香港機(jī)場第三跑道填海工程插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

唐 云，李 洋，樊亮亮

(1. 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230；2. 中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027)

目前，國內(nèi)和國際上插入式大圓筒結(jié)構(gòu)的使用案例相對于其他結(jié)構(gòu)較少，實際施工經(jīng)驗也較匱乏。在我國，插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)僅在港珠澳大橋東、西人工島的臨時島壁等結(jié)構(gòu)中成功運用[1-3]。國外規(guī)范中，德國規(guī)范[4]和美國規(guī)范[5]目前主要對格型鋼板樁結(jié)構(gòu)的理論較為完善，而對于插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計只給出了一些簡單的規(guī)定；日本國際臨海開發(fā)研究中心OCDI規(guī)范[6]對于插入式鋼圓筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計有一套相對完善的理論體系，但是由于該體系完全獨立于其他的相關(guān)理論，部分理論計算方法還難以驗證。

香港機(jī)場第三跑道填海工程基于插入式大圓筒結(jié)構(gòu)施工速度快、可以滿足快速成島要求的特點，將該結(jié)構(gòu)作為陸域形成施工的臨時圍蔽結(jié)構(gòu)。本文以香港機(jī)場第三跑道填海工程中大圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，依據(jù)OCDI規(guī)范中的二維理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采用Plaxis 3D對結(jié)構(gòu)計算進(jìn)行復(fù)核，研究成果可為插入式鋼圓筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

香港機(jī)場第三跑道項目填海造地面積約650萬m2，海堤總長為13.1 km，其工程平面布置見圖1。圖中左上角突出部分的海堤工程擬采用插入式鋼圓筒作為臨時圍蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行填海造地。

圖1 工程平面布置

1.2 自然條件

1.2.1水位

該工程的設(shè)計潮位為：最高天文潮位2.80 m(香港主基準(zhǔn)平面水位，下同)，平均高高潮位2.11 m，平均低高潮位1.51 m，平均海平面1.25 m，平均高低潮位0.92 m，平均低低潮位0.36 m。

1.2.2波浪情況

該工程的設(shè)計波浪要素見表1。

表1 設(shè)計波浪要素表

1.2.3地形及地質(zhì)資料

本工程位于香港現(xiàn)有機(jī)場的北側(cè)，工程所在地分為淺灘區(qū)和深海區(qū)，淺灘區(qū)原泥面高程為-6.0～-5.0 m，深海區(qū)原泥面高程為-8.5～-7.0 m。工程區(qū)域的表層有10～30 m厚的軟黏土，場區(qū)上部主要土層及其物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 主要土層物理力學(xué)指標(biāo)

1.3 工程難點

1)整個工程區(qū)域的表層有10～30 m厚的沉積軟土層，考慮到環(huán)保的要求，業(yè)主明確提出不能對該部分進(jìn)行開挖換填處理，避免造成大面積的污水漫流。因此，若采用常規(guī)海堤結(jié)構(gòu)，對于海堤基礎(chǔ)須進(jìn)行大面積的海上地基處理。

2)填海造地工期約4 a，開工后2.5 a提交跑道和滑行道區(qū)域的陸域。采用傳統(tǒng)的水上地基處理的方案類似水上水泥攪拌樁(DCM)等，造價高且工期長，將嚴(yán)重制約海堤上部結(jié)構(gòu)以及陸域回填、地基處理的施工時間，且需要投入大量的船機(jī)設(shè)備，交界面多，現(xiàn)場協(xié)調(diào)難度大。

3)由于工程靠近現(xiàn)有機(jī)場，施工區(qū)域作業(yè)限高在15～50 m之間，對施工船機(jī)、設(shè)備等造成了較大限制。

基于上述難點，最終提出采用插入式鋼圓筒作為陸域形成臨時圍蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。該方案不需要對地基進(jìn)行開挖換填或采用水上DCM進(jìn)行地基處理，對環(huán)境影響小，施工速度快，大幅降低了工程造價，優(yōu)勢明顯。

2 設(shè)計方案

2.1 大圓筒平面布置

本項目在海堤里程5+651～9+536范圍內(nèi)擬采用插入式鋼圓筒臨時結(jié)構(gòu)方案，見圖2。

圖2 大圓筒平面布置

2.2 海堤結(jié)構(gòu)方案

考慮到設(shè)計使用年限長達(dá)100 a，而鋼圓筒耐久性尚達(dá)不到要求，因此海堤工程僅將插入式鋼圓筒作為快速成島及地基處理的臨時圍蔽結(jié)構(gòu)。

本方案施工期采用119個圓筒整體形成止水系統(tǒng)，鋼圓筒的直徑為30 m、壁厚18 mm，筒頂高程為3.0 m，原泥面高程為-7～-6 m，圓筒須打入硬黏土層或砂層不少于1 m，圓筒底高程為-41和-23 m兩種，圓筒最大設(shè)計高度為44 m，單件最大質(zhì)量約820 t。

在完成地基處理后，挖除鋼圓筒內(nèi)的回填料并部分割除上部鋼圓筒，在剩余結(jié)構(gòu)上部建設(shè)永久護(hù)岸結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 海堤結(jié)構(gòu)(高程：m；尺寸：mm)

2.3 施工工序

工程擬先采用插入式鋼圓筒快速成島，再采用降水聯(lián)合堆載預(yù)壓法進(jìn)行永久地基處理。海床面拋填2 m厚砂墊層后回填砂至3.0 m，陸上施打塑料排水板(間距1.0～1.2 m、正三角形布置，均長27～31 m)，再布置降水井(間距20 m、正方形布置)，降水至-5.0 m后，陸域回填至6.0 m及分級堆載砂至7.5 m，滿載9～10個月殘余沉降滿足要求后卸載，施工工序如下：

1)工序1：施打鋼圓筒以及副隔，筒內(nèi)回填砂至3.0 m，桶內(nèi)施工塑料排水板。

2)工序2：陸側(cè)回填砂至3.0 m，陸域施工塑料排水板，筒頂3.0～6.0 m范圍內(nèi)安放沙袋，筒內(nèi)水位降至-5.0 m。

3)工序3：陸側(cè)水位降至-5.0 m，陸域回填至6.0 m，分級堆載砂至7.5 m。

4)工序4：卸載并拆除鋼圓筒的沙袋，后方陸域局部開挖至-1 m高程。挖出鋼圓筒內(nèi)的回填砂，對-1 m以上的海側(cè)鋼圓筒進(jìn)行切割。

5)工序5：回填堤心石、護(hù)面并澆筑擋浪墻。

3 結(jié)構(gòu)驗算

工程基本理論基于OCDI規(guī)范中的二維設(shè)計理論，同時采用三維計算進(jìn)行復(fù)核，確保了設(shè)計方案的安全性。計算主要復(fù)核的工序為：1)工況1：施打圓筒，筒內(nèi)砂回填至3.0 m；2)工況2：筒內(nèi)降水至-5.0 m，筒頂堆填沙袋至6.0 m，陸域回填至3.0 m；3)工況3：陸域降水-5.0 m，待筒后土體強(qiáng)度有一定增長后，陸域回填至7.5 m。

3.1 二維計算

二維計算方法主要參考OCDI規(guī)范，將空間的鋼圓筒簡化為平面問題，在保證筒內(nèi)填料和圓筒結(jié)構(gòu)作為一個整體的情況下，建立抗力和位移的相互關(guān)系，進(jìn)而計算結(jié)構(gòu)的位移和地基抗力。對施工過程中的最不利工況以及結(jié)構(gòu)的最終使用狀態(tài)進(jìn)行驗算，通過結(jié)構(gòu)抗傾覆計算、結(jié)構(gòu)位移、地基承載力安全系數(shù)和圓筒底部抗滑安全系數(shù)，判定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.1.1等效截面寬度計算

在一個標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)，通過面積等效的方法，計算出等效寬度，見圖4。本工程一個結(jié)構(gòu)段的長度為33 m，結(jié)構(gòu)段面積為905 m2，等效寬度為27.42 m。

圖4 等效截面寬度計算(單位：mm)

3.1.2底部抗滑安全系數(shù)

圓筒底部抗滑安全系數(shù)Fs的計算公式為：

(1)

式中：Qa為滑動力(kN)；W為壁體重力；pv為作用于前后壁的土壓力的垂直分布；φ為底面地基土層的內(nèi)摩擦角(°)；C為底面地基土層的黏聚力(kPa)；B為地基反力為正的壁體底面寬度。

3.1.3地基反力系數(shù)及結(jié)構(gòu)位移計算

二維位移計算將簡化后的二維圓筒假定為一個剛體，圓筒與底部土體的作用采用施加底部土體彈簧來模擬，圓筒與被動區(qū)土體的作用采用被動區(qū)土體彈簧模擬，隨后在二維圓筒剛體上施加主動土壓力、波浪力、動水壓力、剩余水壓力等荷載，最后受力平衡狀態(tài)下獲得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)二維位移。

鋼圓筒與被動區(qū)土體的作用彈簧剛度，采用水平土抗力系數(shù)KH來模擬，公式為：

KH=2 000N

(2)

式中：N為土體標(biāo)貫擊數(shù)。

鋼圓筒與底部土體的作用彈簧分為水平剪切彈簧和豎向彈簧，水平向剪切彈簧的剛度采用水平剪切土抗力系數(shù)模擬，豎向彈簧的剛度采用豎向土抗力系數(shù)模擬，公式為：

KV=3KS

(3)

式中：KV為豎向土抗力系數(shù)(kNm3)；KS為水平剪切土抗力系數(shù)(kNm3)，取值為同一高程處水平土抗力系數(shù)。

圓筒結(jié)構(gòu)底部地基承載力的驗算，可根據(jù)OCDI中的建議，采用畢肖普圓弧滑動法進(jìn)行驗算。

3.1.4結(jié)構(gòu)抗傾覆計算

為保證筒內(nèi)填料和筒體結(jié)構(gòu)作為整體結(jié)構(gòu)，須沿原泥面處進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性驗算，計算原則為：

Mr-Md≥0

(4)

Md=paha+pwhw+ptht-pphp

(5)

式中：Mr為格倉內(nèi)部填料產(chǎn)生的抵抗力矩設(shè)計值(kN·m)；Md為計算底面以上墻體背后的荷載對墻體計算底面處產(chǎn)生的傾覆力矩(或稱變形力矩)設(shè)計值(kN·m)；pa、ha為主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)及其作用高度(m)；pw、hw為剩余水壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)及其作用高度(m)；pt、ht為波浪力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)及其作用高度(m)；pp、hp為被動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)及其作用高度(m)。

格倉內(nèi)部填料產(chǎn)生的抵抗力矩標(biāo)準(zhǔn)值，可按下列公式計算：

(6)

(7)

V0=BH0

(8)

(9)

式中：Mro為填料抵抗力矩標(biāo)準(zhǔn)值(kN·m)；R0為變形反抗系數(shù)；V0為換算寬高比；B為換算墻體寬度(m)；H0為換算墻高(m)；ρ為填料的換算密度標(biāo)準(zhǔn)值(tm3)；ρi為第i層填料的密度標(biāo)準(zhǔn)值(tm3)；hi為第i層填料的高度(m)；φ為內(nèi)部填料的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°)。

3.1.5計算結(jié)果

二維計算只驗算最危險的工況2(工況3的陸域降水對圓筒穩(wěn)定性有利)，驗算結(jié)果見表3?？煽闯?，工況2的各項安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求。

表3 二維穩(wěn)定性驗算結(jié)果

3.2 三維計算

插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)的三維穩(wěn)定性計算，依托Plaxis 3D軟件，將筒體和土體進(jìn)行三維建模，筒體采用彈塑性本夠模型，土體采用摩爾庫侖模型，根據(jù)土體在各個階段的不同特性選用相應(yīng)的土體類型，準(zhǔn)確地模擬筒體和土體的實際作用情況。

3.2.1計算模型

Plaxis 3D圓筒和土體模型見圖5。

圖5 Plaxis 3D圓筒和土體模型

3.2.2計算結(jié)果

工況2、3的圓筒結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和位移計算結(jié)果見表4?？煽闯?，施工期各工況累計位移在30 cm左右，整體穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.2，結(jié)構(gòu)較為安全。

表4 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及位移三維計算結(jié)果

4 結(jié)論

1)采用OCDI的二維計算理論進(jìn)行插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全的，但由于二維計算中對于土體剛度采用二維彈簧模擬，無法考慮三維整體剛度變化，其位移計算結(jié)果嚴(yán)重偏小，三維計算的結(jié)構(gòu)位移值更為可信和接近實際。

2)當(dāng)?shù)鼗浲凛^厚時，陸域形成的圍蔽結(jié)構(gòu)采用插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)無須進(jìn)行地基處理，施工速度快、造價低、對環(huán)境影響小。

3)本設(shè)計方案充分運用了插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)的施工優(yōu)越性，另一方面將該結(jié)構(gòu)作為臨時結(jié)構(gòu)，規(guī)避了鋼圓筒作為永久結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的后續(xù)維護(hù)費用高、耐久性較差等弊端，為插入式鋼圓筒在填海造陸工程中的應(yīng)用提供了借鑒。