跨海隧道端头软土地基处理方案优化研究_罗磊.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年3月第30卷 第3期MAR 2023Vol.30 No.3DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.03.011作者简介：罗磊（1980-），男，大学本科，高级工程师，主要从事市政设计与工程管理工作。E-mail：0引言随着城市化的不断推进，超大直径跨江盾构隧道的应用越来越普遍，如南京和燕路长江隧道、杭州富阳秦望通道等大批过江盾构隧道。相比于一般道路而言，跨海工程区域软土地基有有含水率高、孔隙比大、压缩系数大、剪切强度低、土壤渗透系数高、摇变性和蠕动性均较强的特点。无论是盾构隧道的开挖，还是地上高层建筑的建立，当遇到软弱地层时，如果不进行严格质量控制，将会对地下以及地上结构造成无法估量的安全事故1-3。如2005年广州海珠城广场B区由于软弱地层处理不当从而发生坍塌，2008年杭州萧山湘湖段地铁施工现场发生坍塌等。当遇到软弱地基时，需要进行加固处理才可作为建（构）筑物持力层。处理软弱地基的方法有很多种，例如：堆载预压排水固结法、真空预压排水固结法、换填处理方案、复合地基法等4-9。本文依托珠海某跨海隧道工程，根据开工前其周围深厚软土地基存在较大沉降作为研究背景，着重分析了跨海隧道端头典型软土地基施工时地基加固的处理方案比选和优化，对其软土地基中块石和CFG桩的问题提出优化方案，通过加固效果和经济效益两个方面对方案进行对比和建议，为同类型工程保证基础设施工程质量和运营安全作参考。1工程概况该隧道工程共分为三段，分别为北岸段隧道、跨海段隧道、南岸段隧道，采用单洞双向4车道规模，设计速度40 km/h，规划为城市次干路，分为左右双线。项目在设计时就发现南岸位置道路已沉降了0.51.0 m左右。该道路在设计之初路基已经经过了堆载预压处理，道路下沉是因为道路两侧地块开发时开挖的深基坑对道路已固结路基产生了影响，从而使道路路基重新变成了动态的固结状态，即随着时间的推移，在道路上部荷载的作用下在缓慢自发固结，从而产生了沉降现象。南岸道路地质钻孔情况如图1所示，可知路基下普遍存在淤泥质土，厚度约为10 m。淤泥质土含有机质及少量贝壳碎屑，呈流塑状，不能作为路基的直接持力层。从沉降历史可知，若道路路基不被扰动，在进行了堆载预压处理后路基会处于相对的稳固状态，跨海隧道端头软土地基处理方案优化研究罗磊1，周瑞平1，刘春讯2，沈俊2，于海洋1（1、珠海十字门中央商务区建设控股有限公司广东珠海519000；2、深圳大学土木与交通工程学院深圳518060）摘要：由于地质条件的限制，当软弱地基不经过处理或者未处理完全时候会给后续工程施工带来严重的安全隐患。文章依托珠海某跨海隧道工程，着重分析了跨海隧道端头典型软土地基施工时地基加固的处理方案比选和优化。分析其中的主要问题，包含软土地基中块石和CFG桩的处理方案。经研究发现：先期堆载预压措施对路基软土的处理受周边环境影响较大，周边土方变动致使路基发生沉降，而选择水泥搅拌桩复合地基的方式来处理软弱地基是合适的，但当地层中存在大块砾石时可行性不高。通过加固效果和经济效益两个方面对方案进行对比并且给出建议，以期为同类型工程保证基础设施工程质量和运营安全作参考。关键词：跨海隧道；软土地基；水泥搅拌桩；CFG桩；方案优化中图分类号：TU473.1文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）03-047-04Study on Optimization of Soft Soil Foundation Treatment Scheme at the End of Cross-sea TunnelStudy on Optimization of Soft Soil Foundation Treatment Scheme at the End of Cross-sea TunnelLUO Lei1，ZHOU Ruiping1，LIU Chunxun1，SHEN Jun2，YU Haiyang1（1、Zhuhai Shizimen Central Business District Development Holdings Co.，Ltd.Zhuhai 519000，China；2、College of Civil and Transportation Engineering，Shenzhen UniversityShenzhen 518060，China）AbstractAbstract：Due to the limitation of geological conditions，when the weak foundation is not treated or not completely treated，it willbring serious safety hazards to the subsequent construction.Relying on a sea-crossing tunnel project in Zhuhai，this paper focuses on analyzing the comparison，selection and optimization of the foundation reinforcement during the construction of typical soft soil foundations at theend of the sea-crossing tunnel.Analyze the main problems，including the treatment plan of boulders and CFG piles in soft soil foundations.The study found that the treatment of the soft soil of the subgrade by the pre-loading and preloading measures is greatly affected by the surrounding environment，and the change of the surrounding earthwork causes the subgrade to settle.The feasibility is not high when there arelarge gravels in the layer.Compares the schemes and gives suggestions from the aspects of reinforcement effect and economic benefit，in order to ensure the quality and operation safety of infrastructure projects for similar projects.Key wordsKey words：cross-river tunnel；soft soil foundation；cement mixing pile；CFG pile；scheme optimization47罗磊，等：跨海隧道端头软土地基处理方案优化研究MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期但是当道路两侧出现深基坑开挖或者其余大规模动土的情况会使道路路基再次处于未固结状态，从而再次沉降。故综合分析，南岸道路路基需再次进行软基处理后才可作为道路持力层，从而保证路基稳定，使工后沉降满足 公路工程技术标准：JTG/B01201410要求。2工程地质条件根据南岸工程地勘报告及周边地块施工经验可知，本段隧道范围存在3种特殊性岩土：人工填土、软土、残积土和风化岩。人工填土层埋深较浅且存在大量孤石，主要为原道路施工回填的块石，粒径约 50120 cm，如图2所示。块石呈褐黄、灰褐色等杂色，主要由黏性土、砂粒、花岗岩块石、碎石、混凝土块等组成，花岗岩块石、碎石及混凝土块含量约为10%80%。该层系近10年内回填而成，埋藏深度变化较大，范围在0.414.1 m内，局部地段埋深较深。块石、碎石全线段均有分布，其密实程度不均匀，结构呈松散状态，自稳能力差，北岸工程上层还存在残留CFG桩，对加固软土地基和盾构隧道的开挖影响都比较大。软土层厚度较大，一般有含水率高、孔隙比大、压缩系数大、剪切强度低、土壤渗透系数高、摇变性和蠕动性均较强的特点。而且在隧道施工过程中如止水措施不到位、施工时地面堆载太大或明挖段大规模降水时，会导致软土失水固结，砂土颗粒随抽排地下水流失，导致地面沉降，对道路路基影响很大。南岸道路原来的真空联合堆载预压措施对路基软土的处理受周边环境影响较大，当周边环境有较大土方变动时会对路基产生影响，会致使路基继续沉降，沉降值不能满足文献 10 要求（次干路一般路段工后沉降不大于50 cm）。南岸道路在隧道项目设计开始时已经沉降超过了50 cm，在隧道项目实施工程中再次发生沉降。故综合考虑为了保证南岸道路路基工后沉降满足文献 10 要求，需采用桩基础来处理深层软基，以便保证隧道项目完成后沉降满足文献 10 要求。处理方案设计之初，本研究提出3种复合地基方案并进行方案比选，比选方案如表1所示。考虑到城市中污染控制要求和后期盾构隧道开挖时刀盘的磨损等因素，最终考虑选择水泥搅拌桩复合地基的方案对南岸软基进行加固。工程中所采用的水泥搅拌桩呈正三角形布置，间距 1.2 m，桩顶标高根据处理范围不同略有区别，基本在 1.62.2 m 内变化。水泥土搅拌桩采用湿法进行施工，桩径为 500 mm，桩顶铺设 50 cm 厚中粗海砂褥垫层。项目正式实施之前对进行软土地基加固的区域进行选点试桩，试桩的选取地点如图3所示。现场选取3个作业点进行试桩，在试桩的过程中发现，均在钻进1.0 m左右遇到孤石，无法继续钻进，需要对原地基加固方案进行优化处理。3软基处理优化方案考虑到上述水泥搅拌桩施工困难以及后续隧道复合地基方案水泥搅拌桩挤密砂石桩管桩优点加固效果好、工艺成熟加固效果较好、适应工作环境能力较强加固效果好、质量易于控制缺点施工环境要求较为严格、质量难以控制质量难以控制需要大型设备、噪声污染严重施工工期工期较长工期较短工期较短造价造价较高造价相对较低造价较高表1初步方案比选Tab.1Preliminary Plan Comparison图1地质钻孔Fig.1Geological Borehole图2地层种存在块石Fig.2Stratum species Exist Block Stone48广东土木与建筑MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期开挖，综合分析软土地基加固方案的技术可行性和经济合理性，故需要对施工方案进行优化，根据项目概况和地质条件提出4种不同的优化方案，具体优化方案如表2所示。根据其效果预测和经济效益进行对比分析，优化方案的经济效益对比如表3所示。综上分析可以看出，在工程造价方面，高压旋喷桩（引孔）单轴搅拌桩（引孔）单轴搅拌桩（换填）单轴搅拌桩+高压搅拌桩+换填。在加固效果方面，单轴水泥搅拌桩高压旋喷桩。4软土地基中CFG桩处理方案在北岸隧道施工时发现人工填土层含有CFG桩，会对加固软土地基和后期盾构隧道开挖会产生较大的影响。根据原道路设计方案显示：CFG桩长 21.2 m，C15强度，桩顶位于地表下1.4 m深度，桩底位于粉质黏土层。CFG桩落入盾构端头加固区范围共有154根，在盾构段端头加固区外盾构掘进路径上另有42根。设计阶段根据原道路设计方案深入调查了三轴搅拌桩直接施工的可能性，经调研国内类似案例发现，三轴搅拌桩机针对性设置后可以处理20 MPa以下强度的岩体结构。在进场施工后，在现场全回转钻机清理锚索工序中，对挖出的CFG桩进行取芯检测强度，发现其强度远超道路图纸设计强度（检测强度最大达53.5MPa），从而导致三轴搅拌桩机无法正常施工，如图4所示。如果盾构接收加固区CFG桩采用不清障方案，原三轴无法施工的位置需要改为高压旋喷桩进行施工，那么将会存在加固效果差的问题，给盾构接收增加风险，故不建议该方案。当盾构接收加固区内CFG桩清图3现场试桩Fig.3Field Pile Test此处选取2个点进行试桩此处选取1个点进行试桩表2优化方案比选Tab.2Comparison and Selection of Optimization Schemes方案名称高压旋喷桩+引孔机引孔换填+单轴搅拌桩单轴搅拌桩+引孔机引孔换填+高压旋喷桩+单轴搅拌桩实施细则将全线地基加固范围内水泥搅拌桩全部变更为高压旋喷桩，桩径、桩长保持原设计不变，桩间距由原来的1.2 m调整为1.4 m。在打桩之前采用引孔机在所需打桩点上进行打孔，使孔冲破人工填土层。将整个范围全部进行换填处理，换填开挖按照1 1放坡开挖，靠近围护结构一侧按直槽开挖计算，换填深度为5 m。换填完成后采用单轴搅拌桩加固。土层中多为前期回填的抛石、建筑垃圾，对5 m范围以内进行翻挖处理，翻挖剔除块石后进行单轴搅拌桩加固施工，5 m范围以外遇到孤石则采用局部引孔。地基加固仍按照原设计桩长和桩径进行水泥搅拌桩施工，如遇到孤石无法施工时，采用引孔机进行引孔处理，使孔冲破人工填土层。对现场存在因孤石影响无法进行水泥搅拌桩的情况分两部分处理，其中第一部分为在雨水管道埋设区域将水泥搅拌桩优化为高压旋喷桩进行施工。第二部分为在雨水管道以外区域将水泥搅拌桩优化为开挖换填处理，换填开挖按照1 1放坡开挖，靠近围护结构一侧按直槽开挖计算，换填深度为5 m，换填完成后采用单轴水泥搅拌桩加固。方案优点高压旋喷桩施工速度相对较快，施工占地少、振动小，施工工艺成熟，加固效果好，但是大面积采用高压喷旋桩，势必会大幅度增加工程造价。此方案相对高压旋喷桩造价低，且能保证搅拌桩成桩质量，但是翻挖速度较慢，土石方运输较为困难。优点是加固效果好，且单轴搅拌桩造价较低。但当土层厚度大，块石、碎石含量过高，会造成搅拌桩成桩的难度大，产生断桩或缺桩现象。综合换填、高压喷旋桩、单轴搅拌桩三者优势，使得地基加固效果好，造价相对低，但翻挖速度较慢，土石方运输较为困难，对施工工艺要求较高。表3方案经济对比Tab.3Scheme Economy Comparison原方案方案1方案2方案3方案4名称单轴搅拌桩高压喷旋桩引孔机引孔换填单轴搅拌桩单轴搅拌桩引孔机引孔换填高压喷旋桩单轴搅拌桩数量119 730 m87 975 m5 865 m62 250 m3119 730 m119 730 m31 928 m56 437 m319 063 m96 855 m单价/元60.89169.00120.0051.4060.9860.98280.0021.40169.0060.98造价/万元7301 5581 0501 1131 03449罗磊，等：跨海隧道端头软土地基处理方案优化研究MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期除时，可选清障方案有搓管机下套筒（冲抓斗取土）、振动锤下套筒（旋挖钻取土）、振动锤下套筒（冲抓斗取土）、全回转钻机锤下套筒（冲抓斗取土）4种方案，下面给出方案比选，如表4所示。盾构接受加固区外CFG桩清除时，可选择旋挖钻直接开挖通过下压、扭矩磨碎桩体带出和冲孔机冲击成孔，将桩体冲碎，通过循环护壁泥浆出渣两种方案，方案对比如表5所示。综合考虑方案技术可行性及工程经济合理性，故加固区内采用功效高、效果好的搓管机清理CFG桩，加固区外选择旋挖钻的方式清理CFG桩。5结论本文基于珠海某跨海隧道工程，对沿海地区典型软土地基处理进行详细分析，得出结论如下：堆载预压措施对路基软土的处理受周边环境影响较大，周边土方变动致使路基发生沉降，对后续工程开展具有影响。选择水泥搅拌桩复合地基的方式来处理软弱地基是合适的，但是当地层中存在大块砾石时可行性不高。优化方案中高压旋喷桩（引孔）经济效益最佳。但在加固效果方面，单轴水泥搅拌桩最安全。对加固区内采用功效高、效果好的搓管机清理CFG桩，加固区外选择旋挖钻的方式清理CFG桩，具有较好效果。参考文献1 马立新.道路工程中软土地基问题分析与处理 J.中国公路，2022（5）：108-109.2 贾玉芳.公路工程中软土地基处理方法的实例分析 J.江西建材，2014（6）：176.3张小次，赵雪丽.公路施工中软土地基的处理技术及方式J.技术与市场，2015，22（1）：61+63.4 李红梅.公路施工中软土路基的施工技术处理研究 J.科技创业家，2012（20）：41.5 李鼎强.某岸边软土地区工程地基失稳事故分析及治理对策 J.广东土木与建筑，2012，19（1）：20-22.6 饶迁根，罗大生，何杰等.某软土路基处理经济技术方案对比分析 J.湖南工业大学学报，2014，28（5）：22-26.7 肖炜，徐炜妩，吴磊.某项目软土地基处理方案的分析J.江西建材，2021（4）：104-105.8 杨平.软土地基对工程建设不利影响实例 J.建筑监督检测与造价，2015，8（3）：49-51.9 毛盾.深厚软土区低路堤软基处理方法 J.交通世界，2019（17）：38-39.10 公路工程技术标准：JTG/B012014 S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.图4三轴搅拌桩现场施工Fig.4Field Construction of Three-axis Mixing Pile表4CFG桩处理优化方案Tab.4CFG Pile Treatment Optimization Scheme方案搓管机下套筒（冲抓斗取土）振动锤下套筒（旋挖钻取土）振动锤下套筒（冲抓斗取土）全回转钻机锤下套筒（冲抓斗取土）综合单价/元635.0900.9808.01 986.7优缺点下套筒速度一般，噪音很小，对周边环境影响小，且造价较省下套筒速度一般，旋挖钻取土石噪音大，速度慢，造价一般下套筒速度一般，冲抓斗取土石噪音小，速度较快，造价一般下套筒速度快，噪音很小，对周边环境影响小，但造价最贵注：其综合单价包含打套筒施工、筒内出渣土、CFG块体外运、土方回填，套筒采用12mm壁厚，清障完取出重复使用。表5出渣方案比选Tab.5Slagging Scheme Comparison方案旋挖钻直接开挖通过下压、扭矩磨碎桩体带出冲孔机冲击成孔，将桩体冲碎，通过循环护壁泥浆出渣综合单价396.3 元452.7 元（未计加深冲孔量）优缺点速度慢，噪音大，造价相对较低速度慢，噪音大，场地泥浆较多影响环境，由于CFG桩底以下仍为软土，冲孔可能使下部桩体向下而导致加深冲孔，施工造价高注：加固外清障后需回填土方，并注浆加固以防止盾构掘进中冒顶。50