深厚軟基上澳門機(jī)場(chǎng)護(hù)岸設(shè)計(jì)技術(shù)

葉上揚(yáng)，劉術(shù)儉，顧寬海，張逸帆

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

在一些填海造地或者濱海景觀大道等臨海工程中，常常需要在深厚軟土地基的臨?；蛴畟?cè)新建護(hù)岸，一般常采用斜坡式護(hù)岸作為擋水擋土結(jié)構(gòu)。此種護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工簡(jiǎn)單，單項(xiàng)施工造價(jià)低，但同等規(guī)劃尺度下該護(hù)岸形式占用水域陸域范圍較大[1]，影響海洋水流流態(tài)，破壞海洋生態(tài)環(huán)境，而且護(hù)岸坡面容易受海水沖刷、侵蝕等造成護(hù)岸破壞。現(xiàn)實(shí)工程建設(shè)中往往受海域、河道水域以及陸域場(chǎng)地等限制，無(wú)法采用斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)，為此需要研究能夠適應(yīng)深厚軟土地質(zhì)條件，且防滲止水能力強(qiáng)、節(jié)約空間、擋土高度高的擋墻結(jié)構(gòu)。

在深厚軟土地基的回填工程中新建護(hù)岸，結(jié)構(gòu)變形控制、地基承載力和施工工藝選擇往往是關(guān)鍵，目前國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者已經(jīng)對(duì)軟基上的護(hù)岸工程進(jìn)行了一些研究[2-4]，而針對(duì)深厚軟土地基同時(shí)受復(fù)雜環(huán)境條件限制下的護(hù)岸研究較少。因此結(jié)合結(jié)構(gòu)變形控制、地基承載力和施工工藝深入、系統(tǒng)地開展相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)研究是十分有意義的。

本文以澳門國(guó)際機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程為實(shí)例，針對(duì)深厚軟土地質(zhì)和復(fù)雜環(huán)境條件，限時(shí)、限高等機(jī)場(chǎng)特殊施工條件，開展護(hù)岸相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究，提出了較好的解決方案，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

澳門國(guó)際機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建需要圍填造陸，根據(jù)《澳門機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建方案水利研究報(bào)告》研究成果[5]，機(jī)場(chǎng)跑道人工島西側(cè)三角區(qū)水域圍墾，將改變上、下水域的連通現(xiàn)狀，可能會(huì)對(duì)周邊水域的生態(tài)環(huán)境及機(jī)場(chǎng)西側(cè)陸域排水等產(chǎn)生不利影響。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)南北兩端水體交換，在靠近機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有跑道處，布置一條貫穿機(jī)場(chǎng)填土區(qū)的排洪道。排洪道長(zhǎng)1 250 m、寬80 m，走向與現(xiàn)狀機(jī)場(chǎng)人工跑道平行布置，距離人工跑道直線距離220 m，排洪道兩側(cè)須新建護(hù)岸[6]。排洪道平面布置見圖1。

澳門機(jī)場(chǎng)西側(cè)現(xiàn)狀水域水深在-6.0～0.0 m，工程地質(zhì)軟土層深厚，場(chǎng)區(qū)表土沉積物推斷主要為海相沉積物及沖積土層，海相沉積層主要為淤泥，厚度12～22 m，主要呈流塑-軟塑狀，海相沉積層以下為沖積土層，厚度4.5～53.5 m，主要呈可塑-硬塑，土體物理參數(shù)取值見表1。

圖1 排洪道平面布置(單位:m)

表1 土體物理參數(shù)

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)分析

2.1 周邊環(huán)境條件復(fù)雜

本工程在機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建回填區(qū)中部設(shè)置有永久排洪道，永久排洪道將整個(gè)回填區(qū)一分為二，其中排洪道東側(cè)距離原有機(jī)場(chǎng)僅220 m左右，排洪道的北側(cè)為機(jī)場(chǎng)北聯(lián)絡(luò)橋，南側(cè)為機(jī)場(chǎng)南聯(lián)絡(luò)橋，機(jī)場(chǎng)周邊相關(guān)設(shè)施包括陸域部分和海域部分，其陸域部分自北向南分別為北安碼頭、建筑廢料堆填區(qū)、路環(huán)電廠及九澳港西側(cè)碼頭等設(shè)施，海域部分包括周邊水域的航道及錨地。

2.2 地質(zhì)條件差

根據(jù)本工程地質(zhì)勘察和地形測(cè)量資料顯示，工程區(qū)域地質(zhì)條件差，軟土覆蓋層深厚，上部土層主要為淤泥層，淤泥層厚度達(dá)12～22 m，淤泥土層含水量高，土體指標(biāo)差。

2.3 場(chǎng)地施工限制條件多

根據(jù)民航局規(guī)定，跑道每周一、三、五在凌晨4:00—6:00停用，在跑道停用階段，跑道以西300 m范圍內(nèi)可進(jìn)行施工，其他時(shí)間不能進(jìn)行任何施工活動(dòng)；南北聯(lián)絡(luò)橋間正常水深在0～1 m，大型駁船不能駛?cè)?；跑道西?00 m范圍內(nèi)有高度限制，限制高度22 m。

2.4 防洪、機(jī)場(chǎng)等使用要求高

本工程排洪道具有實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)南北兩端水體交換、機(jī)場(chǎng)防洪以及機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地護(hù)岸等多種功能,護(hù)岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要滿足防洪、過(guò)流以及后方機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地的使用要求，澳門機(jī)場(chǎng)防洪等級(jí)高、機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地對(duì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的使用要求高。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 結(jié)構(gòu)選型

護(hù)岸結(jié)構(gòu)選型須遵循以下原則：1)護(hù)岸結(jié)構(gòu)須適應(yīng)本工程區(qū)域水深較深、軟土覆蓋層深厚的地形地質(zhì)條件；2)護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式應(yīng)使回填海工程對(duì)周邊水文環(huán)境的影響盡量小；3)護(hù)岸結(jié)構(gòu)施工工藝盡量單一、簡(jiǎn)單，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，方便材料、構(gòu)件的運(yùn)輸；4)積極采用科技新成果，充分考慮新結(jié)構(gòu)新技術(shù)可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)以及解決問(wèn)題的方法；5)圍堤結(jié)構(gòu)選型應(yīng)滿足工程投資的經(jīng)濟(jì)合理性。

在回填工程中新建護(hù)岸常常采用斜坡式結(jié)構(gòu)，為了保證堤岸的穩(wěn)定，堤身總寬度較大。在本工程建設(shè)中，由于受海域以及陸域場(chǎng)地等限制，無(wú)法采用斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)工程區(qū)地形、地質(zhì)、水文、波浪等自然條件以及后方陸域回填使用情況，提出4種適合深厚軟土地質(zhì)的直立式結(jié)構(gòu)，依次為：前板樁后樁基的高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)形式、低樁扶壁式結(jié)構(gòu)形式、斜頂板樁結(jié)構(gòu)形式和拉錨板樁結(jié)構(gòu)形式，見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)形式斷面(高程：m)

低樁扶壁式結(jié)構(gòu)可靠性好、總體位移變形小、低樁基礎(chǔ)地基承載力可以滿足使用要求，適用于深厚軟土地基，堤身高度適用范圍為6～15 m。本工程受施工條件限制影響，扶壁結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑，須大開挖形成干地施工條件，基坑開挖面大、回填土滲水量大，若做好止水，投資大、不合適。

斜頂板樁結(jié)構(gòu)對(duì)軟土地基適應(yīng)性較強(qiáng)，施工工序較簡(jiǎn)單，施工速度較快，使用期位移較大。大管樁單排斜頂樁適用堤身高度不大于10 m，大管樁雙排斜頂樁適用堤身高度10～15 m。本工程受施工限高影響，另外打樁船也無(wú)法進(jìn)入該區(qū)域，施工不可行。

拉錨板樁結(jié)構(gòu)技術(shù)方案成熟，并已在多處沿海接岸工程中得以應(yīng)用，對(duì)軟土地基適應(yīng)性較強(qiáng)，但施工工序復(fù)雜，需與后方陸域回填的工序充分協(xié)調(diào)合理安排，施工工期較長(zhǎng)，而且需要一定的拉錨空間，該結(jié)構(gòu)適用于后方沉降控制要求不高的工程，堤身高度為8～15 m，本工程工期較緊，也不是最優(yōu)選擇。

前板樁后樁基的高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)具有適合于深厚軟土地基、承載能力強(qiáng)、變形小、施工適應(yīng)強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于空間較狹窄的區(qū)域，可以使得圍堤結(jié)構(gòu)永久安全穩(wěn)定?？紤]到本工程限高、大型設(shè)備難以進(jìn)場(chǎng)等情況，樁基可采用鉆孔灌注樁，并可采用接高施工，可以滿足建設(shè)要求。通過(guò)綜合比較深厚軟土適應(yīng)性、地基承載力、整體變形、施工便利性、工程費(fèi)用等因素，考慮采用前板樁后樁基的高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)。

3.2 結(jié)構(gòu)方案

溢洪道護(hù)岸采用高樁承臺(tái)板樁式結(jié)構(gòu)，承臺(tái)頂寬0.5 m，墻身厚0.5～0.8 m，墻頂高程8.30 m。底板寬10.0 m、厚1.0 m，前排樁采用φ1 000 mm灌注樁樁長(zhǎng)25 m，間距1 150 mm。前排板樁后設(shè)置雙排高壓旋噴樁，施工期可以止水，使用期防止后方土體滲漏。并在前排密排灌注樁前設(shè)置混凝土擋板，防止在水流波浪的作用下后方土體滲漏，旋噴樁樁長(zhǎng)22 m。后排樁采用φ1 200 mm灌注樁樁長(zhǎng)25 m，間距1 500 mm。其結(jié)構(gòu)斷面見圖3。

圖3 排洪道護(hù)岸斷面(高程：m；尺寸：mm)

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 計(jì)算方法

高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須進(jìn)行穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)計(jì)算。穩(wěn)定性驗(yàn)算可采用圓弧滑動(dòng)法，結(jié)構(gòu)計(jì)算主要方法有經(jīng)典土壓力計(jì)算法、豎向彈性地基梁法、連續(xù)介質(zhì)有限元法等。豎向彈性地基梁法是將樁視為豎放于文克爾地基中的彈性地基梁，以地基系數(shù)法來(lái)計(jì)算板樁墻入土段的土抗力，考慮了入土段墻體的變形對(duì)土抗力分布的影響。針對(duì)大部分規(guī)范所推薦采用的m法，樁的撓曲線微分方程變?yōu)椋?/p>

(1)

式中：E為樁材料彈性模量(kNm2)；I為樁的慣性矩(m4)；y為樁的水平變位(m)；x為樁的入土深度(m)；b0為樁的計(jì)算寬度(m)；m為地基反力系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)(kNm4)。

m法微分方程可以采用冪級(jí)數(shù)法、有限差分法、有限元法等求出其數(shù)值解。工程中一般采用通用有限元軟件進(jìn)行求解，其設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

1)按照構(gòu)件尺寸進(jìn)行實(shí)體建模。

2)對(duì)預(yù)制樁增加約束。樁基軸向剛性系數(shù)采用下列公式計(jì)算軸向剛性系數(shù)[7]：

(2)

C=TcQud

(3)

式中：K為樁的軸向剛性系數(shù)(kNm)；L0為樁在計(jì)算泥面以上長(zhǎng)度(m)：Ep為樁材料的彈性模量(kPa)；Ap為樁身截面面積(m2)；C為樁入土部分單位變形所需軸力(kNm)；Tc為系數(shù)，宜取115～145；Qud為單樁垂直極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。

樁寬度計(jì)算方法參見JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄P[8]。樁的水平地基抗力系數(shù)取值采用m法，剛度系數(shù)為：

K=m0b0h0Z

(4)

(5)

(6)

式中：K為樁的水平向地基抗力系數(shù)(kNm)；m0為考慮群樁系數(shù)的土體水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)(kNm4)；Z為彈簧距泥面深度(m)；h0為土體單元高度(m)；k為平行于水平力作用方向的樁間相互影響系數(shù)；kf為樁形換算系數(shù)，視水平力作用面而定，圓形截面取0.9，矩形截面取1.0；d為樁徑；L1為平行于水平力作用方向的樁間凈距離；h1為地面或局部沖刷線以下樁的計(jì)算埋入深度，取為3(d+1)；b2為系數(shù)，與平行于水平力作用方向的一排樁的樁數(shù)有關(guān)。

當(dāng)水平荷載方向樁間距小于8倍樁徑時(shí)，屬于群樁基礎(chǔ)，還需要考慮群樁折減率。

m0=ξm

(7)

(8)

式中：m為土體水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)(kNm4)；ξ為群樁折減率；SD為水平荷載方向距徑比；u為沿水平荷載方向每排樁的樁數(shù)；v為垂直水平荷載方向每排樁的樁數(shù)。

3)對(duì)結(jié)構(gòu)施加自重、后方均載、土重、水重、土壓力、水壓力，并計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

4)按規(guī)范要求，對(duì)樁基礎(chǔ)豎向、水平向承載力和裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)擋墻變形、應(yīng)力以及裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算。

4.2 模型建立

機(jī)場(chǎng)溢洪道護(hù)岸墻前泥面線-0.7 m，后方填土高度8.0 m，護(hù)岸頂高程8.3 m。采用豎向彈性地基梁法，利用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件Auto Robot進(jìn)行建模計(jì)算，模型沿河道方向取10 m作為研究對(duì)象。L形擋墻立板與底板采用板單元進(jìn)行模擬，預(yù)制樁基采用梁?jiǎn)卧M。對(duì)樁底施加豎向彈簧約束，對(duì)樁身施加水平向彈簧約束。前板樁后樁基高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)三維模型見圖4。

圖4 前板樁后樁基高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)三維模型

4.3 計(jì)算結(jié)果

在深厚軟土地基的回填工程中新建護(hù)岸結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的變形控制、地基承載力往往是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。樁基內(nèi)力和結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果可見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證結(jié)構(gòu)配筋，擋墻的變形、承載力以及裂縫寬度以及樁基豎向承載力、水平承載力和裂縫寬度均滿足規(guī)范和使用要求。

5 施工工藝

根據(jù)機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建最新規(guī)劃要求，海泥回填區(qū)域在東西兩方向須分別與機(jī)場(chǎng)人工島、停機(jī)坪相接，南北側(cè)與機(jī)場(chǎng)南北聯(lián)絡(luò)橋相鄰，整個(gè)回填區(qū)域中部預(yù)留永久排洪道，排洪道接近機(jī)場(chǎng)人工島，將整個(gè)回填區(qū)域分割成兩塊，西側(cè)回填面積較大，東側(cè)回填面積較小。

為了更好地實(shí)施海泥回填，降低中部排洪道對(duì)整體回填的影響，針對(duì)排洪道區(qū)域采用先填后挖的整體實(shí)施思路，一方面可使整個(gè)回填區(qū)作為一個(gè)整體進(jìn)行實(shí)施，另一方面可為排洪道護(hù)岸工程創(chuàng)造內(nèi)側(cè)干地施工條件，降低回填工序?qū)ψo(hù)岸岸壁結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí)，開挖出的回填料尚可用于后期工程的陸域回填。

南北聯(lián)絡(luò)橋間正常水深在0～1 m，大型駁船不能駛?cè)耄覞q水時(shí)水面離橋底只有1 m，海上通道僅可利用小船在聯(lián)絡(luò)橋底通過(guò)；其次，在限高區(qū)域，不能使用一般意義上的施工機(jī)械?？紤]以上限制，對(duì)施工工藝、設(shè)備選型有巨大影響，因此本工程主要采用鉆孔灌注樁和現(xiàn)澆擋墻施工工藝，減小了施工難度，從而適應(yīng)本工程苛刻的施工限制條件。

6 結(jié)語(yǔ)

1)在深厚軟土地基同時(shí)受復(fù)雜環(huán)境條件限制條件下的回填工程中新建護(hù)岸，現(xiàn)實(shí)工程建設(shè)中往往受海域、河道水域以及陸域場(chǎng)地等限制，結(jié)構(gòu)變形控制、地基承載力和施工工藝選擇往往是關(guān)鍵。

2)在綜合考慮工程各種不利條件的情況下，本文提出了4種結(jié)構(gòu)方案，并說(shuō)明了每個(gè)方案的適用范圍，不僅豐富了深厚軟土地質(zhì)條件的直立堤結(jié)構(gòu)形式，使得直立堤結(jié)構(gòu)形式更具有選擇性。

3)本文提出的前板樁后樁基的高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)方案，能較好地解決深厚軟土、環(huán)境復(fù)雜、限時(shí)、限高等機(jī)場(chǎng)特殊施工條件下的護(hù)岸變形控制、地基承載力和施工難題，可為類似工程提供借鑒。