李進(jìn)，金文良，王強(qiáng)，寇曉強(qiáng)，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(wù)工程局有限公司；天津 300461；3.中交公路長大橋建設(shè)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(chǔ)設(shè)施已被越來越多地應(yīng)用于水下工程領(lǐng)域。在港珠澳大橋以前，國內(nèi)的沉管隧道多修建于內(nèi)河。內(nèi)河沉管隧道的水文地質(zhì)條件好、埋深淺、占地規(guī)模小[1]，基礎(chǔ)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(yùn)營，因其地基基礎(chǔ)不均勻沉降已嚴(yán)重威脅沉管隧道結(jié)構(gòu)受力和接頭安全，才開始引起學(xué)者們的廣泛關(guān)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(nèi)引進(jìn)的一種軟土處理工藝，因其施工效率高、經(jīng)濟(jì)性顯著等優(yōu)點(diǎn)而得到迅速推廣[4]。

深中通道E1—E22 管節(jié)地基較差，因此基礎(chǔ)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(shí)碎石、振密塊石墊層及樁基在水中作業(yè)時(shí)存在平整度、振密參數(shù)、振密后塊石質(zhì)量不確定性等問題[6-7]，因此開展了復(fù)合地基條件下沉管隧道塊石墊層振密試驗(yàn)，研究塊石振密效果以及振密對(duì)DCM 樁頂沉降、樁頂及樁間土應(yīng)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(xiàng)目全長約24 km，其中沉管隧道長5 035 m，由32 節(jié)管節(jié)組成[8]。地貌上屬于河口三角洲，為珠江入?？?，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(dá)30.3 m，地層條件復(fù)雜多變，基底應(yīng)力差異大。

隧道沉管段各區(qū)段基礎(chǔ)處理方案如表1 所示。天然地基段及DCM 區(qū)段均采用了1.1 m 厚塊石振密層+1.0 m 碎石墊層結(jié)構(gòu)。DCM 處理區(qū)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(chǔ)處理方案Table 1 Basic treatment plan for each section of tunnel immersed pipe

2 試驗(yàn)區(qū)布置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2.1 試驗(yàn)區(qū)布置

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在深中通道S06 標(biāo)中交二公局陸上堆場西側(cè)的空地區(qū)域，面積約為5 000 m2，主要地質(zhì)為淤0.5 m 厚種植土，于19.2 m 厚淤泥，盂10.2 m 厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，榆11.9 m 厚細(xì)砂，虞3.9 m 厚礫砂。

2.2 振密試驗(yàn)參數(shù)

采用260 t 的履帶吊吊起APE600 液壓振動(dòng)錘和4 m伊5 m 夯板進(jìn)行振密試驗(yàn)，振動(dòng)錘轉(zhuǎn)速1 600 r/min，激振力為150 kN/m2，振密分區(qū)有1 m 搭接范圍。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)水位沒過夯板30 cm，見圖1。

2.3 試驗(yàn)分組及測(cè)試儀器布置

為保證DCM 復(fù)合地基段振密試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文進(jìn)行了C-1~C-4 四組模擬試驗(yàn)。C-1~C-4 組試驗(yàn)采用“APE600 振動(dòng)錘+夯板”振密設(shè)備按各自方式對(duì)試驗(yàn)區(qū)塊石墊層進(jìn)行振密，振密順序?yàn)? 號(hào)區(qū)寅3 號(hào)區(qū)寅2 號(hào)區(qū)寅1 號(hào)區(qū)。土壓力計(jì)埋設(shè)原則：先將試驗(yàn)區(qū)開挖至樁頂，整平后在樁頂埋設(shè)土壓力計(jì)，最后在樁間土埋設(shè)土壓力計(jì)。位移計(jì)埋設(shè)原則：在土壓力計(jì)埋設(shè)完成后，回填碎樁渣18.1 cm，在振密區(qū)埋設(shè)位移計(jì)，繼續(xù)拋填塊石至0.6 m，在振密區(qū)埋設(shè)位移計(jì)，繼續(xù)拋填塊石至墊層標(biāo)高。以C-1 組為例，試驗(yàn)振密次序及儀器埋設(shè)位置如圖2 所示。

圖1 現(xiàn)場振密試驗(yàn)Fig.1 Field vibration density test

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

3 DCM 復(fù)合地基振密試驗(yàn)結(jié)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(jìn)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(yàn)。振密結(jié)果如表2所示。從表中可知：在樁間距和振密時(shí)間相同的情況下，塊石墊層厚度為1.21 m 時(shí)，振密效果較好；厚度1.76 m 左右時(shí)，振密時(shí)間75 s 時(shí)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(yàn)振密成果統(tǒng)計(jì)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(shè)位移計(jì)的方法對(duì)振密過程中DCM 樁沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，考慮到陸上試驗(yàn)的局限性、DCM 樁未完全坐落于底板基礎(chǔ)上；4 組試驗(yàn)DCM 樁頂沉降均超過了60 mm，超出位移計(jì)量程。其中振密前后樁頂方格網(wǎng)測(cè)量結(jié)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(fā)生在初始夯密過程，后續(xù)沉降基本呈收斂態(tài)勢(shì)。

3.3 激振過程中樁頂及樁間土應(yīng)力分析

3.3.1 激振過程中樁頂應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

C-1~C-4 各試驗(yàn)區(qū)樁頂應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表3所示，在夯板直落于樁頂上方激振過程中產(chǎn)生的最大激振力在457.8~834.5 kPa，45 s 時(shí)間內(nèi)樁頂產(chǎn)生的有效壓應(yīng)力在77.7~136.5 kPa，均遠(yuǎn)小于現(xiàn)場DCM 樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.2 MPa。

表3 各區(qū)激振過程樁頂應(yīng)力統(tǒng)計(jì)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(yīng)力及最大瞬時(shí)應(yīng)力均最小，分別為77.7 kPa 和457.8 kPa，最大瞬時(shí)激振力出現(xiàn)在3 m伊5 m 最大樁間距的C-3 組，瞬時(shí)激振力達(dá)到了834.5 kPa，說明樁間距的不同對(duì)激振產(chǎn)生的應(yīng)力分配有明顯影響，樁間距越大，樁頂應(yīng)力越集中。

3.3.2 激振過程中樁間土應(yīng)力分析

在4 號(hào)振密區(qū)振密時(shí)，2 號(hào)土壓力計(jì)距振密源1.4 m 位置，樁間土應(yīng)力增長至14.3 kPa，振密結(jié)束后，產(chǎn)生9.4 kPa 的應(yīng)力松弛。振密系統(tǒng)在3號(hào)區(qū)振密時(shí)，2 號(hào)土壓力計(jì)距振密源0.0 m 位置，樁間土應(yīng)力瞬間增長，最大值為241.7 kPa，振密結(jié)束后，樁間土應(yīng)力增長34.3 kPa，穩(wěn)定后樁間土應(yīng)力為36.7 kPa。在2 號(hào)振密區(qū)振密時(shí)，2 號(hào)土壓力計(jì)距振密源0.0 m 位置，樁間土應(yīng)力瞬間增長，最大值為313.8 kPa，振密結(jié)束后，樁間土應(yīng)力增長37.7 kPa，穩(wěn)定后樁間土應(yīng)力為74.4 kPa。在1 號(hào)振密區(qū)振密時(shí)，2 號(hào)土壓力計(jì)距振密源1.4 m 位置，樁間土應(yīng)力增長至80.4 kPa。

結(jié)合不同測(cè)點(diǎn)位置試驗(yàn)結(jié)果和樁間土應(yīng)力時(shí)程曲線（圖3）可知。在相同振密時(shí)間和激振力的情況下，零距離測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的樁頂動(dòng)土壓力比距離2.05 m 測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的樁頂動(dòng)土壓力大42 倍、比距離1.40 m 測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的樁頂動(dòng)土壓力大17 倍。說明振密錘垂直向振密DCM 復(fù)合地基，對(duì)樁間土和DCM樁有加固作用，而對(duì)周圍土體和DCM 樁的應(yīng)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(wěn)定后樁間土的土壓力增長14倍），說明振密對(duì)復(fù)合地基樁間土的加固效果較明顯。

圖3 C-1 組試驗(yàn)樁間土應(yīng)力時(shí)程曲線（2 號(hào)電阻式壓力計(jì)）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(duì)樁頂完整性進(jìn)行了現(xiàn)場開挖探查，發(fā)現(xiàn)振密后DCM 樁頭基本完整，未出現(xiàn)明顯的開裂和斷開情況，說明在整個(gè)激振過程中，激振力對(duì)樁頂未造成明顯破壞。

3.5 DCM 樁頂極限應(yīng)力分析

為進(jìn)一步分析振密過程中DCM 樁在完全不沉降時(shí)的樁頂極限應(yīng)力分布情況，在天然地基的基礎(chǔ)上，增加1 組樁頂振密過程的極限應(yīng)力模擬試驗(yàn)。采用直徑2 m、鋪設(shè)30 cm 厚的碎石層模擬DCM 樁，樁周鋪設(shè)同等厚度的淤泥質(zhì)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(jìn)行2 次振密（振密參數(shù)：1 600 r/min，150 kN/m2，45 s），在碎石樁頂埋設(shè)土壓力計(jì)，觀測(cè)振密過程中碎石樁頂應(yīng)力發(fā)展情況。

激振過程樁頂極限應(yīng)力以及土壓力時(shí)程曲線如表4 和圖4 所示。發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)樁頂極限應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，其原因應(yīng)與振密過程中，塊石持續(xù)出現(xiàn)再排列有關(guān)。在振密過程中，土壓力盒位置振動(dòng)應(yīng)力傳遞在某一時(shí)刻瞬時(shí)達(dá)到最大集中應(yīng)力，其后塊石持續(xù)再排列，出現(xiàn)局部應(yīng)力拱效應(yīng)，樁頂振動(dòng)應(yīng)力降低，這種瞬時(shí)應(yīng)力對(duì)樁頂影響比較有限，在出現(xiàn)最大瞬時(shí)應(yīng)力的整個(gè)振密過程（45 s）內(nèi)，樁頂瞬時(shí)壓力絕大多數(shù)在1 000 kPa 以下，45 s 內(nèi)有效樁頂應(yīng)力僅約為310.5 kPa，遠(yuǎn)低于樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度值1.2 MPa。

表4 激振過程樁頂極限應(yīng)力統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of ultimate stress on pile top during excitation

圖4 土壓力時(shí)程曲線Fig.4 Time history curve of earth pressure

4 結(jié)語

通過對(duì)復(fù)合地基條件下沉管隧道塊石墊層進(jìn)行振密試驗(yàn)研究分析，得出如下結(jié)論：

1）DCM 復(fù)合地基陸上試驗(yàn)結(jié)果表明，APE600液壓振動(dòng)錘轉(zhuǎn)速1 600 r/min，激振力150 kN/m2，振密時(shí)間45~75 s，夯板尺寸4 m伊5 m，搭接寬度1 m等施工參數(shù)，可對(duì)1.2 m、1.8 m 塊石層產(chǎn)生有效的振密，能夠滿足現(xiàn)場施工要求。

2）試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，振密率較天然地基段大，分析原因?yàn)閴K石、樁渣陷入淤泥內(nèi)。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(fù)合地基墊層在45 s 振密時(shí)間內(nèi)，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(duì)振密施工各項(xiàng)指標(biāo)影響明顯，1.8 m 厚塊石墊層累計(jì)振密時(shí)間75 s 時(shí)可達(dá)到或接近1.2 m 厚塊石墊層45 s 振密效果（以振密率指標(biāo)為依據(jù)），同時(shí)，提高塊石墊層厚度可顯著降低振動(dòng)錘荷載對(duì)樁頂?shù)挠绊憽?/p>

4）考慮到陸上試驗(yàn)的局限性、DCM 樁未完全坐落于底板基礎(chǔ)上；4 組試驗(yàn)DCM 樁頂沉降均超過了60 mm，超出位移計(jì)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(fā)生在初始夯密過程，后續(xù)沉降基本呈收斂態(tài)勢(shì)。

5）試驗(yàn)振密過程中，樁頂壓力隨振密過程呈瞬時(shí)波動(dòng)狀態(tài)，其中瞬時(shí)最大壓應(yīng)力值在369.1~834.5 kPa；4 組試驗(yàn)樁頂最大瞬時(shí)壓應(yīng)力均未超過DCM 的樁身強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.2 MPa。

6）考慮本次試驗(yàn)在有側(cè)限（基坑壁側(cè)限）情況下實(shí)施，應(yīng)力傳遞情況明顯優(yōu)于現(xiàn)場實(shí)際情況，現(xiàn)場普遍分布的樁頂樁渣層也存在一定應(yīng)力擴(kuò)散效果，極限壓力測(cè)試結(jié)果應(yīng)比現(xiàn)場實(shí)際工況偏大。

7）綜合振沉量測(cè)試結(jié)果，增加塊石厚度，適當(dāng)提高預(yù)抬量，可在滿足振密效果的同時(shí)降低對(duì)DCM 樁的影響，建議振沉量（預(yù)抬量）按照20%進(jìn)行控制。