真空预压加固法在天津港东疆港区的应用与展望

白立华，刘烽，诸葛爱军

（1.天津港（集团）有限公司，天津 300456；2.天津港东疆建设开发有限公司，天津 300456；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

1 概述

天津港东疆保税港区位于天津港东疆港区，是中国目前功能最全、政策最优惠、开放度最高的特殊经济区。目前东疆港区30 km2已经全部成陆，东疆二岛的规划工作已经启动，东疆港区将迎来新的建设高潮。东疆港区的陆域形成主要是利用港池和航道疏浚土吹填造陆而成。由于新近吹填软土地基的承载力较低，当上部结构作用于其上时，会发生比较大的沉降变形，从而对构筑物造成一定的危害，因此，需要在使用前对其进行加固。目前东疆港区地基加固主要采用排水固结法，其中以真空预压法应用最为普遍[1]。

2 东疆港区真空预压设计

2.1 工程地质条件

天津港东疆港区是典型人工吹填造陆形成的人工岛，其地基土主要分为两大层，上部6～7 m为近期人工吹填形成的吹填土，其下为Q4后期海相沉积土。主要土层有粉细砂（1-1）、淤泥（1-2）、淤泥质黏土（2-1）、淤泥（2-2）、淤泥质黏土（2-3）、粉质黏土及黏土（2-4）。除表层吹填粉细砂外，其余土层均具有高含水率、高压缩性、低强度、低透水性的特点。同时由于该类土层的沉积历史比较短，在自重应力下地基土并没有完全固结，未经处理无法满足上部结构的使用要求。

2.2 主要加固方法及设计概况

目前，东疆港区通常采用“真空预压法”或“真空联合堆载预压法”进行软基加固[2-3]。随着中粗砂资源日趋紧张，技术人员在传统真空预压法的基础上，对真空预压的排水方式进行改进，提出了直排式真空预压法，目前该方法在东疆港区应用较为广泛。

东疆港区真空预压主要设计参数如下：膜下真空度稳定保持在86 kPa以上，膜上荷载视具体工程情况而定，抽真空有效天数一般为80～120 d。竖向排水通道采用塑料排水板，其间距一般为800～900 mm，正方形布置，排水板底标高-8.0～-14.5 m。根据不同的使用要求，通过固结度和卸载时的沉降速率控制卸载。部分典型工程设计参数统计如表1所示。

表1 东疆港区典型工程设计参数

3 东疆港区真空预压施工控制要点

3.1 主要施工流程

主要施工流程为：铺设土工布→吹填粉细砂工作垫层→铺设中粗砂排水层（直排式可省略）→打设塑料排水板→埋设监测仪器→埋设滤管→铺设1层土工布→开挖密封沟→铺设2～3层密封膜→安装抽真空设备→抽真空（真空监测）→吹填膜上粉细砂（联合堆载）→恒载抽气→卸载。

3.2 施工控制要点

真空预压各施工环节互相影响，任何过程的疏忽都会直接影响加固效果，本文重点介绍施工中几个关键环节的控制要点。

3.2.1 粉砂工作垫层的施工

吹填粉细砂工作垫层是真空预压各道工序的基础工作，吹填质量直接关系到后续工程能否正常进行。粉细砂吹填过程中应根据总厚度及原泥面承载力情况分层吹填，避免局部地区吹填过厚或沉降量过大而导致周边出现隆起。吹填粉细砂时管口应及时移动，保证吹填粉细砂均匀，避免出现严重高低不平现象。当出现局部隆起现象时，可采用袋装砂从隆起中间区域向四周进行压护，视情况可安排作业人员在袋装砂上面踩踏，以减小隆起高度。上述工作完成后再进行吹填施工。

3.2.2 塑料排水板的打设

在真空预压过程中，塑料排水板除了排水外，还担负着传递真空压力的作用，因此塑料排水板打设的好坏直接影响工程成败。塑料排水板打设主要控制以下几点：

1）原材料质量。塑料排水板施工前严把材料进场关，排水板外观质量、克重不能满足设计要求时坚决予以退场。所有指标试验合格后方能投入使用。

2）打设过程控制。打设塑料排水板时，应在导管与打设架上做标记进行标识，每台打设架配备标识牌，做到责任明确。塑料排水板打设时，必须理顺板面，防止板面扭结进入套管。排水板施工过程中严格控制排水板垂直度、外露长度、平面位置以及回带现象，发现超出规范规定值时必须及时纠正，杜绝浅打、漏打等严重质量问题。打设完成后及时用中粗砂填满板周围的孔洞，清理加固区杂物和打设过程中回带到砂面的淤泥，确保砂垫层的排水通畅，同时确保每根排水板按照设计间距、深度打设到位、保证竖向排水畅通。

3.2.3 水平排水系统的施工

常规真空预压水平排水系统采用黄砂垫层，施工过程简单，只要管理到位，质量容易得到保证。

直排式真空预压施工过程控制比较困难，见图1。

图1 水平排水系统施工图

直排式真空预压最为关键的环节是滤管与排水板的连接，如果连接不牢或被堵塞，将直接影响排水效果。直排式真空预压因去除了中粗砂垫层，打板后容易出现返泥现象，滤管绑扎之前应保证排水板板头的清洁，保证滤管周围的粉细砂层不被污染，同时必需保证滤管和三通、四通连接可靠。对于返泥严重的区域，应采取特殊措施进行处理，必要时可以沿滤管周围铺设“中粗砂沟”，以确保横向排水的畅通。

3.2.4 密封膜及压膜沟的施工

密封系统是真空预压能否形成真空压力的关键，因此除了选择质量合格的密封膜外，施工过程中还应注意以下几点：1）压膜沟必需挖透粉细砂垫层，并且进入不透气土层以下0.5 m以上；2）当加固区边界透水透气层较深时，密封措施宜采用黏土密封墙。黏土密封墙厚度不宜小于1.2 m，拌合后墙体的黏粒含量应大于15%，渗透系数应小于1×10-5cm/s；3）真空预压施工过程中，膜上应有一定深度的覆水。

需要说明的是：为了提高效率，压膜沟的开挖可以采用机械开挖，但应注意对排水板的保护，如果排水板被挖断，应在挖完后接长，并引至水平排水垫层中。

3.2.5 真空预压过程控制

真空预压过程中应使膜下真空压力始终保持在设计荷载之上，严格控制开泵率，并对整个真空预压加固过程进行动态监测。

4 真空预压的改进与发展

4.1 无砂垫层法加固技术

目前作为排水垫层的中粗砂资源越来越紧张，吹填粉细砂受诸多原因影响也不能保证供应。研究人员对真空预压部分技术进行改进，采用人工合成材料替代传统材料，提出了以土工布与软式透水波纹管或土工布和海绵与软式透水波纹管组合作为真空预压新型水平排水体的方法。经试验验证，能够满足新近吹填软土前期地基处理要求。

天津港研院的工程技术人员在理论研究和室内试验的基础上，提出了无砂垫层法真空预压，该方法在东疆港区已经进行了现场试验工作，试验结果表明该方法能够达到常规真空预压的加固效果。

4.2 真空预压二次加固技术

随着围海造陆不断向深水发展，表层吹填土的厚度大大增加。大量工程实践表明，表层吹填土加固过程中虽然能够发生较大的沉降，且地基土强度有较大幅度提高，但绝对值仍然很低，逐渐成为真空预压加固的瓶颈。针对上述情况，在对新近吹填土真空预压模型试验研究的基础上提出二次插板的方法[4]，解决了一次加固过程中存在的一些问题。目前二次插板的方法已经应用在新吹填超软土地基加固工程中。

4.3 增压真空预压

针对吹填土表层的瓶颈问题，在常规真空预压的基础上，提出增压式真空预压法。该方法对现有真空预压加压方式进行改进，在原有的塑料排水板间的土体内设置加压管，加压管的深度与吹填土厚度基本一致。当正常抽真空一段时间后，地基土强度有所提高，增压管开始工作。通过增加排水板中心处土体与排水板内的压力差，达到改善加固效果的作用。该方法已在东疆港区有过应用，但其加固机理及适用范围还有待进一步研究。

5 东疆二岛建设展望

东疆二岛初步规划面积达40 km2，根据现有经验分析，真空预压法还将是该区域地基加固的首选方案。鉴于其特殊的地理位置，笔者认为东疆二岛在建设开发的过程中将面临诸多问题需要解决，本文就地基处理工作提出几点建议：

1）合理进行吹填方案的设计，保证吹填土的均匀性。吹填淤泥造陆的成功，取决于吹填泥浆能否在预定时间内落淤、固结，并达到可进行地基处理的初始状态，这是由原状海相淤泥的物质组成及物理力学性质等吹填特性所决定的。天津滨海新区海相淤泥用于吹填造陆是可行的，但是如何合理组织吹填对于真空预压加固的难易程度及工程投资有着重要的影响。在吹填过程中应合理地进行管线布置，在主干管线上预留吹填分支口，避免粒径较大的土体在吹填口沉积过多或局部土体黏粒含量过高，影响后续真空预压的施工。

2）适当增加吹填泥面高度，以节省工程投资。东疆港区目前吹填泥面标高为＋5.0 m左右，如果沉降量按2.0 m计算，加固后的标高为＋3.0 m左右，这与目前上部构筑物结构层底标高有近1.5 m左右的高差，这就意味着需要通过回填山皮土或者在施工过程中吹填膜上粉细砂补足标高，随着山皮土价格的不断上涨及粉细砂资源的日益紧张，单纯依靠该方法的代价将会越来越大，因此笔者认为，在二岛的建设中可以适当增加吹填泥面的高度，尽可能减少加固后回填或者吹填的工作量，从而节省工程投资。施工过程中，为了避免造成周边围埝尺寸过大，可以考虑吹填至一定标高后再修筑子埝，以减少工程投资。

3）合理确定排水板间距、深度及有效抽真空时间。塑料排水板的间距与有效抽真空时间直接相关，通过对天津港地区排水板间距、有效抽真空时间以及工程造价进行分析，认为天津港地区的排水板间距为0.8～1.0 m相对比较合理，对于工期要求不是很严格的工程可以采用较大的排水板间距以节省工程造价；对于工期较为敏感的工程采用较小的排水板间距较为合理；对于上部吹填土土性较差的情况，可以适当减小吹填土层的排水板间距，或者在排水板中间“插芯”以减小吹填土层的排水路径，从而保证加固效果。

此外，对于上部使用荷载较小的工程，可以适当减小排水板的深度，把加固的重点放在吹填土层上，消除上部土层的残余沉降，在上部形成硬壳层，满足一般场地的地基承载力要求。对于下部土层，因为没有排水通道且土体渗透性很差，排水路径很长，土体仅依靠竖向固结，在场地使用年限内沉降很小。该方法在理论上已经进行过研究，施工中的一些关键问题也已经得到解决。

4）工期允许的前提下，尽可能增加晾晒的时间。目前，技术上已经解决新吹填的超软土地基加固问题，但是施工过程中往往需要铺设大量的土工合成材料以提供工作垫层，这无疑会大大增加工程投资。结合大量的工程经验，吹填土在吹填完成后1 a左右，依靠自身的落淤及晾晒后在表层能形成50～70 cm的硬壳层。因此在工期允许的前提下可以利用该硬壳层作为工作垫层，以减少工程投资，同时还能保证工程质量。

5）积极探索使用真空预压新技术，解决真空预压瓶颈问题。随着造陆区域不断往外海延伸，东疆二岛范围涂面标高预计在-2.0～-3.0 m左右，上部吹填土层的厚度将达到近8～10 m左右，这就意味着加固过程中地基土将会发生更大的沉降量。由于吹填土层的沉降量过大，塑料排水板在土体中往往会发生弯曲，严重时将造成排水板失效，从而影响加固质量，比较好的解决方法是进行二次加固。通过第一次加固使吹填土层的沉降量尽可能发生，从而保证第二次加固的效果。

6）合理组织，避开冬季施工。天津港地区冰点一般为-2℃左右，低于该温度施工往往会出现一系列问题，例如：①冬季施工效率会明显降低；②塑料排水板打设过程会受到表层冻土的影响；③滤管及排水板容易出现冻结情况，影响排水效果；④吹填膜上粉细砂工作主要采用海上运输，冬季施工船舶航行有一定的安全隐患等等。因此建议真空预压施工应尽可能避开冬季。

7）加强过程控制，保证工程质量。真空预压作为一种常用的地基加固方法，其加固机理、设计方法和施工工艺已经较为成熟。但是由于真空荷载是动态荷载，施工过程需要进行一定的监控。东疆二岛的建设过程将面临许多新的技术问题，因此进行必要的监测及检测，利用实测数据指导工程施工和完善设计显得尤为重要。

6 结语

1）通过多年的工程实践，真空预压法已广泛应用在天津港东疆港区的工程建设中，该方法的独特优势，保证了东疆港区地基加固能够快速有效的实施，为工程建设节省了大量投资，取得了良好的经济效益和社会效益。

2）施工过程控制是保证真空预压加固效果的重点，在施工过程中应对关键环节进行严格控制，从而保证工程质量。

3）东疆二岛工程建设将面临新的挑战，吹填造陆的过程中应本着合理规划、精心组织、严格控制的原则进行。在工程实施过程中，可以借鉴已有的工程经验，采用一些新工艺、新方法，在保证工程质量前提下，尽可能降低工程投资。

[1]陈环.真空预压法机理研究十年[J].港口工程，1994（4），17-25.

[2]JTS 147-2—2009，真空预压加固软土地基技术规程[S].

[3]天津滨海地区吹填土地基负荷层快速加固技术应用规程[R].天津港（集团）有限公司，中交天津港湾工程研究院有限公司，2009.

[4]杨爱武，闫澍旺.真空预压部分改进技术处理吹填软土[J].天津大学学报，2011（6）：477-483.