深中通道西人工島總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

夏豐勇，胡鵬，翁遠(yuǎn)明，劉健，徐文

（1.深中通道管理中心，廣東中山528400；2. 中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100000；3. 中鐵建港航局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510000；4. 江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇南京211103）

1 項(xiàng)目背景

深圳至中山跨江通道（以下簡(jiǎn)稱“深中通道”）位于虎門大橋下游約30 km 的位置，與港珠澳大橋相隔約40 km，屬于珠江中下游的核心地帶。深中通道的建成將深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)與中山市、江門市等貫穿到一起，實(shí)現(xiàn)地理位置上的“裁彎取直”使其之間的距離大大縮短。 該項(xiàng)目東部與機(jī)荷高速相接，西部進(jìn)入中山馬鞍島，與規(guī)劃的中開、東部外環(huán)高速對(duì)接，項(xiàng)目全長(zhǎng)約24 km，其中跨海段長(zhǎng)約22.4 km。

位于深中通道的兩個(gè)人工島采用東隧西橋方案，西人工島位于礬石水道西側(cè)，東人工島位于深圳岸側(cè)沿江高速位置處。 文中將總結(jié)西人工島的設(shè)計(jì)要求并探討應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

2 西人工島總體設(shè)計(jì)

2.1 總體平面布置

綜合考慮功能布置需求、水利防洪、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、施工場(chǎng)地及整體景觀等，采用準(zhǔn)菱形方案，西人工島主體面積約13.70 萬m2，海域面積約25.58 萬m2，島壁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度約1 622 m。

2.2 鋼圓筒結(jié)構(gòu)平面布置

根據(jù)西人工島平面布置方案， 結(jié)合基坑及銜接段的布置、地基處理方案以及施工場(chǎng)地布置，將鋼圓筒沿西人工島島邊線布置，東側(cè)布置西小島基坑，以鋼圓筒作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)， 加快第一段暗埋段隧道（50 m）施工；西大島圍繞隧道和匝道另行設(shè)置基坑，地基處理全部采用降水預(yù)壓+振沖方案。

西小島共布置直徑28 m 的鋼圓筒14 個(gè)，西大島共布置直徑28 m 的鋼圓筒43 個(gè)，總數(shù)為57 個(gè)。先期施工的第一段暗埋隧道（50 m）完成后，共切割8 個(gè)鋼圓筒，其中海側(cè)5 個(gè)為水下切割，陸側(cè)3 個(gè)為陸上切割。

3 總體施工方案

西人工島總體施工工序包括基槽開挖及換填、島壁結(jié)構(gòu)（插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)+拋石斜坡結(jié)構(gòu)）、陸域形成和地基處理、救援碼頭。

3.1 基槽開挖及換填方案

西小島整體開挖至-17.0 m 標(biāo)高，開挖范圍為島壁位置處鋼圓筒中心線外側(cè)57.5 m， 大小島分隔鋼圓筒外側(cè)34 m。 西大島沿圓筒中心線開挖基槽至-17.0 m 標(biāo)高， 開挖范圍為圓筒中心線外側(cè)57.5 m，內(nèi)側(cè)34 m。 西人工島需基槽開挖約68.0 萬m3，基槽開挖（西小島回填2 m 中粗砂）完成后即可進(jìn)行鋼圓筒振沉作業(yè)，振沉后立即在基槽內(nèi)回填中粗砂至-13.0 m 標(biāo)高。基槽開挖采用l∶5 開挖邊坡。施工過程中采用分區(qū)分段開挖、 分區(qū)分段驗(yàn)收方法，驗(yàn)收后立即回填?；蹞Q填料采用中粗砂。不考慮原狀土預(yù)壓處理固結(jié)沉降以及回填砂自身的振沖密實(shí)，西人工島需換填中粗砂約79.1 萬m3。

3.2 島壁結(jié)構(gòu)方案

島壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)、拋石斜坡結(jié)構(gòu)。 首先將人工島島壁結(jié)構(gòu)下方淤泥開挖至-17.0 m 標(biāo)高（西小島回填2 m 中粗砂），然后打設(shè)鋼圓筒結(jié)構(gòu)，鋼圓筒直徑為28 m，壁厚19 mm，頂高程為3.5 m，底部進(jìn)入20～30 擊土層0.5 m；鋼圓筒之間標(biāo)準(zhǔn)凈距為2.0 m， 圓筒間通過副格連接，副格倉主體采用弧形鋼板， 設(shè)計(jì)弧長(zhǎng)半徑7.0 m，壁厚14 mm，副格倉頂標(biāo)高+3.5 m，長(zhǎng)度30 m，副格倉重量為51 t。鋼圓筒底部穿透淤泥和淤泥質(zhì)土層，筒內(nèi)回填中粗砂， 回填基槽中粗砂至-13.0 m 標(biāo)高。進(jìn)行筒內(nèi)降水預(yù)壓地基處理并振沖密實(shí)；然后，在島體內(nèi)部進(jìn)行預(yù)壓地基處理和回填施工， 拋石斜坡結(jié)構(gòu)施工在島外同時(shí)進(jìn)行。鋼圓筒承受內(nèi)側(cè)土壓力、內(nèi)外水位差和波浪作用下的穩(wěn)定性為控制工況。

3.2.1 變形穩(wěn)定性分析

本次對(duì)鋼圓筒穩(wěn)定性和滲流穩(wěn)定的計(jì)算采用有限元法。選取XDZK110（西小島）、XDZK05（西小島）和XDZK57（西大島）三個(gè)鉆孔處的地層信息進(jìn)行了單圓筒三維變形和滲流計(jì)算分析。 其中XDZK110孔主要對(duì)應(yīng)于西小島的X1～2 號(hào)鋼圓筒，XDZK05 主要對(duì)應(yīng)于西小島的X6～7 號(hào)鋼圓筒， 而XDZK57 則主要對(duì)應(yīng)于西大島的X41～42 號(hào)鋼圓筒。 由于西小島基坑開挖深度較大，且鋼圓筒距離基坑較近，無論從變形還是滲流的角度都比西大島危險(xiǎn)， 是本次分析的控制工況， 特此選擇了兩個(gè)西小島所在位置鉆孔和一個(gè)西大島所在位置鉆孔進(jìn)行分析。

為了充分考慮地層起伏的整體效應(yīng)和鋼圓筒之間的相互作用，研究西小島各鋼圓筒變形分布和總體滲流流量與滲流穩(wěn)定性，對(duì)于西小島進(jìn)行整體三維變形分析。 各工況具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 變形分析結(jié)果單位：cm

計(jì)算分析了XDZK110、XDZK05 以及XDZK57鉆孔在控制工況下的鋼圓筒變形穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果顯示，西人工島最不利地層條件下單圓筒模型得到的變形最大值為53.9 cm， 正常使用極限狀態(tài)安全系數(shù)為1.10，承載能力極限狀態(tài)為2.32，滿足變形穩(wěn)定性要求。西小島整島模型變形分析顯示由于鋼圓筒之間的相互作用，鋼圓筒的變形要小于單圓筒模型計(jì)算結(jié)果，最大位移為38.1 cm。

3.2.2 滲流穩(wěn)定分析結(jié)果

有限元分析工作針對(duì)典型工況下的鋼圓筒滲流穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。通過對(duì)孔壓和上覆土壓力以及土體內(nèi)有效應(yīng)力分析表明，對(duì)于所有工況，基坑的突涌穩(wěn)定性和土體流土穩(wěn)定性均能夠得到滿足。通過分析滲流過程中各層土體的水力坡降進(jìn)一步顯示，在圓筒和副格內(nèi)設(shè)置降水井進(jìn)行降水，能夠有效保證滲流穩(wěn)定性，且抽水量在合理范圍內(nèi)[1]。

下面以XDZK110 鉆孔在控制工況下為例，給出相關(guān)孔壓圖及流速矢量圖。

對(duì)于XDZK110 孔控制工況， 單圓筒有旋噴筒內(nèi)抽水工況的計(jì)算采用島外25 y 一遇高水位，同時(shí)考慮巖體內(nèi)的承壓水水頭。 在計(jì)算中認(rèn)為筒內(nèi)降水與島內(nèi)平齊至-14 m，圓筒和副隔下設(shè)高壓旋噴。

利用流速計(jì)算成果， 結(jié)合各土層滲透系數(shù)可以計(jì)算各土層內(nèi)的水力坡降，從而分析滲流穩(wěn)定性。經(jīng)計(jì)算， 在該工況下島內(nèi)單寬滲流量為0.535 m3/d，筒內(nèi)滲流量為36.70 m3/d。 表2 為各個(gè)土層的最大坡降、 允許坡降和滲流穩(wěn)定安全系數(shù)。 從表2 可以看到，各層土內(nèi)滲流均滿足穩(wěn)定性要求，最小安全系數(shù)出現(xiàn)在2-2-2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中，為11.29。

表2 各土層滲流穩(wěn)定安全系數(shù)

對(duì)于西小島整島有旋噴筒內(nèi)抽水工況的計(jì)算采用島外25 y 一遇高水位， 同時(shí)考慮巖體內(nèi)的承壓水水頭。 在計(jì)算中認(rèn)為筒內(nèi)降水與島內(nèi)平齊至-14 m，圓筒和副格下設(shè)高壓旋噴。

利用流速計(jì)算成果，結(jié)合各土層滲透系數(shù)可以計(jì)算各土層內(nèi)的水力坡降，從而分析滲流穩(wěn)定性。經(jīng)過計(jì)算， 在該工況下島內(nèi)滲流量為131.04 m3/d，筒和副隔內(nèi)滲流量為207.19 m3/d。 表3 為各個(gè)土層的最大坡降、允許坡降和滲流穩(wěn)定安全系數(shù)。從表3可以看出，各層土內(nèi)滲流均滿足穩(wěn)定性要求，最小安全系數(shù)出現(xiàn)在3-2 粉質(zhì)黏土中，為3.97。

突涌穩(wěn)定分析：經(jīng)過有限元計(jì)算，若鋼圓筒內(nèi)進(jìn)行降水至-14 m，并設(shè)置旋噴，島內(nèi)高滲透性巖層頂部孔壓最大值為244.2 kPa，安全系數(shù)為1.43，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 止水效果驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，二次止水帷幕止水試驗(yàn)以島內(nèi)和周邊圓筒內(nèi)停泵狀態(tài)下的滲流量及承壓水層孔隙水壓力兩項(xiàng)指標(biāo)作為止水效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

（1）小島內(nèi)滲流水量小于300 m3/d。

（2）島內(nèi)承壓水位標(biāo)高小于-11 m。

2019年1月15日至2019年1月21日進(jìn)行了為期一周的西小島止水帷幕止水性能試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)將小島分為東側(cè)、西側(cè)兩個(gè)基坑分別計(jì)算。

表4 顯示在二次止水帷幕驗(yàn)證期間，最大日滲流量為104.37 m3/d，小于設(shè)計(jì)給定的控制值300 m3/d。

表4 止水效果驗(yàn)證期間小島滲流量統(tǒng)計(jì)

表5 顯示在二次止水帷幕驗(yàn)證期間，通過孔隙水壓力計(jì)算的承壓水水位最大標(biāo)高為-11.290 m，小于規(guī)定的-11.0 m。

高壓旋噴技術(shù)實(shí)際止水效果滿足設(shè)計(jì)要求，且滲流量低于理論計(jì)算值131.04 m3/d，提高了止水效果。

3.2.4 工程建設(shè)后局部水域流態(tài)

西人工島建設(shè)后，島體對(duì)局部水域漲、落潮流動(dòng)起著顯著的分流作用，在島體的背水面形成尺度較大的環(huán)流。 大潮落潮時(shí)，人工島南側(cè)影響距離島軸線約6 km，人工島北側(cè)影響距離島軸線1.6 km。大潮漲潮時(shí)，人工島北側(cè)影響距離島軸線4.4 km。環(huán)流的形狀和大小隨潮流過程變化。

3.3 陸域形成和地基處理方案

該設(shè)計(jì)主要由島壁結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)回填、 地基處理、擠密砂樁和鋼圓筒內(nèi)地基處理等幾部分組成。

島壁結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)回填和地基處理以鋼圓筒和副格倉島內(nèi)側(cè)鋼板為邊界，面積為10.1 萬m2，島壁結(jié)構(gòu)擠密砂樁面積10.8 萬m2， 鋼圓筒內(nèi)地基處理面積4.1 萬m2。

表5 止水效果驗(yàn)證期間小島孔壓統(tǒng)計(jì)

（1）內(nèi)側(cè)回填：回填范圍為基槽換填頂標(biāo)高-13.0 m至交工標(biāo)高為+4.3 m，包含地基沉降（預(yù)壓和振沖）補(bǔ)填砂；地基處理范圍為海積淤泥層和回填砂層。

（2）島壁結(jié)構(gòu)擠密砂樁：水下擠密砂樁施工主要在鋼圓筒外側(cè)3.5～58.5 m 范圍進(jìn)行， 頂高程到隆起淤泥頂部， 底高程位于淤泥質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土底部。

（3）鋼圓筒內(nèi)地基處理：回填范圍為基槽換填頂標(biāo)高-13.0 m 至筒頂標(biāo)高為+3.5 m， 包含地基沉降（預(yù)壓和振沖）補(bǔ)填砂；地基處理范圍為海積淤泥層和回填砂層。

（4）島體主要采用中粗砂進(jìn)行回填，當(dāng)堆載預(yù)壓能夠達(dá)到工后沉降要求且考慮到固結(jié)沉降和中粗砂的鎮(zhèn)沖密實(shí)后， 西人工島需回填中粗砂約224.9 萬m3（包含島內(nèi)回填量及沉降量、基槽回填量筒內(nèi)回填量）。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合精細(xì)化勘察成果，對(duì)鋼圓筒在振沉和使用過程中的受力狀態(tài)進(jìn)行了全面精細(xì)分析， 對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)提出預(yù)案，確保設(shè)計(jì)方案的合理可靠。

（2）應(yīng)用有限元分析軟件，對(duì)鋼圓筒結(jié)構(gòu)在施工及使用全過程進(jìn)行應(yīng)力、變形、穩(wěn)定及止水的實(shí)時(shí)分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

（3）應(yīng)用BIM 技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)BIM 對(duì)設(shè)計(jì)、施工和管理全過程的指導(dǎo)。

（4）西島圍護(hù)采用直徑28 m 的鋼圓筒，使人工島的穩(wěn)定性增強(qiáng)，挖泥量少，減輕對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響；采用12 臺(tái)振動(dòng)錘聯(lián)動(dòng)振沉系統(tǒng)，提高了振沉能力；采用DSM 船對(duì)水下致密砂層進(jìn)行預(yù)處理；高壓旋噴技術(shù)提高了止水效果。