人工島建設(shè)施工技術(shù)要點(diǎn)探討

蔡墁嵐 劉長華

（廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，廣東 湛江 524005）

0 引言

人工島是人類開發(fā)海洋的重要手段，在經(jīng)濟(jì)、能源、旅游、軍事等多個領(lǐng)域都有著重要作用。人工島可用于建造海上油氣勘探基地、能源開采平臺及儲藏基地，如石油天然氣儲藏基地；也可作為交通樞紐，如港口碼頭、機(jī)場等；還可用作旅游休閑場所，海上農(nóng)業(yè)種植地，或是海上城市等。

人工島多種多樣，按用途區(qū)分，可分為勘探、生產(chǎn)及旅游人工島；按建造水域水深區(qū)分，有淺海人工島、離岸人工島、深海人工島；按工程建筑形式區(qū)分，有自然護(hù)坡式人工島、砂袋或塊石護(hù)坡人工島、沉井式人工島、沉箱式人工島等。本文將對人工島建設(shè)施工技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)探討。

1 不同建設(shè)形式人工島的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）自然護(hù)坡式人工島長而平緩，設(shè)計及施工簡單，絕大部分為先拋填后護(hù)岸，對填料的需求量大，需要靠近原材料采集地。適用年限較短，比如幾年內(nèi)的臨時性建筑。

（2）砂袋護(hù)坡式人工島對填料需求量相對較少，可適用于相對較深的水域，一般的建設(shè)方法是先護(hù)岸后拋填，可減少填筑采料的流失，且島體結(jié)構(gòu)簡單，易擴(kuò)大和拆除，同時工期短，成本低。缺點(diǎn)是耐久性差，易損壞，只適用于幾年內(nèi)的臨時性建筑。

（3）沉井式人工島在不同的氣候環(huán)境、水深條件及海底地基較軟時都表現(xiàn)出極強(qiáng)的適應(yīng)性。可在陸地上預(yù)制單體結(jié)構(gòu)，海上進(jìn)行施工。建造完成后安全性較高，工作年限相對較久，可作為油氣開采基地和生產(chǎn)基地。

（4）離岸人工島處于外海，條件惡劣，施工困難，建造時需要采用多種技術(shù)，使用多種船機(jī)設(shè)備，對技術(shù)人員及管理人員的要求高。建成后具有較高安全性，能抵抗海上的惡劣天氣，工作年限較久，使用用途較廣。

2 影響人工島設(shè)計、施工的因素

不同于其他填海造陸工程，人工島對海域，海洋環(huán)境及海岸線的影響較小，因此是開發(fā)海洋資源首選的工程形式。但是，不同于傳統(tǒng)的陸上工程，受制于海上復(fù)雜的環(huán)境，人工島的設(shè)計及施工面臨著許多約束，需要考慮實際情況，多種學(xué)科交叉應(yīng)用。

（1）經(jīng)濟(jì)因素。人工島可作為海上石油天然氣之類的勘探生產(chǎn)基地，也可作為儲藏運(yùn)輸基地，還可作為娛樂旅游的生活用地。出于不同的用途，綜合考慮各項資源及因素，確定具有開發(fā)潛力，能帶來經(jīng)濟(jì)效益之后，工程建設(shè)因素才會影響人工島的建設(shè)過程。

（2）工程建設(shè)因素。要想人工島成功建成并達(dá)到設(shè)計年限內(nèi)要求的穩(wěn)定性，其選址和地基條件研究尤為重要。首先應(yīng)了解建島處海底地貌、海洋沉積物的厚度、基巖的結(jié)構(gòu)、巖石斷層及滑面的位置等，同時應(yīng)檢驗海底地基的穩(wěn)定情況，各項檢驗合格后再確定相應(yīng)的施工措施。

（3）自然環(huán)境因素。海上條件較為惡劣，受氣象影響較大，人工島的設(shè)計及施工還需考慮到海浪、海風(fēng)、海冰、洋流、漲退潮等。惡劣天氣會影響施工的進(jìn)程以及某些特種作業(yè)的實施。

（4）原材料因素。建造人工島時，島體充填需要大量的沙石、水泥、鋼材等原材料，需要依靠大量船舶進(jìn)行運(yùn)輸，因此周圍的航線及原材料所在地都會影響到人工島的設(shè)計選址。所以為了提高便利性及建造成本控制，人工島一般距離海岸線不遠(yuǎn)，且水深一般低于20m，水文地質(zhì)條件相對沒那么復(fù)雜并靠近原材料供應(yīng)地的海域。

3 人工島的施工特點(diǎn)

人工島的建設(shè)都與當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件及設(shè)計目標(biāo)息息相關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體條件確定適用的建筑方式及施工設(shè)備。在項目建設(shè)中,通常把人工島分成淺海人工島和離岸人工島兩類。淺海人工島的建造方式通常是先行拋填原材料后再修筑護(hù)岸,先利用挖泥船和管道抽取海底砂礫等適合填充的原材料再填充筑島體,然后修筑島堤的防護(hù)設(shè)備。相反,基本上離岸人工島的建造形式都是先行修筑護(hù)岸，然后再進(jìn)行島體填筑，再修建島堤的防護(hù)設(shè)施。

先拋填后護(hù)岸適用于海洋中風(fēng)浪較小,海洋流動緩慢,且掩蔽條件較好的海區(qū)?？梢酝ㄟ^運(yùn)輸船把泥沙巖石等土石料搬運(yùn)到預(yù)設(shè)地點(diǎn)并進(jìn)行拋填,最后完成護(hù)岸的建造。先圍海后填筑材料適合用在遮蔽條件較惡劣的海區(qū),即先在預(yù)設(shè)的海區(qū)修筑圈圍的堤防并預(yù)留運(yùn)輸管道,而后再通過躉船運(yùn)輸?shù)奶钪u體原料,進(jìn)行拋填或利用挖泥船進(jìn)行水力吹填,填筑出島體。

4 人工島施工技術(shù)要點(diǎn)

4.1 淺海人工島施工

在我國，淺海是指海圖水深5m 等深線內(nèi)的水域。針對淺海海域的情況，人工島的建造一般是采用充填的工程形式。充填式人工島包括自然邊坡式人工島、砂袋護(hù)坡式人工島、沉井式人工島等[1]。

4.1.1 自然邊坡式人工島

（1）自然邊坡式人工島的特點(diǎn)?！白匀贿吰率饺斯u是指在人工島周圍建成平緩的邊坡以承受海浪的沖蝕，通常是由建設(shè)所在地潮流、波浪及土壤性質(zhì)決定的。”一般水線以下坡度為1:15 至1:20，水線以上的坡度則為1:30 至1:10[2]。這種長而平緩的邊坡在受到海浪沖擊時能有效降低沖擊力并抵御海浪的沖蝕，同時在冬季結(jié)冰時平緩的邊坡能減少凍冰的產(chǎn)生，保護(hù)島體不受結(jié)冰的侵害。

（2）自然邊坡式人工島的施工要點(diǎn)。自然邊坡式人工島需要大量的砂石原料進(jìn)行填充，一般島址都選擇沙石等原材料豐富的地方附近。自然邊坡式人工島的建造并不困難，為了減少運(yùn)輸，可通過挖泥船和管道在建設(shè)海域進(jìn)行原料的挖掘和島體的填充，也可使用更高效的吸揚(yáng)式挖泥船直接從海底挖掘泥沙，通過管道直接輸送到指定位置進(jìn)行充筑，大大提高工作效率。但是，當(dāng)遭遇惡劣天氣，海上風(fēng)浪較大時，應(yīng)做好相關(guān)的水土防護(hù)設(shè)施。在施工過程中放置濾布或使用其他材料可減少填料損失。

在島體施工填筑期間，需要注意以下幾個方面：根據(jù)填筑原料的土質(zhì)情況決定填筑的范圍和填充量，同時應(yīng)選擇施工現(xiàn)場附近的原料產(chǎn)區(qū)以降低工程成本；采料區(qū)范圍應(yīng)當(dāng)合理規(guī)劃，保證運(yùn)輸船只的通行和作業(yè)，縮短施工工期；施工現(xiàn)場應(yīng)注重排水管道等排泄通道的安裝布置，保證場內(nèi)水位調(diào)節(jié)不受限制，控制水土流失。

4.1.2 砂袋護(hù)坡式人工島

（1）砂袋護(hù)坡式人工島的特點(diǎn)。當(dāng)填料獲取不易，島址所在水域水深較大時，為減少填料，可以使用砂袋或石籠護(hù)坡，用沙袋填筑島壁以防止泥土流失，抵抗海浪沖刷。國外一人工島案例已經(jīng)證明：在人工島水上運(yùn)輸邊坡坡度約為1:3以下時,上壓6t的石籠,水下由3t的沙袋堆成,如此操作可在水深不高于8m時為人工島周圍提供一道抵御波浪的防護(hù)線。在同等建設(shè)島高的情況下，采用砂袋護(hù)坡式可比自然邊坡式減少近1/2的填筑量。

（2）砂袋護(hù)坡式人工島的施工要點(diǎn)。砂袋護(hù)坡式人工島的施工相對簡單：首先根據(jù)圖紙進(jìn)行測量定位，測量完成后對地基進(jìn)行處理。根據(jù)施工現(xiàn)場地質(zhì)情況及軟土厚度的不同可選擇以下處理方法：拋石擠淤法、沙井水加固法、置換法、鋪墊土工布法等?；A(chǔ)底面處理完畢后，使用開底自卸泥船沿島周鋪礫石，一般在海平面2.5m 以下，再將砂袋平整鋪在礫石形成的基床上面，直至稍高于海平面。島內(nèi)部的填料則由挖泥船挖掘后由敞艙駁船運(yùn)輸并用船上的抓斗和索鏟進(jìn)行填充[3]。

4.1.3 沉井式人工島

（1）沉井式人工島的特點(diǎn)。充填式人工島所需填料較多，較為依賴原料所在地且設(shè)計簡單，耐久性不強(qiáng)。為向更深的水域探索以及滿足對生產(chǎn)平臺安全性的要求，混合結(jié)構(gòu)形式的人工島建筑形式應(yīng)需而生，即采用沉井與樁基結(jié)合形式。沉井式人工島面對不同環(huán)境氣候、不同水深條件、不同海底地基土工狀態(tài)的海域都表現(xiàn)出了極強(qiáng)的適用性，其結(jié)構(gòu)科學(xué)，經(jīng)濟(jì)實用、施工方便、安全可靠[4]。

（2）沉井式人工島的施工要點(diǎn)。沉井式人工島結(jié)構(gòu)簡單，施工時采用分段施工的形式：工廠預(yù)制好的沉井運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)后逐段沉放，下沉至預(yù)定標(biāo)高時，對井體進(jìn)行接高，將多節(jié)井體連結(jié)成一個整體，接高完成后在井內(nèi)吸泥下沉至設(shè)計標(biāo)高。到達(dá)預(yù)設(shè)位置后，需進(jìn)行封底。封底完成后抽水，在每段沉井內(nèi)部進(jìn)行斜板支撐結(jié)構(gòu)的建設(shè)工作，沉井內(nèi)部工作完成后在沉井頂部使用鋼筋混凝土蓋板進(jìn)行封頂工作。沉井完成后再進(jìn)行島體的吹填。

4.2 離岸人工島施工

離岸人工島的建設(shè)地點(diǎn)一般位于岸邊2～15km，水深20～50m 處。離岸人工島處于較深海域，交通不便，適合建設(shè)獨(dú)立應(yīng)用電廠、油氣開采及工業(yè)基地等相對獨(dú)立性設(shè)施。

4.2.1 離岸人工島的特點(diǎn)

離岸人工島位于海域之中，周圍并無其他可供遮掩的島嶼礁石，受風(fēng)浪及氣象災(zāi)害影響大，且在中高緯度易受臺風(fēng)等極端天氣的影響，全年施工時間較短。離岸人工島遠(yuǎn)離人員聚集地區(qū)，交通運(yùn)輸困難，原材料獲取不易，需要大量船舶進(jìn)行原材料及施工設(shè)備的運(yùn)輸。此外，外海海域情況復(fù)雜，水陸狀態(tài)兼有，施工區(qū)域測量及探測工作量大，施工比較困難。

4.2.2 離岸人工島的施工要點(diǎn)

離岸人工島情況特殊，施工時需采用先圍堤后吹填的方式。施工工序為打樁、地基處理、拋石、防護(hù)、吹填。為加快施工進(jìn)度，保障工期，提高工作效率，建造離岸人工島一般需要修建臨時碼頭以?？看凹按瑱C(jī)設(shè)備。設(shè)立海上工作面以便于現(xiàn)場管理及工作人員休息，提高工作效率。

根據(jù)具體的施工內(nèi)容,建立若干個作業(yè)面。因為引孔施工、鋪排等施工工序的進(jìn)行直接影響著后期施工的完成,所以在先期的施工過程中應(yīng)該優(yōu)先投入一定的機(jī)械設(shè)備和工程技術(shù)人員開展施工,以提高施工效果。引孔澆筑、鋪排等先期施工工序完成后,現(xiàn)場又可分成幾個工作面,按照平均水深變化的不同要求進(jìn)行重砂管袋結(jié)構(gòu)、拋石、倒濾層施工、防護(hù)面塊安裝作業(yè)等。在筑島堤的同時,島體吹沙填海,大型充砂管袋構(gòu)筑工程和防護(hù)組的建設(shè)作業(yè),也逐步進(jìn)行。

5 結(jié)束語

隨著基礎(chǔ)建設(shè)水平的不斷提升，我國著重于海上資源與空間的開發(fā)，人工島的建設(shè)難題不斷被攻克，天津、三沙、廈門等沿海城市開始逐步嘗試人工島的建設(shè)。不同于其他填海方式，人工島建設(shè)成本相對較少且對環(huán)境影響不大，發(fā)展?jié)摿τ心抗捕?，是世界各國探索海洋的有效手段。目前我國建成使用的多種用途的人工島已帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

本文通過對人工島設(shè)計的影響因素及人工島施工技術(shù)方法進(jìn)行分析，分類總結(jié)了不同海域狀況下針對具體的水文地質(zhì)條件所采取的人工島施工技術(shù)方案，可為研究人工島建設(shè)方案、施工設(shè)計等提供一定的參考。