结合港珠澳大桥香港人工岛工程实际浅述地基加固方式

1、地基加固原因

建筑物施工之前如果地基为软土地基，或非软土地基但局部承载力达不到设计要求，易造成建筑后地基不均匀沉降、滑移，造成建筑物倾倒、变形拉裂、功能丧失等事故。故需要对地基进行处理，提高其固结度和抗剪强度，确保地基承载力满足设计要求。

本工程为筑岛工程，岛四周海堤的稳定性、岛内回填土是否满足设计要求的小于50cm的工后残余沉降，均取决于下部地基是否有效加固。

2、地基处理基本方式

目前对地基加固的几种基本方式主要有：

（1）换填法

对于地基承载力不够或稳定性不好的地方，将基底下地基持力层或主要受力层换土，换成砂石或灰土，使地基承载力提高，沉降量减少，且砂石利于排水。

优点分析：工期短，工艺简单、效果可靠；

缺点：增加开挖、回填量，经济性差，只适用于浅层地基。

（2）夯实法

通过强夯、压路机碾压和振动压实、小型打夯机打夯等方式，使土体密实，加固浅层地基。其中强夯法施工时，选用几百剩余上千kN的锤，自高度10m以上高度落下，其夯击能量很大，较普通夯、碾压，不仅能使土体孔隙比显著减少，强大的能力还可以破坏土粒微观结构，产生进一步的体积压缩，使土更密实；同时对含水量较大的粘土，还会产生明显的排水固结，对含水量大的砂土会产生液化、排水，砂土颗粒重新排列、更加密实。强夯加固有效深度也较普通夯、碾压要大，其加固深度可按经验公式估算：

z=α

式中：M是锤重，kN；H是落距m；α是经验系数，一般取0.4~0.75

优点分析：工艺简单；加固效果显著；工效高，施工速度快；节省材料、施工费用低，经济性佳；

缺点：加固深度有限，强夯最深加固深度10m左右；强夯法噪音大、震波对邻近建筑物有一定影响，城市建筑物和人口密集区，不宜使用；淤泥或淤泥质软粘土不适宜。

（3）加载排水固结法

加载排水固结法机理：在压缩性高、含水量大、孔隙比大、软土较厚的土层中设置竖向及径向排水通道，上部采用堆载或真空预压等方式加载，在上部荷载的作用下，使深厚、饱和软土地基中孔隙水逐步排出，加快了地基的沉降与固结，以达到提高地基承载力的目的。

地基中竖向排水通道可通过打设排水板、砂井、砂桩等形成，径向排水通道可通过设置砂垫层等形成。

上部加载形式亦较多，主要有堆载预压、真空预压、堆载联合降水预压等工艺。其加载强度应大于将来场地交付后最大使用荷载，以保证地基始终处于超固结状态，不致再次产生固结沉降或失稳。

优点：工艺成熟，加固效果好，真空预压工艺对周边土体影响小；

缺点：成本高，固结时间长，堆载预压需控制好加载速度，加载过快会对周边土体造成影响。

（4）复合地基法

复合地基是指天然地基中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，由基体和增强体两部分组成。在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。

复合地基主要形式有水泥搅拌桩、粉喷桩、旋喷桩、碎石桩、挤密砂桩等。

水泥搅拌桩是利用水泥或石灰，通过特制的深层搅拌机械，在预定深度内把地基土（适用于淤泥、软粘土）与水泥或石灰强行搅拌，形成柔性桩体或墙体。

高压旋喷桩就是用钻机钻孔至预定深度，然后一面旋转提升钻杆，同时以20Mpa的强大压力向周围喷射水泥浆，形成桩体或墙体。

碎石桩是利用振冲器，在高压水冲击和机械振动联合作用下，下沉成孔，通过振冲器的强力振动，使软弱粘土、砂性土颗粒析排列、振动密实；另一方面依靠振冲器的水平振动力，在加碎石、砂填料的情况下，通过碎石、砂使土层挤压密实；碎石桩/砂桩与桩间土体形成复合地基，从而提高地基承载力。

优点分析：加固速度较快，效果好；

缺点:工艺复杂、施工费用高，噪音大，水泥搅拌桩等对环境有一定影响。

（4）其他辅助措施

此外地基加固时还常常在基底设置土工织物、土工格栅等，通过其加筋、隔离等功能，增加土体的抗拉、抗变形能力，减少地基差异沉降和变形，增强建筑物的稳定性。

另外采用淤泥快速固结剂等注浆-化学固结方式，在一些淤泥或淤泥质粘土加固工程中亦有应用。

3 香港人工岛地基加固工艺介绍

3.1 工程概况

香港人工岛位于香港国际机场的东侧，地势由南向北倾斜加深，泥面标高从约-3.0~-10.0m，岸壁长6140m，面积约150万平米。交工标高+5.5。香港口岸人工岛处的设计高水位为+2.10m，平均水位为+1.20m，设计低水位为+0.30m。从海床面以下主要有两种土层，一是MD（海相沉积淤泥）层，二是ALL（残积土）层。MD层厚度大，含水量高，压缩比大，是本次地基加固的土层。陆域形成的技术要求为50年工后沉降不大于50cm。

香港口岸人工岛原泥面等高线

香港口岸人工岛典型钻孔断面图

3.2 地基加固总体思路

香港人工岛工程地基加固主要分为岛壁区和岛内回填区两大块进行。主要方式有：

（1）岛壁区地基加固

主要采用在海堤基底区域打设碎石桩穿透MD层，直至入ALL层下2m，碎石桩直径为1m，排距为3m，碎石粒径为20~50mm，桩长约20~30m，置换率约为8%。挤密碎石桩与原有淤泥、淤泥质粘土层形成复合地基，提高了地基承载力，同时随上部海堤施工，荷载增加，碎石桩还能起到竖向排水通道作用，地基进一步排水固结。

（2）岛内回填区加固

主要采用打设塑料排水板，铺砂垫层，形成竖向和径向排水通道，再在上部回填砂、公众填料加载，加载后恒载期6个月（预计，具体视海泥不排水抗剪强度增长），期满后卸载，地基加固结束。

另外我部为了加快施工进度，同时节省堆载料运进、运出量，降低施工成本，还拟在部分回填区域采用堆载联合降水预压的地基加固方案。即在该区域周边打设钢板桩穿透砂层至淤泥不透水层下2m，形成止水帷幕，内部采用井点降水法，降低地下水位，使堆载土体由浮容重τ'变为天然容重τ，因τ-τ水=τ'，故通过井点降水6m高，增加的堆载为6t/m，相当于替代了重度为2t/m3的堆载料3m高，拟采用堆载联合降水预压的区域面积约35万m2，则可节省约105万m3堆载、卸载量，且预计能缩短约5个月工期。

香港口岸人工岛地基加固平面布置图

3.3 具体工艺及难点分析

3.3.1 排水板施工

原设计排水板全部为水上施工。后因该区域南部海床面较浅，底标高约为-2.5~-4m左右，抛2m厚砂垫层后，排水板施工船舶吃水不够，故改为深水区水上施工排水板，浅水区待吹填砂至+3mPD，再陆上施工排水板。

（1）水上排水板工艺

a、采用双船体深水插板船，船上装备高精度GPS实时差分定位系统，插设桩机设备布置于船体中部，一次定位后，可以对29m×10m范围的区域进行打板作业，施工效率高偏差控制在±50mm以内。

b、水上排水板由配置DZ40振动锤的排水板施工船施工，采用单锤双管施工，每次2根依次打设该格内排水板。

水上排水板施工照片

排水板船结构图

排水板船定位示意图

（2）陆上排水板工艺

陆上排水板采用振动锤锤击下沉和液压下沉两种方式施工。因人工岛靠近香港机场，有限高要求，故不少区域陆上排水板施工，需采用带伸缩套管的振动插板机进行施工。

a、液压直插法施工工艺流程

液压直插法施工工艺流程图

b、振动伸缩套管法施工工艺流程

振动伸缩套管法施工流程图

（3）排水板工艺通病治理

a、排水板回带治理

原因分析

（a）排水板在打设过程中因桩靴与插管难以完全密封，淤泥挤入管内，造成排水板粘在插管内壁，插管上提时排水板随插管回带。

（b）部分施工区域冲击层处为老粘土，粘性很大，当套管打入此处时，桩位成孔，孔壁光滑，对套管底部插销无向下压力，排水板自重、桩靴的重力及土体摩擦力小于插管上提时对排水板的摩阻力，不能脱销，或者脱销后排水板与粘土孔壁摩擦力小，致使排水板与套管一起被带上。

（c）采用振动插时，有些区域冲击层处土质较硬，需开振动锤较长时间留振才能打到设计标高，长时间留振使泥沙、粘土挤入套管口，粘住插销和排水板，导致回带。

解决办法

（a）排水板施工时，打入设计标高后，卷扬机提升套管时，继续开启振动锤，振掉底部泥沙、振松插销，使排水板留底。此办法对于底口少量进泥的情况有效，宜与其他解决办法共用。

（b）提高桩靴与插管底端结合处的密封性。主要通过改进桩靴和插管底口尺寸，使桩靴在施工时能尽可能堵住插管底口、防止泥沙进入，同时在桩靴底加焊钢筋头，适当增加桩靴重量，以便脱销。

（c）陆上排水板施工，每台插板机均增加一套自动冲水装置，由高压水泵、耐高压塑料水管组成，在插管沉设过程中，给插管内加水，通过插管内水压力减少泥沙进入管内，降低插管上提时对排水板的摩阻力，有效解决了塑料排水板的回带现象。

（d）插管顶部进带口处增加一组光滑的滚轴，排水板打设至指定深度后，插管上拔时，滚轴转动以减小塑料排水板与轴之间的摩擦，避免摩擦力过大产生回带。

b、排水板扭带、被大风吹断现象的防治

原因分析

排水板桩架高度高，从插管口到地面的排水板外露自由长度长，易产生扭带现象，大风天气，还易被风刮断。

解决办法

沿插管高度方向上设置限位钢环，随振动锤和插管上下移动，以减少外露排水板的自由长度，限制其扭转，也不易被风刮断。

3.3.2 碎石桩施工

香港人工岛工程碎石桩施工由北京振冲负责施工。碎石桩施工采用1000~2000t专用水上振冲碎石桩施工船，起吊振冲器的履带吊、进行喂料用的长臂挖掘机及碎石仓在同一驳船上，每一条驳船即为一套施工设备组。

船上装载GPS定位系统，可利用船上锚车进行精确定位。

碎石桩施工工艺示意图

工艺流程：抛填碎石垫层振冲器定位碎石桩成孔(辅助水冲)循环填加碎石,循环振冲上拔成桩移至下一桩位。

3.3.3 堆载联合降水预压工艺

（1）工艺概述

目前人工岛堆载联合降水预压尚未开展，我部已将方案提交给香港顾问公司，并积极推进。此工艺在香港工程中从未使用过，根据香港方面偏于保守、谨慎的习惯，推进有一定难度。但堆载联合降水预压在国内工程中有成功先例。

主要工艺流程如下：

（2）主要工艺

a、降水井布置

降水井的布置原则如下：

截水井：沿格型钢板桩海墙与岛内止水帷幕陆侧后方5~6m处布置一排截水井，间距40m，截住从板桩锁口渗入的水。该排水井的抽水量应与计算的涌水量相同。

疏干井：截水井后方20m起，大面积填筑区的降水井采用等间距满堂布置，间距40m。

人工岛降水井的平面布置见附图（B区，其他区还待进一步规划）。

人工岛降水井布置断面图

b、降水井结构及施工工艺

成井结构

井管结构根据不同区域的原泥面标高而定，底标高为进入MD层以下1m，顶标高约+8.5m。井管长15m~20m，孔径377mm，井径300mm。

抽水井材料采用钢管，公众填料部位为井壁管，回填砂部位为过滤管，外用80目纱布包缚。滤料采用中粗砂，止水采用粘土、海带。井管结构图见下图：

井管结构图

沉井工艺

拟采用1台40T履带吊机和1台30T（37kw）液压振动锤等机具设备进行施工。

成井施工步骤：

定位放样液压振动锤钳住套管顶部套管底部安置锥形头并吊装定位振动下放套管井管吊装下放井管井管与套管间回填中粗砂（需辅以水冲）振动上拔套管成井施工完毕。见下图：

沉降工艺流程示意图

a: 套管吊装定位并在底部安置锥形头b:使用液压振动锤振动下放套管

c: 井管吊装d:下放井管e:振动上拔套管f:成井施工完毕

4 总结

地基加固方式很多，根据各种不同地质情况和固结度、抗剪强度要求，以及工程进度、成本要求，机械设备适用性、周边环境状况等因素，综合考虑，选择最合理的地基加固方式，运用科学的技术工艺，是地基有效加固的有力保证。