超低凈空區(qū)無(wú)處理超軟地基吹填研究

金晶，張健

（中港疏浚有限公司，上海 200002）

0 引言

圍海造地地基的水深淺區(qū)域已經(jīng)基本開(kāi)發(fā)完成，淤泥層厚達(dá)10～20 m 的填海工程較為常見(jiàn)[1-2]。在超軟地基上回填過(guò)程中，需要結(jié)合地基處理以保證原始地基的穩(wěn)定，防止出現(xiàn)淤泥包以及保證后續(xù)加載后的穩(wěn)定性。但是由于受工期以及其他因素的制約，地基處理無(wú)法及時(shí)完成的情況下，需要優(yōu)先填海再進(jìn)行地基處理，增加了填海過(guò)程中的難度[3-5]。本文以香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)第三跑道填海工程（以下簡(jiǎn)稱香港三跑工程）為例，研究超低凈空區(qū)無(wú)處理超軟地基吹填，以期能為后續(xù)類似工程提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

香港三跑工程地處香港離島區(qū)大嶼山赤鱲角現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)島以北，總投資約2000 億元港幣，業(yè)主方為香港機(jī)場(chǎng)管理局，主要施工內(nèi)容包括填海造地、海堤施工、地基處理（水上/陸地水泥深層攪拌樁、排水板、碎石樁）以及排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建造等，填海面積約650 hm2，回填砂量約9200 萬(wàn)m3，是香港20 世紀(jì)90年代以來(lái)最大的綜合性大型填海項(xiàng)目。

由于香港三跑工程回填區(qū)緊鄰現(xiàn)有運(yùn)行機(jī)場(chǎng)，為了確保安全，香港民航管理局對(duì)于機(jī)場(chǎng)附近的凈空高度有嚴(yán)格的管制，限制高度隨不同的區(qū)域復(fù)雜多變，中部區(qū)域限高范圍示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 香港機(jī)場(chǎng)限高范圍示意圖（中部區(qū)域）Fig.1 Schematic diagram of height limit range of Hong Kong International Airport(middle area)

2 超凈空區(qū)情況簡(jiǎn)介

根據(jù)設(shè)計(jì)要求[6]在地基處理前及大規(guī)?；靥钋?，先施工2 m 厚的砂墊層，根據(jù)地上建筑物重要性以及工期的緊迫程度，不同區(qū)域的地基處理分為：水下DCM（Deep Cement Mixing，深層水泥攪拌）、水下+水上DCM、PVD（Prefabricated Vertical Drain，預(yù)制垂直排水板）+水上DCM 區(qū)（原方案為PVD+碎石樁、PVD+堆載）；其中，水下地基處理在砂墊層完成后施工，水上地基處理在回填至+3 mPD（香港高程基準(zhǔn)面）后施工。

2.1 土質(zhì)情況

根據(jù)項(xiàng)目前期的勘察報(bào)告，回填區(qū)原海床面基本為淤泥，部分區(qū)域作為其他疏浚工程的傾倒區(qū)，淤泥厚度在10～30 m 之間，地質(zhì)條件差，極易在回填過(guò)程中發(fā)生滑動(dòng)等不利局面，需要配合地基處理同步進(jìn)行。

2.2 原設(shè)計(jì)方案

回填區(qū)北側(cè)布置為跑道等重要建筑物，基本為水下DCM，且轉(zhuǎn)換率較高，回填施工過(guò)程中地基穩(wěn)定性較高；回填區(qū)南側(cè)限高要求更嚴(yán)格，未來(lái)成陸后建筑物重要性相對(duì)較小，設(shè)計(jì)原方案為PVD+堆載，PVD 區(qū)在低凈空區(qū)域可作業(yè)時(shí)間僅限跑道關(guān)閉時(shí)，工期冗長(zhǎng)，本文主要討論南部的區(qū)域回填以及地基的穩(wěn)定性。另外，現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)的排水系統(tǒng)布置在北側(cè)，與填海區(qū)相連，而排水系統(tǒng)需要在所有地基處理、新回填區(qū)的海堤施工完成后進(jìn)行，故需預(yù)留一個(gè)排水渠以供機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)的排水。

2.3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

2.3.1 方案優(yōu)化考慮的主要因素

排水板施工難度主要集中在靠近機(jī)場(chǎng)的D3a、D2 以及E 區(qū)部分，由于受限高影響，E 區(qū)的排水板施工僅能在機(jī)場(chǎng)跑道關(guān)閉時(shí)才能施工，一周僅4 d，每天的有效工作時(shí)間不足3 h，在面積僅為10 萬(wàn)m2左右的情況下，工期長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月，加之后續(xù)交付標(biāo)高的堆載、靜置、卸載，工期將嚴(yán)重拖長(zhǎng)，且卸載后的砂料無(wú)法處理（按節(jié)點(diǎn)要求其他區(qū)域已經(jīng)交付）。

2.3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

為縮短工期，針對(duì)排水板施工區(qū)做出優(yōu)化：

1） C、D 區(qū)的排水板仍施工，但是減少間距，滿足回填+3 mPD 需要；

2） 減少排水板施工的區(qū)域，在回填至+3 mPD 后，進(jìn)行陸地DCM 施工；

3） 取消E 區(qū)排水板施工，回填至+3 mPD后，再進(jìn)行地基處理，建議業(yè)主采用高壓旋噴樁。

優(yōu)化方案的分區(qū)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)計(jì)優(yōu)化后地基處理方案（南部）Fig.2 Ground improvement plan after design improvement(south area)

2.3.3 優(yōu)化方案穩(wěn)定性計(jì)算

1） 分析斷面選取

由圖2 可知，穩(wěn)定性最差的為E 區(qū)未經(jīng)處理前直接進(jìn)行回填至+3 mPD 的區(qū)域。本文主要針對(duì)斷面1 和斷面2 進(jìn)行分析、計(jì)算。

2） 邊界條件

①施工荷載

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，施工荷載不得超過(guò)20 kPa；距斜坡50 m 處，不超過(guò)5 kPa。

②潮位（水位）

香港潮位最高潮為+2.5 mPD 左右，故設(shè)計(jì)要求，最不利條件按施工至+2.5 mPD 以及潮位為+2.5 mPD 時(shí)計(jì)算，具體見(jiàn)表1。

表1 不同回填階段的設(shè)計(jì)潮位/水位Table 1 Design tide level/water level at different backfilling stages

③綜合安全系數(shù)

根據(jù)香港設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定，正常情況下綜合安全系數(shù)取1.3，極端情況下取1.1。

④原始水深情況

根據(jù)浚前測(cè)圖，斷面1 平均原始水深為-4.75 mPD；斷面2 平均原始水深為-8.33 mPD。

⑤不同填海階段設(shè)計(jì)要求的淤泥土抗剪強(qiáng)度

根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)要求，不同填海階段設(shè)計(jì)要求的淤泥土抗剪強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表2 不同階段設(shè)計(jì)要求的淤泥土抗剪強(qiáng)度Table 2 Shear strength of silt soil required by design in different stages

3） 計(jì)算結(jié)果

利用PLAXIS 2D 軟件對(duì)各階段的最大位移以及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，斷面1 和斷面2 匯總結(jié)果分別見(jiàn)表3 和表4。

表3 斷面1 計(jì)算結(jié)果匯總表Table 3 Summary of calculation result of section 1

表4 斷面2 計(jì)算結(jié)果匯總表Table 4 Summary of calculation result of section 2

由表3 及表4 可知，總體上分階段施工后，整體是穩(wěn)定的，優(yōu)化方案可行。同時(shí)，應(yīng)該注意到0～+2.5 mPD 階段穩(wěn)定性的安全系數(shù)最低，斷面1 和斷面2 分別為1.230 及1.387，施工中應(yīng)該特別注意。很明顯，設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來(lái)了工期節(jié)約等優(yōu)勢(shì)，但也大大增加了未處理區(qū)域的回填難度。

3 方案實(shí)施

3.1 方案簡(jiǎn)介

1） 砂墊層～-1 mPD

受限高以及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)場(chǎng)北側(cè)現(xiàn)有海堤布錨影響，使用泵砂船+攤鋪頭工藝進(jìn)行分層回填，回填厚度不大于1 m，砂墊層施工完成已經(jīng)靜置超過(guò)3 個(gè)月。泵砂船通過(guò)管線與攤鋪頭相連，平板駁通過(guò)安裝的GPS-RTK 進(jìn)行平面定位，通過(guò)絞錨系統(tǒng)，控制移動(dòng)速度V（移動(dòng)速度V 由設(shè)定的鋪砂厚H、產(chǎn)量Q，及鋪砂寬度L 確定，V=Q/（HL）），通過(guò)攤鋪管控制砂料水下釋放的位置，進(jìn)行分層施工。攤鋪頭施工示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 攤鋪頭施工示意圖Fig.3 Diagram of spreader construction

2） -1～0 mPD

施工方法基本同砂墊層～-1 mPD。但是由于香港潮差較低，拖輪及錨艇受吃水限制，施工至0 mPD 難度較大?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際過(guò)程中，僅能有小部分區(qū)域施工至0 mPD。

3） 0～+3 mPD

香港最高潮位基本在2.5 mPD 左右，為了保證后續(xù)地基處理的施工，故需要施工至+3 mPD（計(jì)算時(shí)考慮不利影響所以按+2.5 mPD 進(jìn)行計(jì)算）。由于施工區(qū)未能完成施工至0 mPD，再加上如2.3.3 中所述，0 mPD 施工至+2.5 mPD 的穩(wěn)定性安全系數(shù)較低，常規(guī)施工方案可能導(dǎo)致不利地基穩(wěn)定的結(jié)果發(fā)生。同時(shí)考慮到南側(cè)排水渠的重要性，施工期正值香港雨季，所以采取了以下方案：

①由圖2 可知，E 區(qū)中間DCM 區(qū)域?qū)⑽唇?jīng)地基處理區(qū)域分成東西兩部分，業(yè)主要求的交地順序也較高，故在施工安排中先形成陸地，控制南側(cè)邊線，防止排水渠被回填料淤塞；

②考慮到限高因素影響，總體使用水力吹填方法，利用吹填管線可以靈活布置，避免超高；由于水力吹填邊坡較緩，有助提高地基穩(wěn)定性[7-8]。

③第一步：先在D 區(qū)最北側(cè)用水力吹填布置一道小圍堰，形成一定的反壓效果并保護(hù)已施工完P(guān)VD 的區(qū)域；其中規(guī)定好管線布置軸線，根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)，管線中心線兩側(cè)15 m 可形成較理想的+3 mPD 平臺(tái)，可向陸地機(jī)械提供足夠的工作面。

④第二步：在回填區(qū)最南側(cè)布置一道小圍堰，擋住將來(lái)水力吹填中細(xì)顆粒流入排水渠，避免出現(xiàn)淤積；其中，水力吹填1.5 mPD 以下部分，配合陸地機(jī)械補(bǔ)足+3 mPD，一方面避免水道淤積，另一方面避免陸推方式單次加載過(guò)高，邊坡不足導(dǎo)致的地基滑動(dòng)問(wèn)題。

⑤第三步：吹填2 道圍堤中間區(qū)域，吹填過(guò)程中每隔一段時(shí)間調(diào)整吹填管的朝向避免集中加載；24 h 密集觀測(cè)；每日產(chǎn)量不得超過(guò)5000 m3。

⑥將施工區(qū)域劃分成每段約100 m 長(zhǎng)的施工段，使用分叉管安排流水施工，避免因第三步的產(chǎn)量限制導(dǎo)致總體產(chǎn)量降低。

⑦吹填完成后安排陸地機(jī)械整平。

⑧未處理區(qū)西側(cè)與東側(cè)使用相同方法，對(duì)稱布置。

3.2 實(shí)施效果

通過(guò)上述方案及措施，在無(wú)地基處理的吹填中，在超軟地基上回填厚達(dá)8 m 砂層，施工中未出現(xiàn)淤泥包及地基滑動(dòng)現(xiàn)象。完成情況見(jiàn)圖4。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)完成情況圖Fig.4 Completion chart on site

4 結(jié)語(yǔ)

在超軟地基上進(jìn)行吹填過(guò)程中，不可避免地遇到各類棘手問(wèn)題，本文對(duì)因各種因素導(dǎo)致的需要在無(wú)處理的情況下進(jìn)行回填層厚達(dá)8 m 砂層的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算、方案研究、方案實(shí)施并采取了一定措施確保了地基的穩(wěn)定，尤其是克服高難度超低凈空區(qū)的限制，節(jié)省了近1 a 時(shí)間的總工期?？梢詾楹罄m(xù)的類似工程提供一定的借鑒。