顶以上3 m 至泥面的空钻段采用5%水泥掺量弱加固。

图6 水域段软基加固示意图Fig.6 Schematic Diagram of Soft Foundation Reinforcement in Water Area （mm）

4 地层加固施工工艺

4.1 三轴搅拌桩

三轴搅拌桩主要施工工序为：场地平整➝测量放线➝开挖沟槽➝桩机就位➝搅拌和注浆➝清理沟槽内泥浆➝移机下一根桩。

三轴搅拌桩主要技术参数取值为：水泥强度等级42.5 级，水泥掺量实桩不小于20%，空桩不小于5%，28 d 无侧限抗压强度标准值不小于0.8 MPa，墙体渗透系数小于1.0×10-7cm∕s。三轴搅拌机搅拌下沉速度与搅拌提升速度控制在0.3 m∕min范围内，并保持匀速下沉与匀速提升，搅拌提升时不应是孔内产生负压造成周边地基沉降；三轴搅拌桩垂直度误差不应大于1∕200，桩位偏差不应超过50 mm；因故搁置超过2 h以上的拌制浆液，作废浆处理；桩与桩之间的搭接时间不得大于24 h。

搅拌桩正式施工前进行试桩，确定水泥浆液的水灰比、成桩工艺及施工步骤。

4.2 超高压旋喷工法桩（MJS）

超高压旋喷工法桩（MJS）主要施工工序为：场地平整➝测量放线➝引孔-垂直度检查➝下放套管➝主机就位➝下放钻杆➝高压水和空气喷射试验➝水泥浆液、高压水和空气喷射注浆提升➝喷射结束或桩结束➝清洗（套管）钻杆➝移到下一桩位。

MJS工法桩主要技术参数取值为：水泥掺量40%，水灰比1∶1；水泥浆压力40±2 MPa，浆液流量85～100 L∕min；切削水压力20+2 MPa；切削水流量50 L∕min；空气压力1.05 MPa，空气流量3～7 m3∕min；浆液喷射钻杆提升速度30～40 min∕m（全圆），15～20 min∕m（半圆）；地内压力控制1.0～1.8 的系数（视地质情况适当进行调节和控制）；成桩垂直度误差＜1∕400；渗透系数应小于1×10-7cm∕s；28 d 无侧限抗压强度大于0.8 MPa，施工时为改善水泥土搅拌桩的性能和提高早期强度，可掺加外掺剂。

正式施工前，进行成桩工艺试验，确定各项施工技术参数，施工过程中，记录每根桩的压力表和自动数据显示记录仪中的喷射流压力、喷射流流量、同轴高压空气压力，同轴高压空气流量、水泥用量等参数。

4.3 深层水泥土搅拌法（DCM）

水下深层水泥土搅拌法（DCM）加固软土地基采用专用成套设备进行，由专用船组及测量定位系统、搅拌机及操作控制系统、质量控制系统，制浆输浆系统和水泥供应保障系统等组成。主要施工工序为：钻杆入水➝钻杆入土➝钻进搅拌喷水切土➝坐底搅拌喷浆➝桩底区段复搅喷浆➝上提搅拌喷浆➝桩顶区段复搅喷浆➝钻杆提出水面。

DCM 桩主要技术参数取值：水泥掺量20%，水灰比0.8～1.0；土中钻入和提升速度为0.3 ～1.0 m∕min，并保持匀速下沉与匀速提升；因故搁置超过2 h 以上的拌制浆液，应作废处理；垂直度误差不应大于1∕100，柱位平面偏差不应超过50 mm；钻孔取芯的取芯率不宜低于80%；28 d 无侧限抗压强度标准值不小于0.8 MPa，芯样的无侧限抗压强度的变异系数不大于0.35，墙体渗透系数小于1.0×10-7cm∕s。

5 总结

针对横琴杧洲隧道工程特点，进行了盾构穿越前的地层预加固技术研究，总结如下：

⑴横琴杧洲隧道场地淤泥地层最深达50.7 m，含水率、孔隙比、压缩性高，强度指标低，处理难度大。

⑵通过对比各类加固工艺，三轴搅拌桩加固效果好、适用性广，但不适用于水上作业；超高压旋喷工法桩可斜向施工，对海堤等结构物扰动以控制；深层水泥土搅拌法可依靠船舶水上作业，对水下深厚软土具有适用性。

⑶根据各类地层加固方法的特点，确定了本盾构隧道地层加固方案。陆域段采用三轴搅拌桩，跨越海堤段采用MJS 工法桩，水域段采用深层水泥土搅拌法（DCM），并明确了各工法的施工工艺及施工控制参数。