水下隧道中人工島建設(shè)現(xiàn)狀及主要問(wèn)題

朱 偉,王 璐,錢勇進(jìn),方忠強(qiáng),陸凱君,魏 斌,孟立夫

(1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210014; 2.河海大學(xué)水科學(xué)研究院,江蘇 南京 210098;3.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 4.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098;5.水下隧道智能設(shè)計(jì)、建造與養(yǎng)護(hù)技術(shù)與裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,江蘇 南京 210014)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,穿江越海的長(zhǎng)距離隧道工程越來(lái)越多,使用盾構(gòu)法修建長(zhǎng)距離跨海隧道時(shí),采用隧道海底對(duì)接的方式能夠縮短盾構(gòu)機(jī)單向單線的開(kāi)挖距離[1],此外,人工島的建設(shè)也在跨海隧道中得到廣泛使用。功能上跨海水下隧道人工島主要是用于橋隧轉(zhuǎn)換或隧道始發(fā),也具有縮短隧道施工距離、作為隧道通風(fēng)井、提供隧道檢修場(chǎng)地等功能。與填海造陸相比,跨海水下隧道人工島大多處于海的中央,離岸較遠(yuǎn),水深相對(duì)較深。建設(shè)跨海交通連接線時(shí)可以采用橋梁和隧道的形式,考慮到通航、距離和環(huán)境等因素,出現(xiàn)了使用島嶼(包括天然島嶼和人工島)將橋梁和隧道組合的橋島隧組合越江、跨海通道。表1為國(guó)內(nèi)外12條著名的橋島隧組合跨海通道和1條島隧組合的跨海通道。

表1 結(jié)合島嶼的跨海通道

較早的橋島隧組合工程為美國(guó)的舊金山-奧克蘭海灣大橋[2],距今約有90a的建造史,但是其隧道為山嶺巖石隧道,不同于表1中其他的跨海通道工程。表1的13個(gè)工程中有些直接利用天然島嶼進(jìn)行橋隧轉(zhuǎn)換,如美國(guó)的舊金山-奧克蘭海灣大橋、丹麥的大貝爾特橋、中國(guó)的上海長(zhǎng)江隧橋和韓國(guó)的釜山巨濟(jì)大橋;有些對(duì)天然島嶼的沿線進(jìn)行填海擴(kuò)建,如連接丹麥和德國(guó)的費(fèi)馬恩隧道;更多的工程是通過(guò)建造人工島完成橋隧轉(zhuǎn)換或隧道始發(fā)。

與在陸地上的施工不同,臺(tái)風(fēng)影響、海水侵蝕、地層軟弱等因素使人工島的建設(shè)面臨挑戰(zhàn)。本文通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研對(duì)國(guó)內(nèi)外水下隧道人工島的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析,結(jié)合工程實(shí)例,總結(jié)跨海水下隧道人工島的主要問(wèn)題及發(fā)展方向,為未來(lái)跨海水下隧道人工島的施工提供一定的借鑒。

1 跨海水下隧道人工島的工程現(xiàn)狀

人工島是利用工程技術(shù)人工建造而非自然形成的島嶼,是一種圍海造陸的工程模式。人工島的建設(shè)一般涉及圍堰及填土區(qū)域的前期地基處理、圍堰及護(hù)岸的構(gòu)建和填土加固三方面的建造過(guò)程。

1.1 地基處理技術(shù)

人工島建造前期圍堰區(qū)域及填土區(qū)域天然地基處理方法總結(jié)見(jiàn)表2,其中,費(fèi)馬恩隧道是利用疏浚棄土沿兩個(gè)天然島嶼進(jìn)行填海造陸,因此與典型的水中建造人工島有所不同。

表2 隧道人工島工程的地基處理方法

大多數(shù)海洋人工島工程都會(huì)遇到海相沉積的軟黏土地層,若直接在海底堆填砂等筑島材料,不但會(huì)引起填土產(chǎn)生長(zhǎng)期、過(guò)大的沉降,也會(huì)直接導(dǎo)致軟土地基發(fā)生破壞,因此,比較常見(jiàn)的是預(yù)先對(duì)海底軟土地基進(jìn)行處理后再實(shí)施填土工程,而疏浚軟弱層法、換填砂墊層法、排水固結(jié)法和復(fù)合地基法是較為常見(jiàn)的地基處理方法。由表2可以看出,圍堰區(qū)的地基處理方式主要分為兩類:

a.疏浚表層軟弱層結(jié)合換填砂墊層。以下3種情況可以考慮采用該方式進(jìn)行地基處理:①當(dāng)軟弱層較薄,或軟弱層下方為較硬的巖層時(shí),如厄勒海峽大橋;②雖然軟弱層較厚,但是圍堰是預(yù)制的整體結(jié)構(gòu),且能插入不透水地層中,如港珠澳大橋;③進(jìn)行島嶼擴(kuò)建,且擴(kuò)建部分用作自然海灘和濕地等,對(duì)地基處理的要求不高,如費(fèi)馬恩隧道。

b.疏浚表層軟弱層后使用樁基礎(chǔ)進(jìn)行地基加固。圍堰區(qū)的地基處理方式除了受軟弱層厚度的影響外,也與選擇的圍堰結(jié)構(gòu)及后續(xù)填土的加固技術(shù)密切相關(guān)。除去適合采用疏浚表層軟弱層結(jié)合換填砂墊層方式的其他情況下,尤其是有臨近建筑物時(shí),則考慮結(jié)合樁基礎(chǔ)進(jìn)行地基加固,如深中通道通過(guò)打設(shè)鋼管樁以保持鄰近橋墩的穩(wěn)定性。

1.2 圍堰及護(hù)岸的構(gòu)建

圍堰是建造人工島的初期工程,一般對(duì)天然地基進(jìn)行處理后建造圍堰,在擬建人工島海域通過(guò)圍堰的方式形成造陸界限,在圍堰內(nèi)部進(jìn)行填土施工。圍堰起到擋土結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定填土邊坡、與表面棱體一起抵抗風(fēng)浪的作用,有時(shí)也作為碼頭、填筑的操作平臺(tái)和交通通路。國(guó)內(nèi)外跨海水下隧道人工島圍堰形式、圍堰結(jié)構(gòu)和圍堰區(qū)域的加固方法見(jiàn)表3。

表3 人工島圍堰概況

圍堰的形式分為斜坡式和直立式。斜坡式拋石擠淤圍堰一般用于處理較薄的淤泥層[3-5],采用壓實(shí)法加固圍堰。當(dāng)淤泥層較厚時(shí),拋石擠淤圍堰需要消耗大量土石方,拋石過(guò)程中會(huì)快速產(chǎn)生大量懸浮物,水質(zhì)發(fā)生變化,對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。此時(shí)可以考慮采用大直徑鋼圓桶法[6-8]、地下連續(xù)墻法、鋼板樁法和鋼管樁法等樁-墻結(jié)合的直立式圍堰,圍堰本身深入到地基深部具有足夠垂向承載力的地層中,同時(shí)較大的結(jié)構(gòu)剛度也提供了充分的水平承載力。大直徑鋼圓筒法是為解決在深厚超軟弱地層中成島困難問(wèn)題而發(fā)展出的新型成島技術(shù),通過(guò)將數(shù)個(gè)預(yù)制的鋼圓筒振沉至軟弱層下具有承載能力的地層中,快速形成圍堰,并在鋼圓筒內(nèi)回填中粗砂,利用豎向排水法和深層攪拌樁法等方法加固圓筒內(nèi)的地基。東京灣橫斷道路的川崎人工島采用了內(nèi)徑為98m的預(yù)制鋼筋混凝土沉井作為圍堰結(jié)構(gòu),采用擠密砂樁法和深層水泥攪拌樁法進(jìn)行軟基加固,沿島壁的內(nèi)外兩側(cè)打設(shè)兩圈鋼管樁墻,并用導(dǎo)架結(jié)構(gòu)支撐;在兩道鋼管樁墻之間進(jìn)行鋼筋混凝土地下連續(xù)墻的施工,施工完成后撤除內(nèi)圈的導(dǎo)架結(jié)構(gòu)和鋼管樁墻[9]。深中通道則采用鋼板樁法建造圍堰,并設(shè)置三道橫向鋼支撐。

圍堰建成后在圍堰外側(cè)建造護(hù)岸。人工島護(hù)岸的建設(shè)涉及地基處理[10]、位移和沉降[11-13]、防洪防浪[14]、生態(tài)和景觀[15-16]等多個(gè)方面。水下隧道人工島的護(hù)岸主要為拋石擠淤斜坡式,如厄勒海峽大橋、港珠澳大橋、深中通道和漢普頓路橋隧道拓展項(xiàng)目等工程中的人工島,護(hù)岸的地基處理多采用表層疏浚,配合擠密砂樁、深層水泥攪拌樁和高壓旋噴樁進(jìn)行軟基加固。

1.3 填土加固技術(shù)

形成圍堰后,一般會(huì)在圍堰內(nèi)展開(kāi)填土施工。由于人工島填土在水中進(jìn)行,通常無(wú)法進(jìn)行邊填筑邊碾壓與陸地類似的壓實(shí)施工。因此,人工島填土大多都是在水中拋填,等填料露出水面后在再在表面進(jìn)行壓實(shí)施工,或采用地基處理的方法對(duì)填筑體進(jìn)行加固,也有直接將碎石、砂和疏浚土作為填筑材料制作成流動(dòng)化固化土直接澆筑成型。國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的人工島填土加固技術(shù)見(jiàn)表4。

表4 人工島填土加固技術(shù)

人工島填土成陸后一般會(huì)作為人工地基進(jìn)行加固,加固方式主要有壓實(shí)法、擠壓密實(shí)法、固結(jié)促進(jìn)法和化學(xué)加固法4種。

a.強(qiáng)夯法為常用的壓實(shí)法,強(qiáng)夯區(qū)域和夯擊能需要根據(jù)回填土強(qiáng)度和所需地基承載力確定[17],若鄰近有海堤或建筑物,需要采取措施減弱對(duì)強(qiáng)夯區(qū)域外的影響。

b.擠壓密實(shí)法主要包括擠密砂樁法和振沖密實(shí)法。港珠澳大橋工程中,島體內(nèi)填砂后,將填砂表面壓實(shí)整平,然后采用擠密砂樁法進(jìn)行軟基加固,針對(duì)堆載區(qū)和非堆載區(qū)設(shè)計(jì)相應(yīng)的擠密砂樁置換率、樁間距和樁深度[18]。

c.固結(jié)促進(jìn)法主要包括打設(shè)塑料排水板、砂井聯(lián)合真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓等方法。在超軟弱的淤泥質(zhì)地基中直接使用塑料排水板會(huì)出現(xiàn)明顯的排水板彎曲問(wèn)題[19]。處理港珠澳大橋人工島內(nèi)部軟基時(shí),先回填砂形成陸域,插打塑料排水板,采用降水聯(lián)合堆載預(yù)壓法加速地基排水固結(jié)。其中,西人工島所用塑料排水板的長(zhǎng)度為23～38.5m[20],堆載預(yù)壓的超載比為1.45～2.1。

d.化學(xué)加固法主要包括高壓旋噴樁法和深層水泥攪拌樁法。此外,當(dāng)以疏浚淤泥為填筑材料時(shí),通過(guò)預(yù)先加入固化劑進(jìn)行固化,使用流動(dòng)化固化土進(jìn)行澆筑成島也是最近興起的一種方法。在日本的中部國(guó)際機(jī)場(chǎng)人工島[21]、羽田機(jī)場(chǎng)D跑道人工島[22]、愛(ài)知縣東海市海中造島[23]及神戶港岸壁修復(fù)[24]等工程中都應(yīng)用該方式進(jìn)行填筑施工。東京灣橫斷道路的川崎人工島和木更津人工島也將填筑材料制作成流動(dòng)化固化土進(jìn)行澆筑,固化材料分別使用漿體(濕式)和粉體(干式)的方法進(jìn)行混合。填筑斜坡區(qū)和平坦區(qū)固化土填料的目標(biāo)強(qiáng)度分別為1MPa和0.4MPa,以利于后續(xù)盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖。國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展了固化淤泥性能的相關(guān)研究。朱偉等[25-26]研究了固化淤泥的基本力學(xué)特性;黃英豪等[27]研究了新拌固化淤泥的流動(dòng)性和流變參數(shù)之間的關(guān)系;彭劼等[28]研究了高分子吸水樹(shù)脂對(duì)固化淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓實(shí)性、耐久性及干縮性的影響;Wu等[29]以大連灣跨海公路工程中的人工島為工程背景,研究了大連灣的淤泥經(jīng)水泥固化后的強(qiáng)度、流動(dòng)度、壓縮性及滲透特性。但國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)固化淤泥筑島的工程經(jīng)驗(yàn)。

填土加固技術(shù)的選擇要綜合考慮人工島的用途、回填材料的性質(zhì)、地基承載力、工程成本和工期要求等,在需要進(jìn)行橋隧轉(zhuǎn)換或隧道水下對(duì)接的區(qū)域,填土加固后除了要滿足沉降要求外,還要控制強(qiáng)度上限,不能對(duì)隧道穿越產(chǎn)生限制。

2 人工島工程實(shí)例

2.1 東京灣橫斷道路

2.1.1 工程概況

東京灣橫斷道路是日本一般國(guó)道409號(hào)線橫跨東京灣的海上部分,主要由海底隧道、連續(xù)梁橋、川崎人工島和木更津人工島構(gòu)成,全長(zhǎng)15.1km,其中,海底隧道長(zhǎng)9.5km,橋梁長(zhǎng)4.4km。木更津人工島用于橋隧轉(zhuǎn)換;川崎人工島用于盾構(gòu)機(jī)始發(fā),并作為換氣風(fēng)井。東京灣橫斷道路的地質(zhì)剖面如圖1所示,可以看出盾構(gòu)機(jī)基本在洪積土中開(kāi)挖,兩座人工島需要在超軟弱的沖積土和洪積土中進(jìn)行地基處理、圍堰建造和填土加固。

圖1 東京灣橫斷道路地質(zhì)剖面

2.1.2 川崎人工島

東京灣地震較多,工程要在0.5～0.6 MPa的高水壓和超軟弱且復(fù)雜的地基中施工,整條海底隧道由8臺(tái)直徑為14.14m的超大型泥水盾構(gòu)在海底地層中穿越接通。川崎人工島就是為了縮短盾構(gòu)的掘進(jìn)距離而修建的[30]。因?yàn)樵搮^(qū)域位于航道的中心,因此在滿足空間需求的情況下建造人工島的面積應(yīng)盡可能小。按照能夠容納4臺(tái)直徑為14.14m的盾構(gòu)機(jī)及相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)備、滿足盾構(gòu)機(jī)始發(fā)等需求,川崎人工島的頂部寬約為200m,施工位置在川崎港中離岸5km的海面,水深約28m,海底約有30m的軟弱層。

a.地基處理。川崎人工島在進(jìn)行地基處理時(shí),疏浚了海底約5m的軟弱淤泥層,通過(guò)鋪設(shè)砂墊層,采用擠密砂樁法和深層水泥攪拌樁法等進(jìn)行軟基加固,然后進(jìn)行圍堰部分的施工。

b.圍堰。川崎人工島面積不大,為快速成島,降低成本,采取沉置一內(nèi)徑98m的預(yù)制圓筒形鋼筋混凝土沉井的方式造島,并采用厚2.8m、長(zhǎng)119m的地下連續(xù)墻作為圍堰結(jié)構(gòu),斷面數(shù)據(jù)見(jiàn)文獻(xiàn)[31]。沿島壁的內(nèi)外兩側(cè)打設(shè)兩圈鋼管樁墻,并用導(dǎo)架結(jié)構(gòu)作為內(nèi)支撐,在兩道鋼管樁墻之間進(jìn)行鋼筋混凝土地下連續(xù)墻的施工。施工完成后,撤除內(nèi)圈的導(dǎo)架結(jié)構(gòu)和鋼管樁墻,將地下連續(xù)墻作為基坑的防滲帷幕。采用防水板和鋼襯以防止川崎人工島外墻滲水;建造防撞塊作為護(hù)岸結(jié)構(gòu)以防止與船只發(fā)生碰撞并起到減震的作用。

c.填土加固。在沉井支架下方和隧道通過(guò)的區(qū)域分別采用擠密砂樁法和深層水泥攪拌樁法進(jìn)行填土加固。預(yù)制內(nèi)沉井和預(yù)制外沉井之間約13m寬的空間使用砂、少量水泥和粉狀泥巖混合制成泥漿狀人工填料進(jìn)行填充,使填土成為水泥土。深層水泥攪拌法和人工填料的材料必須為低強(qiáng)度(約為1 MPa)且均勻,以免妨礙后續(xù)開(kāi)挖。利用泵抽干沉井內(nèi)的水,并使用大型起重機(jī)取出內(nèi)沉井后,由盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道開(kāi)挖。建成后的川崎人工島如圖2所示,在隧道掘進(jìn)過(guò)程中,沉井充當(dāng)了盾構(gòu)始發(fā)豎井,在運(yùn)營(yíng)期間作為隧道通風(fēng)塔。

圖2 川崎人工島

2.1.3 木更津人工島

木更津人工島是一座連接橋梁和隧道,并集大型停車庫(kù)和旅游、餐飲、娛樂(lè)等各種服務(wù)設(shè)施為一體的建筑物,長(zhǎng)約300m,寬60m,共5層,施工現(xiàn)場(chǎng)的水深約為25m,總建筑面積為3.8hm2[32],如圖3所示。

圖3 木更津人工島

a.地基處理。木更津人工島的斷面數(shù)據(jù)見(jiàn)文獻(xiàn)[31]。與川崎人工島相比,木更津人工島的上部建筑更多、用途更廣,因此采取了更為安全的地基處理方法:地基改良采用疏浚清除全部軟弱層,清淤深度最深為7m,填入砂和碎石,然后打設(shè)蜂窩式鋼管樁,鋼管內(nèi)部充填砂石,蜂窩間填方的壓實(shí)采用加實(shí)砂樁法。

b.圍堰。木更津人工島采用鋼管樁直立型圍堰,護(hù)岸形式為拋石斜坡式,可以保護(hù)島嶼免受波浪和船舶的影響。

c.填土加固。木更津人工島的填筑材料使用砂子和水泥制成干式水泥土,并采用了建造川崎人工島產(chǎn)生的工程棄土。人工島的斜坡區(qū)和平坦區(qū)分別采用深層水泥攪拌樁法和擠密砂樁法加固軟基,填料的目標(biāo)強(qiáng)度分別為1MPa和0.4MPa。

2.2 美國(guó)漢普頓路橋隧道及其擴(kuò)展項(xiàng)目

漢普頓路橋隧道為橋島隧組合的公路項(xiàng)目,位于美國(guó)弗吉尼亞州,北接漢普頓,南接諾?？?項(xiàng)目包括總長(zhǎng)5.6km的橋梁,南、北兩座人工島,以及修建在兩個(gè)人工島之間兩條各長(zhǎng)2.28km的并行沉管隧道,項(xiàng)目總長(zhǎng)約為10.16km。漢普頓路橋隧道工程的南島又名Rip Raps,是一個(gè)占地約6.07hm2的人工小島,該島建于1818年,最初建造的目的是作為港口防御的一部分。南、北島位置如圖4所示。南、北島及隧道區(qū)域內(nèi)的地層從上到下依次為軟弱淤泥層、硬黏土層、松散中粗砂層和密實(shí)砂層。

圖4 漢普頓路橋隧道的南島和北島

漢普頓路橋隧道最初于1957年完工并通車,是有史以來(lái)第一個(gè)利用人工島建造的橋隧跨海通道。1970年,漢普頓路橋隧道進(jìn)行了第一次擴(kuò)建,包括對(duì)南北兩座人工島的擴(kuò)建。為緩解交通壓力,2020年開(kāi)始進(jìn)一步全面擴(kuò)建漢普頓路橋隧道,擴(kuò)建工程主要為對(duì)現(xiàn)有車道和橋梁的加寬,南、北兩座人工島的擴(kuò)建,和在現(xiàn)有東行隧道的西側(cè)修建兩條并行的雙車道隧道,約比現(xiàn)有的沉管隧道深15.24m。新建隧道采用盾構(gòu)法施工,直徑約為13.7m,為北美直徑第二大的盾構(gòu)隧道。擴(kuò)建完成后,兩個(gè)人工島之間將連接4條隧道。該項(xiàng)目于2020年開(kāi)工,預(yù)計(jì)2025年完工。

2.2.1 北島的擴(kuò)建

a.地基處理。圖5為北島的擴(kuò)建平面圖,可以看出需要容納新建隧道、盾構(gòu)機(jī)接收井和隧道引道結(jié)構(gòu)。首先,將大約170個(gè)樁沿著現(xiàn)北島西岸打入,形成一道岸邊防滲墻,以保護(hù)現(xiàn)有的隧道結(jié)構(gòu)免受島嶼擴(kuò)建產(chǎn)生不穩(wěn)定的情況。然后,開(kāi)始疏浚工作。北島的擴(kuò)建面積約6.64 hm2,通過(guò)疏浚去除該部分泥漿,考慮環(huán)境保護(hù)等因素,疏浚量非常保守,疏浚深度約0.91m,疏浚泥漿通過(guò)駁船運(yùn)輸至處置點(diǎn)。將系泊樁(80根直徑1.07m的管樁)從駁船上沿該島擴(kuò)建線每隔12.19m用振動(dòng)錘打出,樁底被振動(dòng)到海底以下0.6～0.9m;在隧道豎井和隧道引道結(jié)構(gòu)西側(cè)安裝板樁墻,從駁船用振動(dòng)錘打出,目的是分開(kāi)內(nèi)部填充的砂子與周邊礫石。

b.圍堰。北島的典型設(shè)計(jì)斷面如圖6所示,采用拋石擠淤法建造斜坡式巖石圍堰。新的護(hù)岸、巖石圍堰和沖刷坡腳由4種巖石組成。護(hù)岸底部采用直徑為50～100mm的碎石或礫石,護(hù)面巖石的平均重量為6 500 kg。

圖6 北島的典型設(shè)計(jì)斷面

c.填土加固。將現(xiàn)有島嶼西側(cè)護(hù)坡的護(hù)面石移除并運(yùn)輸至指定位置,擴(kuò)建大約需要15.75萬(wàn)m3級(jí)配良好的填砂。使用推土機(jī)放置和壓實(shí)填砂,最終將填料振動(dòng)壓實(shí)至海床下方約6m的深度。

2.2.2 南島的擴(kuò)建

a.地基處理。南島的擴(kuò)建平面如圖7所示。盾構(gòu)機(jī)從南島向北島掘進(jìn),修建第一條擴(kuò)建隧道,在北島接收后調(diào)轉(zhuǎn)盾構(gòu)機(jī),再向南島掘進(jìn),修建第二條擴(kuò)建隧道。地基處理時(shí),首先,在擴(kuò)建區(qū)域(約1.06hm2)內(nèi)進(jìn)行疏浚,以清除淤泥、減少沉降和清除障礙物(從海岸沖走的護(hù)面石),疏浚深度為0.91m。由于地基土軟弱,在駁船上用振動(dòng)錘和沖擊錘將直徑0.61m的鋼管樁和直徑0.91m的混凝土深基礎(chǔ)樁打入海床下約29m。疏浚后,在海床上鋪設(shè)1～2m的礫石墊層,構(gòu)成新結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),并在海床與上方較大的圍堰及護(hù)岸的巖石塊之間進(jìn)行分隔。與此同時(shí),利用帶有振動(dòng)錘的駁船安裝板樁墻,用于封閉隧道引道結(jié)構(gòu)。

圖7 南島的擴(kuò)建平面

b.圍堰。南島的典型設(shè)計(jì)斷面如圖8所示,圍堰下方打設(shè)鋼管樁以減少沉降。與北島類似,也采用了拋石擠淤斜坡式圍堰和斜坡式護(hù)岸。

圖8 南島典型斷面

c.填土加固。疏浚后用砂填筑島體;采用鋼管混凝土樁加固軟基;在回填島體和現(xiàn)有陸面之間打設(shè)鋼板樁來(lái)維持原有陸面的穩(wěn)定;在南島已有隧道引道結(jié)構(gòu)外側(cè)打設(shè)鋼板樁,使其在擴(kuò)建過(guò)程中保持穩(wěn)定。

南島的盾構(gòu)始發(fā)井和隧道引道結(jié)構(gòu)等構(gòu)筑物的修建將挖掘出約23萬(wàn)m3的砂質(zhì)材料。根據(jù)化學(xué)和物理分析結(jié)果,其中約15萬(wàn)m3的清潔砂質(zhì)材料可用于北島擴(kuò)建;在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中開(kāi)挖的渣土經(jīng)過(guò)篩分等處理后得到的砂也可用于北島的擴(kuò)建。

2.3 費(fèi)馬恩隧道(丹麥-德國(guó))

費(fèi)馬恩隧道穿越了波羅的海的費(fèi)馬恩帶,是一條用于連接丹麥洛蘭島和德國(guó)費(fèi)馬恩島的沉管隧道,地理位置參見(jiàn)文獻(xiàn)[33]。大貝爾特橋(丹麥,1997年建成)、厄勒海峽大橋(丹麥-瑞典,2000年建成)和費(fèi)馬恩隧道(丹麥-德國(guó),預(yù)計(jì)2029年建成)組成了丹麥的跨海交通網(wǎng)絡(luò)。沉管隧道長(zhǎng)約18km,最深處達(dá)40m,由79個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)和10個(gè)特殊管節(jié)組成。單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)217m,寬42m,高10m,質(zhì)量7.3萬(wàn)t;特殊管節(jié)長(zhǎng)39m。費(fèi)馬恩隧道建成后將成為世界上最長(zhǎng)的公路和鐵路隧道。費(fèi)馬恩隧道縱向地質(zhì)斷面參見(jiàn)文獻(xiàn)[34]。填海區(qū)域的地層主要為古近系黏土和冰磧土,沉管隧道基槽需要在不同的冰川沉積物中疏浚。費(fèi)馬恩隧道基槽部位的上層土主要由黏土覆蓋的冰川融水砂組成;在這些地層之下,主要是不同類型的冰磧層(也稱為巨礫黏土或冰磧黏土),局部有融水砂和淤泥;更深的地層是比第四紀(jì)更古老的白堊和古近系黏土。

費(fèi)馬恩隧道雖然不需要修建新人工島,但是在建設(shè)沉管隧道之前需要在丹麥和德國(guó)沿海區(qū)域建設(shè)工作港和大型填海區(qū),建筑項(xiàng)目所需的建筑材料將從工作港運(yùn)出。

a.填海區(qū)及工作港地基處理。費(fèi)馬恩的Puttgarden和洛蘭島的R?dbyhavn正在建設(shè)工作港。R?dbyhavn工作港較大,是生產(chǎn)隧道管片構(gòu)件的地方。洛蘭島的工作港及填海區(qū)的布置圖參見(jiàn)文獻(xiàn)[33]。從目前的洛蘭海岸線延伸,在工作港兩側(cè)規(guī)劃了一約330hm2的大型填海區(qū),長(zhǎng)約7km,寬達(dá)0.5km。這個(gè)大型填海區(qū)主要是大面積的沿海草原、自然區(qū)和兩個(gè)新海灘,未檢索到填海前的地基處理措施。

b.填海區(qū)及工作港圍堰。目前采用拋石擠淤法建造一長(zhǎng)約2 500m的花崗巖防波堤,以保護(hù)約50 hm2的工作港免受費(fèi)馬恩海峽的海浪侵襲。

c.填海區(qū)及工作港填土加固。建造防波堤后在堤內(nèi)填海造陸。在下沉隧道構(gòu)件之前,需沿隧道走線疏浚一長(zhǎng)約18km、深12m的溝槽,溝槽寬度根據(jù)海的深度和海床的組成而變化,共疏浚約1900萬(wàn)m3的砂、石和土壤用于填海區(qū)的建設(shè),實(shí)際的填海面積取決于疏浚的棄土量。由于填海區(qū)的功能為自然區(qū)和海灘,因此不需進(jìn)行加固處理。

2.4 厄勒海峽大橋(丹麥-瑞典)

厄勒海峽大橋(?resund Bridge)全程跨度約16km,連接丹麥的哥本哈根和瑞典第三大城市馬爾默,1995年動(dòng)工,2000年完工,是世界上已建成的承重量最大的斜拉索橋。大橋從馬爾默出發(fā),海峽中建造了一座人工島(Peberholm人工島,屬丹麥),靠近哥本哈根的一段是鐵路與公路合用的海底隧道,因此大橋由三部分組成,即8km的橋梁、4km的人工島上公路和4km的海底沉管隧道[35],如圖9所示。馬爾默和哥本哈根之間有一座天然島嶼——薩爾特島,但是薩爾特島是一個(gè)重要的鳥(niǎo)類棲息地,出于環(huán)境保護(hù)原因,排除了使用該天然島嶼連接橋梁和隧道的方案。因此,在薩爾特島南部建造一個(gè)人工島。沉管隧道總長(zhǎng)3.51km,寬約41.7m,高8.5m。沿沉管隧道方向的地質(zhì)斷面參見(jiàn)文獻(xiàn)[35]。沉管隧道現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)剖面包括近期海洋沉積物、冰積土、哥本哈根石灰?guī)r和苔蘚蟲(chóng)石灰?guī)r,其中哥本哈根石灰?guī)r屬于破裂的軟巖。沉管隧道底部完全建在哥本哈根石灰?guī)r中,引道構(gòu)筑物位于冰積土或用于建造人工半島和人工島的疏浚填土中。

a.人工島地基處理。Peberholm人工島長(zhǎng)約4km,平均寬度為500m,高約20m,面積130 hm2。人工島建造區(qū)域內(nèi)軟弱層較薄,疏浚部分軟弱層后,即可利用石灰?guī)r作為人工島的基礎(chǔ)。

b.人工島圍堰。橋梁施工和隧道溝槽疏浚施工期間產(chǎn)生大量的含有砂、石的棄土,這部分棄土被用于填海造島。使用棄土填筑斜坡式土石圍堰,如圖10所示,圍堰外側(cè)采用拋石擠淤法建造斜坡式護(hù)岸。

圖10 Peberholm人工島圍堰施工現(xiàn)場(chǎng)

c.人工島填土加固。使用棄土逐步在圍堰內(nèi)填土形成陸域,利用預(yù)壓排水法進(jìn)行填土的地基處理,并配合擠密砂樁法和深層水泥攪拌樁法進(jìn)一步加固土體。同時(shí),Peberholm人工島也是一個(gè)指定的自然保護(hù)區(qū),允許動(dòng)植物自然發(fā)展,不受人為干擾。

2.5 港珠澳大橋

港珠澳大橋東連香港、西接珠海和澳門,是集橋、島、隧為一體的〗跨海通道,全長(zhǎng)35.6km。大橋共分為珠海和澳門接線、珠澳口岸人工島、大橋主體工程、香港連接線及香港口岸人工島六部分,其中島隧工程是控制性工程[6]。沉管隧道長(zhǎng)5.664km,位于伶仃西和銅鼓航道處,為實(shí)現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換,隧道兩端各設(shè)置一長(zhǎng)約625m的海中人工島,造陸面積各約10 hm2[36-37]。港珠澳大橋東人工島西側(cè)與隧道銜接,東側(cè)與橋銜接,地理位置接近香港大嶼山[38],如圖11所示。島體平面基本為橢圓形,東西方向長(zhǎng)約625.0m,南北方向長(zhǎng)約215.0m。港珠澳大橋沉管隧道段的地質(zhì)剖面如圖12所示,可以看出沉管隧道主要位于軟弱淤泥層中,東、西人工島場(chǎng)區(qū)的地層以軟弱土-中軟土為主,包括淤泥層、粉質(zhì)黏土、粗礫砂、粉細(xì)砂及中砂等,特別是軟弱淤泥層的厚度大,會(huì)產(chǎn)生沉降周期長(zhǎng)且沉降量大的問(wèn)題,需要采取合適的軟基加固措施。

圖11 港珠澳大橋平面布置

圖12 港珠澳大橋沉管隧道地質(zhì)剖面

a.東、西人工島地基處理。港珠澳大橋東、西人工島工程地點(diǎn)場(chǎng)地標(biāo)高為-2.3～-3.0m,海底地勢(shì)平坦,自北向南呈平緩斜坡,表層分布平均厚度約10.44m的淤泥-淤泥質(zhì)土層,實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N僅為0～2。同時(shí),工程海域易受臺(tái)風(fēng)影響,海水對(duì)鋼筋及混凝土具有腐蝕作用,而海相沉積地層覆蓋層厚度達(dá)30～89m,工程在技術(shù)層面上面臨很大的挑戰(zhàn)。如何快速成島及處理軟基是港珠澳大橋兩個(gè)人工島需要克服的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。經(jīng)研究論證,港珠澳大橋東、西人工島均采取大直徑鋼圓筒快速成島方法,如圖13所示,避免了大量疏浚。開(kāi)挖表層8m的淤泥層后,振沉鋼圓筒,然后對(duì)圍堰內(nèi)軟基進(jìn)行加固處理。

圖13 港珠澳大橋快速成島施工技術(shù)

b.東、西人工島圍堰。東、西人工島的島體圍堰結(jié)構(gòu)分別由59根和61根直徑為22.0m、厚度為16.0mm、高度為40～50m的大直徑鋼圓筒及安插在鋼圓筒之間的圓弧形副格板構(gòu)成,開(kāi)挖表層8m的淤泥后,大直徑鋼圓筒振沉至海床深度20～30m[38],插入不透水層土體,快速形成人工島體輪廓。護(hù)岸采取拋石擠淤斜坡式護(hù)岸。

c.東、西人工島填土加固。建造圍堰后,在鋼圓筒內(nèi)及鋼圓筒構(gòu)成的島體內(nèi)回填中粗砂形成島體,島內(nèi)水和島外水可以隔離,采用塑料排水板聯(lián)合堆載預(yù)壓法(超載比1.45～2.1)、水上擠密砂樁法處理軟基,其中塑料排水板呈正方形布置,間距1.0～1.2m,穿透淤泥層。護(hù)岸部分開(kāi)挖泥面底標(biāo)高至-16m,在距離鋼圓筒邊界3.5m的位置采用27.6%置換率的擠密砂樁進(jìn)行軟基處理,最終形成穩(wěn)定的島體結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)的吹砂、拋石等成島方法,這種新型施工技術(shù)縮短了項(xiàng)目工期,降低了施工風(fēng)險(xiǎn)和成本,減少了對(duì)環(huán)境的影響,包括對(duì)中華白海豚棲息地的影響[37]。

2.6 深中通道

深中通道地處廣東省珠江口的核心區(qū)域,北距虎門大橋約30km,南距港珠澳大橋約38km,項(xiàng)目全長(zhǎng)約24km,其中跨海段長(zhǎng)約22.4km,主要結(jié)構(gòu)包括一條6.845km的沉管隧道、西人工島(島面面積13.7hm2)、東人工島(島面面積34.38hm2)、一座懸索橋和一座斜拉橋[7],平面布置如圖14所示,是世界級(jí)的集橋-島-隧-水下樞紐互通于一體的超大型跨海交通基礎(chǔ)設(shè)施工程,人工島用作橋隧轉(zhuǎn)換。深中通道全線預(yù)計(jì)2024年建成,除了工程規(guī)模大之外,工程地質(zhì)也復(fù)雜,東、西人工島場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在深厚的軟弱淤泥層、粉質(zhì)黏土、容易液化的粉細(xì)砂和風(fēng)化軟硬不均的花崗巖層。

圖14 深中通道平面布置

a.人工島初期地基處理和圍堰。東、西人工島在建造圍堰前疏浚部分軟弱層,東人工島采用長(zhǎng)27m的鋼板樁形成圍堰。由于東人工島臨近廣深沿江高速主線橋的42個(gè)橋墩,橋墩的水平和垂直位移限制在5mm以內(nèi)。同時(shí),工程區(qū)域內(nèi)分布有厚4.7～23.0m的軟弱淤泥層,平均厚度約為10m,直接填砂筑島可能造成橋墩附近產(chǎn)生較大的塑性變形區(qū),因此在基坑開(kāi)挖階段,沿橋墩打設(shè)一圈鋼管樁,在內(nèi)側(cè)設(shè)置橫向支撐,以減弱基坑開(kāi)挖對(duì)橋墩的影響[39]。西人工島參考了港珠澳大橋人工島的大直徑鋼圓筒快速成島技術(shù),通過(guò)振沉57個(gè)直徑28m、高35.5～39.5m的鋼圓筒形成圍堰,在圍堰外側(cè)采用拋石擠淤斜坡式護(hù)岸。

b.人工島填土加固。在圍堰內(nèi)分層回填中粗砂進(jìn)行筑島。東人工島采用旋噴樁和深層水泥攪拌樁進(jìn)行軟基加固。西人工島的島壁斷面參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。在圓筒內(nèi)及島內(nèi)填中粗砂造島,通過(guò)打設(shè)塑料排水板、振沖密實(shí)和擠密砂樁等方法進(jìn)行軟基加固。護(hù)岸部分的地基采用疏浚表層淤泥并回填中粗砂的方法。

3 人工島建設(shè)過(guò)程中的主要問(wèn)題與發(fā)展方向

3.1 人工島建設(shè)過(guò)程中的主要問(wèn)題

a.軟弱地基處理及填土加固的方案組合及工序優(yōu)化。人工島工程區(qū)域內(nèi)普遍存在深厚的軟弱淤泥層,填砂或吹填疏浚泥漿后可能出現(xiàn)不均勻沉降和固結(jié)速率慢等問(wèn)題,需要通過(guò)地基處理和填土加固等方法解決。通過(guò)上述工程案例可以發(fā)現(xiàn),地基處理和填土加固方法通常是通用的,軟弱層較薄時(shí),可以先采用疏浚進(jìn)行簡(jiǎn)單的地基處理,將重點(diǎn)放在填土加固上;但是軟弱層較厚或有鄰近建筑物時(shí),前期的地基處理也需要采取多種措施。針對(duì)不同軟弱層厚度和工程要求,如何更合理組合地基處理和填土加固方案,對(duì)加快工程建設(shè)速度、提高工程建設(shè)質(zhì)量和減小對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響至關(guān)重要。此外,大多工程先進(jìn)行圍堰區(qū)地基處理,建造圍堰結(jié)構(gòu),然后進(jìn)行圍堰區(qū)加固,等圍堰封閉成島后才開(kāi)始島內(nèi)填土和填土加固。針對(duì)不同的圍堰形式,如何優(yōu)化地基處理和填土加固的工序,使圍堰區(qū)和島內(nèi)區(qū)域同步施工是提高工效、產(chǎn)生創(chuàng)新的關(guān)鍵。

b.疏浚土在國(guó)內(nèi)人工島建設(shè)中利用較少。由上述工程實(shí)例可以看出,修建一座人工島及島間的隧道或橋梁產(chǎn)生的工程棄土量是巨大的,廢棄的通常是清淤出的高含水率的泥漿或泥漿-砂混合物,占地面積大,運(yùn)輸效率低。同時(shí),建筑人工島需要大量的填料,跨海水下隧道人工島一般離岸較遠(yuǎn),僅運(yùn)輸清潔填料就需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本。如果能將人工島工程棄土在附近經(jīng)過(guò)處理后用作人工島的填料,則能節(jié)省填料的購(gòu)買及運(yùn)輸成本,對(duì)整個(gè)工程的低碳環(huán)保具有重要意義。但是與國(guó)外的幾個(gè)著名橋島隧組合跨海通道利用疏浚棄土填島或填海造陸的處理方式相比,國(guó)內(nèi)主要還是采用填清潔砂的方案造島,疏浚泥漿的泥砂分離困難、脫水效率慢、固化成本高等問(wèn)題是造成疏浚棄土在人工島中利用率低的重要原因。針對(duì)不同的疏浚泥漿,需要進(jìn)一步研究高效泥砂分離、泥漿脫水和固化處理方法。

3.2 人工島建設(shè)的發(fā)展方向

未來(lái)人工島的建設(shè)應(yīng)該更為綠色和快速,需要進(jìn)一步發(fā)展預(yù)制人工島的關(guān)鍵技術(shù)。由表1可知,沉管法廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離水下隧道的建設(shè),主要原因之一是沉管法的管節(jié)可預(yù)制,可以縮短現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間。人工島的建設(shè)方法由傳統(tǒng)的拋石圍堰筑島,創(chuàng)新性地發(fā)展出了預(yù)制大直徑鋼圓筒圍堰筑島方法,降低了對(duì)環(huán)境的影響,縮短了筑島時(shí)間,說(shuō)明通過(guò)預(yù)制的人工島構(gòu)筑物實(shí)現(xiàn)綠色、快速筑島是先進(jìn)、可行的。但是,相較于預(yù)制圍堰,要實(shí)現(xiàn)大體量人工島預(yù)制化建設(shè)需面臨許多挑戰(zhàn),如將人工島劃分為多個(gè)可組合的預(yù)制構(gòu)件,避免預(yù)制構(gòu)件接縫滲漏,以及克服不均勻沉降等問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

a.對(duì)于建造跨海水下隧道人工島天然軟弱地基的處理,疏浚軟弱層法、置換砂墊層法、排水固結(jié)法和復(fù)合地基法是較為常見(jiàn)的方法。拋石擠淤斜坡式圍堰是最傳統(tǒng)的圍堰形式;建造大規(guī)模的人工島時(shí),使用大直徑鋼圓筒圍堰能夠快速成島,并且鋼圓筒內(nèi)和圍堰內(nèi)可以同時(shí)進(jìn)行填土和地基處理。人工島的護(hù)岸形式與圍堰結(jié)構(gòu)相關(guān),拋石擠淤斜坡式護(hù)岸是主要的護(hù)岸結(jié)構(gòu)。

b.人工島填土成陸后一般會(huì)作為人工地基進(jìn)行加固,加固方法有壓實(shí)法、擠壓密實(shí)法、固結(jié)促進(jìn)法和化學(xué)加固4種方式。國(guó)外人工島實(shí)例中通常使用疏浚棄土、疏浚棄土和砂結(jié)合進(jìn)行筑島,國(guó)內(nèi)大型跨海水下隧道人工島的填料主要為清潔砂。

c.結(jié)合工程實(shí)例和研究現(xiàn)狀,提出跨海水下隧道人工島建設(shè)過(guò)程中的兩大主要問(wèn)題,一是軟弱地基處理及填土加固方案的組合及工序優(yōu)化問(wèn)題,針對(duì)不同的圍堰形式,如何優(yōu)化地基處理和填土加固的工序,使圍堰區(qū)和島內(nèi)區(qū)域同步施工;二是疏浚土在國(guó)內(nèi)人工島建設(shè)中的利用較少,針對(duì)不同的疏浚泥漿,需要進(jìn)一步研究高效泥砂分離、泥漿脫水和固化處理方法。

d.基于現(xiàn)有的人工島建設(shè)技術(shù),認(rèn)為人工島建設(shè)的未來(lái)發(fā)展方向是通過(guò)預(yù)制人工島構(gòu)件的方法實(shí)現(xiàn)綠色、快速筑島。