張麗珍，劉海欣

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

港珠澳大橋島隧工程人工島工程要為島上隧道作業(yè)提供高保障度的干地施工條件，并且要滿足120 a的耐久性要求，同時(shí)要盡可能縮短工期，快速成島，具有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高、施工工期短的特點(diǎn)。人工島地處外海，施工條件惡劣，工程中創(chuàng)新地采用了插入式大圓筒作為岸壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，大圓筒結(jié)構(gòu)及其之間副格均插入不透水層，同時(shí)外側(cè)輔以拋石斜坡堤進(jìn)行防護(hù)。岸壁結(jié)構(gòu)在施工和使用過程中受力狀態(tài)多變，荷載分布在不同階段具有不同特點(diǎn)，控制工況的確定尤為重要。

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程人工島工程包括東、西兩座人工島，用于連接港珠澳項(xiàng)目海底隧道和跨海大橋。西島為沉管隧道安放施工的起點(diǎn)。為了快速完成西島隧道施工，為沉管的安放提供接入點(diǎn)，將西島分為完全獨(dú)立的西大島和西小島兩部分。西小島可以獨(dú)立施工，快速成島，從而保證整個(gè)島隧工程的進(jìn)度要求。東島結(jié)構(gòu)方案與西島相同。東西人工島通過沉管隧道連通，形成港珠澳大橋海上通道的一部分。

圖1 西人工島平面圖Fig.1 Plan of west island

西島平面圖見圖1，東西人工島典型斷面圖見圖2。

圖2 東西人工島典型斷面圖Fig.2 Typical section of west and east islands

2 施工工序

圖3 人工島施工工序圖Fig.3 Construction process of west and east islands

西島和東島的施工工序類似，僅由于地質(zhì)差異，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高程略有不同。西島（括號(hào)內(nèi)為東島結(jié)構(gòu)參數(shù)）的施工工序如圖3所示。

島內(nèi)施工的同時(shí)，島外可同步進(jìn)行擠密砂樁和拋石斜坡堤的施工。

擠密砂樁主要對(duì)包括淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土等土層在內(nèi)的表層軟土進(jìn)行地基加固。擠密砂樁置換率為25.6%，距離鋼圓筒邊界3.5 m。

海側(cè)擠密砂樁施工完后，拋石護(hù)坡需分階段施工。為保證大圓筒外側(cè)斜坡堤穩(wěn)定，提高土體固結(jié)度，施工至-4 m（東島為-6 m）平臺(tái)時(shí)靜載時(shí)間不少于2個(gè)月。

在海側(cè)進(jìn)行擠密砂樁施工時(shí)，圓筒內(nèi)采用插排水板和井點(diǎn)降水組合措施，同步進(jìn)行軟土預(yù)壓處理。

3 工況分析

3.1 工況選取原則

1） 施工期

由于施工過程中大圓筒內(nèi)外側(cè)回填料高度不斷變化，需根據(jù)結(jié)構(gòu)方案，選擇內(nèi)外高差最大的最不利工況進(jìn)行驗(yàn)算。在施工期，可以認(rèn)為大圓筒與內(nèi)部回填料是一個(gè)高強(qiáng)度的整體結(jié)構(gòu)。

2） 使用期

岸壁結(jié)構(gòu)形成后的使用初期大圓筒的強(qiáng)度可以充分發(fā)揮。由于大圓筒結(jié)構(gòu)未進(jìn)行防腐蝕處理，而人工島設(shè)計(jì)壽命為120 a，隨著使用年限增加，大圓筒將被海水腐蝕，此時(shí)應(yīng)完全不考慮大圓筒的強(qiáng)度作用，島壁結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是拋石斜坡堤。

3.2 計(jì)算工況

通過對(duì)施工工序的分析，島壁結(jié)構(gòu)施工期比較危險(xiǎn)的工況有四個(gè)：島內(nèi)第一次回填；島內(nèi)第二次回填；島內(nèi)基坑開挖；島外拋石堤施工完成。值得注意的是，對(duì)于西大島，隧道基礎(chǔ)較淺，基坑開挖后島內(nèi)外高程差別很小，可不考慮“島內(nèi)基坑開挖”工況。

西小島、西大島和東島岸壁結(jié)構(gòu)施工期和使用期設(shè)計(jì)工況選取見表1。

4 設(shè)計(jì)條件

4.1 堆貨荷載

施工期堆載：10 kPa；使用期堆載：20 kPa；地震工況堆載：10 kPa。

4.2 水位

穩(wěn)定計(jì)算選取水位見表2。

4.3 波浪

對(duì)于直立式建筑物，當(dāng)驗(yàn)算其穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)計(jì)入波浪力的作用，透水式斜坡堤可不考慮波浪力的作用，因此需考慮大圓筒結(jié)構(gòu)施工期波浪力作用。穩(wěn)定計(jì)算選取20 a一遇低水位條件下20 a一遇波浪。

依據(jù)《港珠澳大橋主體工程初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)波要素和水流分析計(jì)算專題研究報(bào)告》[1]，最不利波向的波浪要素見表3。

表3 設(shè)計(jì)波浪條件Table 3 Design wave condition

4.4 地震荷載及強(qiáng)度指標(biāo)

地震動(dòng)峰值加速度0.10g。

設(shè)計(jì)均采用直剪試驗(yàn)指標(biāo)。直剪試驗(yàn)不考慮排水，試驗(yàn)指標(biāo)屬于總應(yīng)力指標(biāo)。不同設(shè)計(jì)工況下的指標(biāo)選取如下：

施工期：采用快剪指標(biāo)，不考慮海側(cè)護(hù)岸結(jié)構(gòu)施工過程中的地基土強(qiáng)度增長。海側(cè)擠密砂樁處理區(qū)域采用砂與原狀土快剪指標(biāo)的加權(quán)值。

使用工況一：島內(nèi)排水板處理部分的土體采用固快指標(biāo)，海側(cè)擠密砂樁處理區(qū)域采用砂與原狀土固快指標(biāo)的加權(quán)值；其余區(qū)域采用快剪指標(biāo)。

使用工況二：各土層均采用固快指標(biāo)。地震工況：各土層均采用固快指標(biāo)。

4.5 地質(zhì)資料

依據(jù)《港珠澳大橋主體工程人工島施工圖設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告》[2]以及補(bǔ)充勘查[3]，整體穩(wěn)定分析中采用的地層參數(shù)如表4所示。

表4 各土層主要物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistics list of physical and mechanical indexesfor each soil layer

4.6 計(jì)算結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)

本工程分別采用簡單條分法（港口工程地基計(jì)算系統(tǒng)）和BISHOP法（GeoStudio-Slope/W）進(jìn)行設(shè)計(jì)，參考《港口工程地基規(guī)范》[4]的相關(guān)規(guī)定，整體穩(wěn)定判斷標(biāo)準(zhǔn)如下：

施工期安全系數(shù)：簡單條分法≥1.0。使用期安全系數(shù)：BISHOP法≥1.3；簡單條分法≥1.2。地震工況安全系數(shù)：簡單條分法≥1.1。

5 結(jié)果分析

針對(duì)不同工況，分別采用港口工程地基計(jì)算系統(tǒng)中的簡單條分法和GEO-SLOPE中的BISHOP法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表5 邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statisticslist of analysis results of slope stability

根據(jù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表，可知施工期工況三、四以及使用期工況一為控制工況，地震工況不是控制工況。

6 結(jié)語

1）港珠澳大橋島隧工程人工島工程采用插入式大圓筒方案快速形成岸壁結(jié)構(gòu)，為島上隧道提供高保障度的干施工條件，岸壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是該方案是否可行的關(guān)鍵。通過分析施工方案，找出施工過程中可能存在的最危險(xiǎn)的四種工況，分別進(jìn)行計(jì)算，從而保證了在整個(gè)施工過程中岸壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為整個(gè)項(xiàng)目的順利開展提供了基本保障。

2）由于大圓筒鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性較差，防腐蝕成本較高，且防腐效果很難保證，因此設(shè)計(jì)考慮將大圓筒作為非永久結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用前期土體未固結(jié)時(shí)，利用深插式鋼圓筒截?cái)嗌顚踊瑒?dòng)面，確保島壁穩(wěn)定性；使用后期，認(rèn)為大圓筒已經(jīng)完全腐蝕，島壁下的土體已經(jīng)完全固結(jié)，通過穩(wěn)定性驗(yàn)算，斜坡式島壁的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性仍符合相關(guān)規(guī)范要求且有較大富余，滿足使用要求。

3）插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)在國內(nèi)應(yīng)用較少，本工程的成功應(yīng)用為類似工程的方案設(shè)計(jì)提供思路，也為施工工序較為復(fù)雜的工程邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供借鑒。