上海液化天然氣（LNG）接收站陸域形成工程設(shè)計

黃晉申，李守龍

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

1 工程概況

上海液化天然氣（LNG）接收站位于上海國際航運中心，洋山深水港區(qū)東港區(qū)的中門堂島和西門堂島，陸域形成工程是整個LNG接收站項目的前期工程。

接收站主體陸域形成總面積為42萬m2，包括西門堂島面積約12萬m2，中門堂島面積約3萬m2，周邊海域面積27萬m2[1]。陸域形成工程共分4部分：海堤（分南堤、西內(nèi)堤、北內(nèi)堤及聯(lián)絡(luò)堤）、島嶼開山、陸域形成及地基處理。南堤位于西門堂島南側(cè)，前方即為洋山港進港航道，東側(cè)連接中門堂島，長782 m；西內(nèi)堤及北內(nèi)堤環(huán)繞西門堂島連接?xùn)|側(cè)中門堂島，總長1 470 m；聯(lián)絡(luò)堤連接LNG接收站與后方洋山深水港區(qū)的大指頭島，長1 358 m。接收站陸域形成總體平面布置見圖1。

2 自然條件

2.1 地質(zhì)條件

2.1.1 土層物理力學(xué)指標

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，工程海域各土層主要物理力學(xué)指標見表1。

表1 土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標

2.1.2 陸域形成地質(zhì)條件分析

本陸域形成工程范圍較大，工程區(qū)域地質(zhì)條件也比較復(fù)雜。根據(jù)各分部工程位置，結(jié)合土層物理力學(xué)性質(zhì)指標，陸域形成地質(zhì)情況概況如下：

1） 各條海堤位置水域地形變化較大，泥面標高為-0.56～-21.78 m，I淤泥、III1-1淤泥及III1-2淤泥質(zhì)黏土層廣泛發(fā)育，具有高含水量，高壓縮性，低強度等特征，屬典型的海域軟土地基。II層各砂質(zhì)粉土及III3粉細砂條件相對較好，Ⅱ3粉細砂在靠近大指頭島區(qū)域較發(fā)育，厚度約1.0～7.0 m。深層為IV層及Ⅴ層，均為低壓縮性土層，工程地質(zhì)條件良好。

2） 接收站主體擬陸域形成區(qū)地形變化同樣較大，靠近島側(cè)區(qū)域泥面標高為+0.08～-5.91 m。遠離島側(cè)區(qū)域泥面標高為-10.10～-17.08 m。Ⅰ淤泥、Ⅱ1粉質(zhì)黏土夾粉砂、Ⅲ1-1淤泥、Ⅲ1-2淤泥質(zhì)黏土及Ⅲ2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為不良地基土層，且廣泛發(fā)育，厚度較大。

2.2 水文條件

2.2.1 基準面

工程潮位以及設(shè)計高程系統(tǒng)均以小洋山理論最低潮面為零點，各基準面間的關(guān)系見圖2。

圖2 各基準面相互關(guān)系

2.2.2 設(shè)計水位

平均海平面：2.56 m（小洋山理論最低潮面，下同）；

潮峰累積頻率10%設(shè)計高水位：4.51 m；

潮谷累積頻率90%設(shè)計低水位：0.53 m；

重現(xiàn)期100 a一遇極端高水位：5.83 m；

重現(xiàn)期50 a一遇極端高水位：5.71 m；

重現(xiàn)期50 a一遇極端低水位：-0.47 m。

2.3 波浪條件

工程區(qū)域南堤主要受S向波浪的作用，50 a一遇波浪在設(shè)計高水位時，H1%=4.07 m，L=63.1 m，T=6.61 s。聯(lián)絡(luò)堤主要受NE向波浪的作用，50 a一遇波浪在設(shè)計高水位時，H1%=4.29 m，L=54.1 m，T=6.93 s。

施工海域風大，浪較高，寒流、臺風每年都有發(fā)生，受島礁地形影響，施工區(qū)域流態(tài)復(fù)雜。

3 工程主要難點

3.1 較復(fù)雜的外海島嶼條件

工程地位于洋山深水港東側(cè)的中、西門堂島，建設(shè)時尚為外海孤島，無相關(guān)配套設(shè)施。場址區(qū)域工程地質(zhì)、水文條件等均較復(fù)雜。西門堂島山體面積狹小，四周無可用場地，開山土方需立即用于便道施工，石方用于各條永久海堤施工，施工工藝互有交叉，施工組織難度較大。

3.2 LNG接收站的重要性

LNG是危險化工品，又緊鄰洋山集裝箱深水港區(qū)，因而安全性異常重要。南堤靠近洋山港進港航道，直接受外海波浪作用，是保證LNG場站安全的最重要屏障。根據(jù)JTJ304—2003《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》[2]及JTJ298—1998《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》[3]，確定南堤結(jié)構(gòu)為I級水工建筑物，擋浪墻設(shè)計需滿足100 a一遇水位+50 a一遇波浪作用下基本不越浪，以保證接收站安全。其它西、北內(nèi)堤及聯(lián)絡(luò)堤設(shè)計結(jié)構(gòu)為II級水工建筑物，擋浪墻設(shè)計需滿足50 a一遇水位+50 a一遇波浪作用下基本不越浪,保證接收站與洋山深水港區(qū)唯一聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)構(gòu)安全。

3.3 LNG接收站的較高使用要求

根據(jù)總體設(shè)計初始交工要求，陸域形成地基處理后場地殘余沉降需小于10 cm。在場地地基有較深厚軟土地基、回填荷載較大的情況下，需大面積采用復(fù)合地基基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)，地基處理工程費用昂貴，后經(jīng)協(xié)商，地基處理標準調(diào)整為：1） 工后殘余沉降小于30 cm；2） 表層6 m范圍地基承載力達到150 kPa。調(diào)整后場地大部分區(qū)域均能滿足使用要求，少數(shù)重要建筑物基礎(chǔ)需后期進行二次處理，大大降低了工程造價。

3.4 工期緊且工程量大

陸域形成工程合同總工期為2 a，工程量較大，開山實方量約330萬m3，累計海堤總長度超過3.6 km，海域吹填方量105萬m3，站址海域軟基地基處理27萬m2等。另外工程區(qū)域范圍廣，分部分項工程多，開山、多條海堤、吹填及場地地基處理需同步交叉進行，以滿足總工期要求及解決施工場地小、開山石料難以大量堆存等矛盾。

4 陸域形成設(shè)計方案及其特點

4.1 設(shè)計原則

本工程不同于一般的圍海陸域形成造地，它包含多項分部工程：開山、海堤、接收站陸域形成及地基處理。工程地位于外海孤島，故土石方的來源、既有材料的合理利用就顯得尤為重要。如大量的材料需要從外界海運調(diào)入，則工程總體造價就不在可控范圍內(nèi)，設(shè)計也難言成功，故本工程最重要的設(shè)計原則就是土石方總體平衡。

4.2 土石方平衡設(shè)計方案

首先計算島嶼既有石料量，按以下步驟進行：1） 接收站范圍內(nèi)的西門堂島、中門堂島開山實方量按等高線進行準確計算；2） 根據(jù)西門堂島山體地質(zhì)勘察資料，估算山體可用的中、微風化石料比例約70%（按實際開山情況動態(tài)調(diào)整，最后統(tǒng)計出石率約74%）；3）最后考慮開山巖石松散系數(shù)（設(shè)計取1.3）后得到最終的可用石料量。

以計算松方量為基準進行后續(xù)各分部工程設(shè)計，將中、微風化石料優(yōu)先用于3.6 km海堤結(jié)構(gòu)，滿足石方平衡；確定合理的場站范圍海域吹填砂設(shè)計標高，既要便于后續(xù)場地地基處理，又要將剩余的開山山皮土及強風化巖用于陸域上層回填及地基處理補填料，最終達到工程總體土石方基本平衡，棄方最小，造價最省的目的。

4.3 海堤設(shè)計

4.3.1 南堤及西、北內(nèi)堤

南堤及西、北內(nèi)堤均采用對地基較為適應(yīng)，消波性能良好，易于修復(fù)的斜坡堤結(jié)構(gòu)形式?？晒┻x擇的圍堤地基處理方式很多，如清淤法、插塑料排水板+分層拋填法、復(fù)合地基法及爆破擠淤法等。本工程泥面深度及軟土厚度適中，西門堂島又可提供充足的開山石料，考慮土石方平衡，島周圍海堤采用可靠、進度快的爆破擠淤地基處理方案。通過爆除堤下軟土層，使堤身坐落于地質(zhì)條件好的黏土及強風化巖等持力層上，爆破擠淤平均處理深度約13 m。

南堤按基本不越浪標準，根據(jù)規(guī)范[3]計算堤頂標高取+8.0 m，擋浪墻頂標高考慮沉降因素取+10.3 m，擋浪墻外平臺高+9.5 m。結(jié)構(gòu)外坡頂面坡度1∶1.5，按前述設(shè)計波浪計算后采用扭王字塊體護面，安放1層，單體重量4.5 t，護面層下設(shè)置250～450 kg塊石墊層，厚度為1.1 m；下部坡度1∶2，護面采用600～800 kg塊石；坡底棱體為 300～800 kg拋理塊石，坡度1∶3；外坡護底采用10～100 kg塊石。圍堤內(nèi)坡設(shè)倒濾結(jié)構(gòu)及反濾土工布，防止吹填砂流失，坡度1∶2。南堤典型設(shè)計斷面見圖3。

西、北內(nèi)堤臨海側(cè)為擬建港池，所受波浪較小，故堤頂標高可降至+7.5 m，漿砌塊石擋浪墻頂標高+8.0 m。外坡護面1∶1.5，根據(jù)設(shè)計波浪情況不同，西堤同南堤相接圓弧段采用南堤斷面形式；其余西內(nèi)堤外坡采用柵欄板護面，厚0.45～0.55 m，下設(shè)150～250 kg塊石墊層0.8 m；北內(nèi)堤采用300～500 kg塊石護面，厚1.1 m，下設(shè)50～100 kg塊石墊層0.6 m；下部為300～500 kg拋石棱體，外坡1∶3。內(nèi)坡結(jié)構(gòu)同南堤。

4.3.2 聯(lián)絡(luò)堤

根據(jù)聯(lián)絡(luò)堤具體地質(zhì)情況，其南段及北段分別采用爆破擠淤法及拋石擠淤法進行地基處理。聯(lián)絡(luò)堤中段約500 m海域表層普遍分布有1.5～7 m厚的II3粉細砂層，若同樣采用爆破擠淤，一方面由于砂層較硬，爆破埋藥將比較困難，另外還需大量的石方置換該層?？紤]整個工程的開山石方已不足，且淺層較好的砂層爆除也非?？上В罱K采用插設(shè)塑料排水板+分級拋填堤身設(shè)計方案。

施工時水上施打塑料排水板，板長16.5～26.5 m，穿透III1-2淤泥質(zhì)黏土層底并進入下部土層1 m。堤身施工時分級拋填，每一級拋填應(yīng)有一定的時間間隔（包括加載期約3～4個月），以保證堤身下軟土充分排水固結(jié)，強度得到增長以滿足施工期的穩(wěn)定要求[4]。聯(lián)絡(luò)堤上部斷面結(jié)構(gòu)同南堤類似，由于西北側(cè)波浪較大且聯(lián)絡(luò)堤是唯一同洋山港區(qū)連通的陸路及公用管線通道，故堤頂標高經(jīng)計算后偏安全取+8.5 m。東北側(cè)擋浪墻頂標高+10 m，外坡護面采用6 t扭王塊；西北側(cè)以后為港池，外坡采用300～500 kg大塊石護面，頂設(shè)0.3 m高護輪坎，兩側(cè)坡度均為1∶1.5～1∶3，設(shè)反壓寬平臺滿足圍堤整體穩(wěn)定要求。聯(lián)絡(luò)堤塑料排水板處理段典型斷面見圖4。

4.3.3 海堤整體穩(wěn)定分析

根據(jù)JTJ 250—98《港口工程地基規(guī)范》[5]進行圍堤整體穩(wěn)定分析，圍堤施工期及使用期的內(nèi)、外坡穩(wěn)定性均采用費倫紐斯條分法進行計算。

整體穩(wěn)定計算土層指標的選用原則：原土的強度指標根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告選用，各主要土層的抗剪強度指標在施工期采用三軸不固結(jié)不排水抗剪強度，使用期采用直剪固快指標，堤下爆填塊石層指標按水下塊石指標取值，塑料排水板加固海堤考慮地基強度增長。荷載選取：1）施工期堤頂荷載按均布荷載20 kN/m2考慮，后方陸域地基處理堆載預(yù)壓荷載（堆載至+11.0 m）；2）使用期堤頂荷載堤頂?shù)缆钒?0 kN/m2考慮；3）荷載持久組合：按極端低水位計算整體穩(wěn)定性。各條海堤整體穩(wěn)定計算結(jié)果見表2。

表2 海堤整體穩(wěn)定計算結(jié)果

各條海堤計算斷面內(nèi)、外坡在施工期抗力分項系數(shù)均大于1.1，外坡使用期均大于1.2，滿足規(guī)范要求。

4.3.4 海堤沉降分析

海堤沉降采用分層總和法并考慮經(jīng)驗修正系數(shù)計算，計算位置為海堤堤頂中心。爆破擠淤處理圍堤，按一維固結(jié)理論計算海堤下土層固結(jié)度；塑料排水板加固海堤考慮地基固結(jié)及堤身分級施工對沉降影響。各條海堤沉降計算結(jié)果見表3。

表3 海堤沉降計算結(jié)果

根據(jù)表3計算，爆破擠淤處理海堤中心殘余沉降為0.22～0.29 m，塑料排水板處理段聯(lián)絡(luò)堤中心殘余沉降稍大，為0.35～0.41 m，可通過堤頂結(jié)構(gòu)層后期施工及預(yù)留部分沉降等措施予以解決。

4.3.5 海堤主要設(shè)計特點

1） 工程區(qū)域位于洋山深水港，爆破擠淤處理圍堤累計長度逾3 km，如此長的爆破擠淤處理圍堤設(shè)計在上海范圍內(nèi)大規(guī)模采用尚屬首次。爆破擠淤圍堤施工進度快，圍堤穩(wěn)定性好，只要開山石方足夠，可同時多個作業(yè)面施工，從而有效保證了接收站陸域形成施工的進度要求。

2） 聯(lián)絡(luò)堤設(shè)計根據(jù)地質(zhì)情況不同，考慮節(jié)約造價及施工可行性，聯(lián)絡(luò)堤兩端分段采用爆破擠淤處理，中間表層砂層較厚段采用了水上插板+堤身分級拋填方案。兩種不同堤身處理方式的過渡段是本圍堤設(shè)計的一個難點，通過插板拋填堤身出水，修筑子堤連接、子堤兩側(cè)再多次爆破擠淤的重復(fù)地基處理方式，圓滿地完成了兩個過渡段的設(shè)計及施工。

3） 采用爆破擠淤處理圍堤設(shè)計，成功使用了大量西門堂島開山石，達到了工程土石方總體平衡的目的，節(jié)約了工程造價。

4.4 陸域形成及地基處理設(shè)計

接收站最終地坪設(shè)計標高為+7.5 m，考慮約0.7 m厚面層結(jié)構(gòu)厚度，確定地基處理后交工面標高為+6.8 m。

4.4.1 陸域形成設(shè)計

根據(jù)后續(xù)的地基處理方案及土石方總體平衡，陸域形成采用吹填砂+回填山皮土方案。按接收站平面布置及西門堂島山體地形，站址周圍海域分為4個分區(qū)形成。陸域回填材料考慮便于后續(xù)處理，底部采用吹填粉細砂，吹填標高為+4.5 m，上層采用開山山皮土回填。

4.4.2 地基處理設(shè)計

接收站靠近山體，地質(zhì)變化較復(fù)雜，局部海域有15 m厚的淤泥質(zhì)軟土層；而且場站陸域形成標準較高，故地基處理需加大力度以滿足交工標準。

地基處理采用插設(shè)塑料排水板+堆載預(yù)壓+卸載后強夯方案。主要思路是在施工期通過塑料排水板及堆載預(yù)壓使下臥軟土層充分排水固結(jié)，完成絕大部分深層軟土沉降；再通過卸載后強夯密實消除大部分回填層的沉降量，同時表層形成5～6 m厚的硬殼層提高地基承載力。

塑料排水板吹填后陸上打設(shè)，平均長15 m，正方形布置，間距1.1 m。堆載預(yù)壓采用山皮土石，堆載頂標高+12 m，分區(qū)滿載靜壓4.5個月后卸載至+7.1 m。采用180 t·m強夯法加固回填層，采用兩遍跳檔夯，夯點間距6 m，單點夯擊不小于10擊，最后100 t·m搭接普夯及振動碾壓后達到地基加固交工面標高+6.8 m。

陸域地基插板處理后，插板范圍內(nèi)軟土在吹填及預(yù)壓附加荷載作用下4.5個月固結(jié)度即可達到90%左右；軟土下未加固土層固結(jié)度按一維固結(jié)理論計算，施工期結(jié)束時下部未加固土層固結(jié)度一般可達0.3～0.6，使用期殘余沉降計算按使用荷載30 kPa考慮。各區(qū)施工期沉降及使用期殘余沉降見表4。

表4 各區(qū)地基施工期沉降及使用期殘余沉降m

4.4.3 陸域形成及地基處理主要設(shè)計特點

1） 以土方平衡為原則，根據(jù)剩余開山石土方量，確定合適的吹填砂標高，使之既有一定厚度滿足排水及陸上插板施工條件，又將剩余土石方用于回填和地基處理補料，減少了吹填砂量和最終棄方量。

2）針對LNG接收站大部分區(qū)域位于海域，軟土較厚且不均勻，又有較高的陸域形成交工要求，通過塑料排水板加固深層軟土，結(jié)合堆載預(yù)壓在施工期消除大部分沉降量，上部回填層通過卸載后強夯予以密實消除沉降量。從工程主體施工完成到半年后的沉降監(jiān)測情況看，陸域沉降趨于收斂穩(wěn)定，加固效果理想。最終接收站場地形成及地基處理造價約215元/m2，同類似陸域形成工程相比造價是比較低的。

5 結(jié)語

上海LNG接收站項目陸域形成工程位于洋山深水港區(qū)，屬典型的外海孤島作業(yè)，區(qū)域地質(zhì)條件比較復(fù)雜，分項工程多，海堤累計長度大，陸域形成要求較高，設(shè)計上存在一定的難度。總體陸域形成設(shè)計要兼顧開山、海堤、填海及海域場地處理，在孤島條件下最主要設(shè)計原則是工程土石方總體平衡。采用進度快、穩(wěn)定性高的爆破擠淤法置換大部分海堤下的軟土地基，使用了全部西門堂島嶼開山石，既滿足了施工進度要求，又降低了海堤工程造價。

LNG接收站場地的設(shè)計標準要合理。所有場地統(tǒng)一高標準不僅會大幅增加造價，而且還會影響工期。在滿足大部分區(qū)域使用要求基礎(chǔ)上，通過對重要建筑物后期進行二次處理，可大大降低工程費用，且滿足工程要求。

[1] 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院.上海液化天然氣（LNG）接收站和海底輸氣干線項目陸域形成工程初步設(shè)計、施工圖設(shè)計[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，2005.

[2]JTJ304—2003，液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范[S].

[3]JTJ298—1998，防波堤設(shè)計與施工規(guī)范[S].

[4] 地基處理手冊編寫委員會.地基處理手冊（第二版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[5] JTJ250—98，港口工程地基規(guī)范[S].