深厚軟基上澳門機場護岸設計技術

葉上揚，劉術儉，顧寬海，張逸帆

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

在一些填海造地或者濱海景觀大道等臨海工程中，常常需要在深厚軟土地基的臨海或迎水側新建護岸，一般常采用斜坡式護岸作為擋水擋土結構。此種護岸結構設計、施工簡單，單項施工造價低，但同等規劃尺度下該護岸形式占用水域陸域范圍較大[1]，影響海洋水流流態，破壞海洋生態環境，而且護岸坡面容易受海水沖刷、侵蝕等造成護岸破壞。現實工程建設中往往受海域、河道水域以及陸域場地等限制，無法采用斜坡式護岸結構，為此需要研究能夠適應深厚軟土地質條件，且防滲止水能力強、節約空間、擋土高度高的擋墻結構。

在深厚軟土地基的回填工程中新建護岸，結構變形控制、地基承載力和施工工藝選擇往往是關鍵，目前國內外部分學者已經對軟基上的護岸工程進行了一些研究[2-4]，而針對深厚軟土地基同時受復雜環境條件限制下的護岸研究較少。因此結合結構變形控制、地基承載力和施工工藝深入、系統地開展相關設計技術研究是十分有意義的。

本文以澳門國際機場擴建工程為實例，針對深厚軟土地質和復雜環境條件，限時、限高等機場特殊施工條件，開展護岸相關關鍵技術研究，提出了較好的解決方案，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

澳門國際機場擴建需要圍填造陸，根據《澳門機場擴建方案水利研究報告》研究成果[5]，機場跑道人工島西側三角區水域圍墾，將改變上、下水域的連通現狀，可能會對周邊水域的生態環境及機場西側陸域排水等產生不利影響。為了實現機場南北兩端水體交換，在靠近機場現有跑道處，布置一條貫穿機場填土區的排洪道。排洪道長1 250 m、寬80 m，走向與現狀機場人工跑道平行布置，距離人工跑道直線距離220 m，排洪道兩側須新建護岸[6]。排洪道平面布置見圖1。

澳門機場西側現狀水域水深在-6.0～0.0 m，工程地質軟土層深厚，場區表土沉積物推斷主要為海相沉積物及沖積土層，海相沉積層主要為淤泥，厚度12～22 m，主要呈流塑-軟塑狀，海相沉積層以下為沖積土層，厚度4.5～53.5 m，主要呈可塑-硬塑，土體物理參數取值見表1。

圖1 排洪道平面布置(單位:m)

表1 土體物理參數

2 工程特點與難點分析

2.1 周邊環境條件復雜

本工程在機場擴建回填區中部設置有永久排洪道，永久排洪道將整個回填區一分為二，其中排洪道東側距離原有機場僅220 m左右，排洪道的北側為機場北聯絡橋，南側為機場南聯絡橋，機場周邊相關設施包括陸域部分和海域部分，其陸域部分自北向南分別為北安碼頭、建筑廢料堆填區、路環電廠及九澳港西側碼頭等設施，海域部分包括周邊水域的航道及錨地。

2.2 地質條件差

根據本工程地質勘察和地形測量資料顯示，工程區域地質條件差，軟土覆蓋層深厚，上部土層主要為淤泥層，淤泥層厚度達12～22 m，淤泥土層含水量高，土體指標差。

2.3 場地施工限制條件多

根據民航局規定，跑道每周一、三、五在凌晨4:00—6:00停用，在跑道停用階段，跑道以西300 m范圍內可進行施工，其他時間不能進行任何施工活動；南北聯絡橋間正常水深在0～1 m，大型駁船不能駛入；跑道西部300 m范圍內有高度限制，限制高度22 m。

2.4 防洪、機場等使用要求高

本工程排洪道具有實現機場南北兩端水體交換、機場防洪以及機場場地護岸等多種功能,護岸結構的設計需要滿足防洪、過流以及后方機場場地的使用要求，澳門機場防洪等級高、機場場地對護岸結構的使用要求高。

3 設計方案

3.1 結構選型

護岸結構選型須遵循以下原則：1)護岸結構須適應本工程區域水深較深、軟土覆蓋層深厚的地形地質條件；2)護岸結構形式應使回填海工程對周邊水文環境的影響盡量小；3)護岸結構施工工藝盡量單一、簡單，適應現場施工條件，方便材料、構件的運輸；4)積極采用科技新成果，充分考慮新結構新技術可能帶來的風險以及解決問題的方法；5)圍堤結構選型應滿足工程投資的經濟合理性。

在回填工程中新建護岸常常采用斜坡式結構，為了保證堤岸的穩定，堤身總寬度較大。在本工程建設中，由于受海域以及陸域場地等限制，無法采用斜坡式護岸結構。本文根據工程區地形、地質、水文、波浪等自然條件以及后方陸域回填使用情況，提出4種適合深厚軟土地質的直立式結構，依次為：前板樁后樁基的高樁承臺結構形式、低樁扶壁式結構形式、斜頂板樁結構形式和拉錨板樁結構形式，見圖2。

圖2 結構形式斷面(高程：m)

低樁扶壁式結構可靠性好、總體位移變形小、低樁基礎地基承載力可以滿足使用要求，適用于深厚軟土地基，堤身高度適用范圍為6～15 m。本工程受施工條件限制影響，扶壁結構采用現場澆筑，須大開挖形成干地施工條件，基坑開挖面大、回填土滲水量大，若做好止水，投資大、不合適。

斜頂板樁結構對軟土地基適應性較強，施工工序較簡單，施工速度較快，使用期位移較大。大管樁單排斜頂樁適用堤身高度不大于10 m，大管樁雙排斜頂樁適用堤身高度10～15 m。本工程受施工限高影響，另外打樁船也無法進入該區域，施工不可行。

拉錨板樁結構技術方案成熟，并已在多處沿海接岸工程中得以應用，對軟土地基適應性較強，但施工工序復雜，需與后方陸域回填的工序充分協調合理安排，施工工期較長，而且需要一定的拉錨空間，該結構適用于后方沉降控制要求不高的工程，堤身高度為8～15 m，本工程工期較緊，也不是最優選擇。

前板樁后樁基的高樁承臺結構具有適合于深厚軟土地基、承載能力強、變形小、施工適應強等特點，適用于空間較狹窄的區域，可以使得圍堤結構永久安全穩定。考慮到本工程限高、大型設備難以進場等情況，樁基可采用鉆孔灌注樁，并可采用接高施工，可以滿足建設要求。通過綜合比較深厚軟土適應性、地基承載力、整體變形、施工便利性、工程費用等因素，考慮采用前板樁后樁基的高樁承臺結構。

3.2 結構方案

溢洪道護岸采用高樁承臺板樁式結構，承臺頂寬0.5 m，墻身厚0.5～0.8 m，墻頂高程8.30 m。底板寬10.0 m、厚1.0 m，前排樁采用φ1 000 mm灌注樁樁長25 m，間距1 150 mm。前排板樁后設置雙排高壓旋噴樁，施工期可以止水，使用期防止后方土體滲漏。并在前排密排灌注樁前設置混凝土擋板，防止在水流波浪的作用下后方土體滲漏，旋噴樁樁長22 m。后排樁采用φ1 200 mm灌注樁樁長25 m，間距1 500 mm。其結構斷面見圖3。

圖3 排洪道護岸斷面(高程：m；尺寸：mm)

4 結構計算

4.1 計算方法

高樁承臺結構設計須進行穩定性和結構計算。穩定性驗算可采用圓弧滑動法，結構計算主要方法有經典土壓力計算法、豎向彈性地基梁法、連續介質有限元法等。豎向彈性地基梁法是將樁視為豎放于文克爾地基中的彈性地基梁，以地基系數法來計算板樁墻入土段的土抗力，考慮了入土段墻體的變形對土抗力分布的影響。針對大部分規范所推薦采用的m法，樁的撓曲線微分方程變為：

(1)

式中：E為樁材料彈性模量(kNm2)；I為樁的慣性矩(m4)；y為樁的水平變位(m)；x為樁的入土深度(m)；b0為樁的計算寬度(m)；m為地基反力系數隨深度變化的比例系數(kNm4)。

m法微分方程可以采用冪級數法、有限差分法、有限元法等求出其數值解。工程中一般采用通用有限元軟件進行求解，其設計過程如下：

1)按照構件尺寸進行實體建模。

2)對預制樁增加約束。樁基軸向剛性系數采用下列公式計算軸向剛性系數[7]：

(2)

C=TcQud

(3)

式中：K為樁的軸向剛性系數(kNm)；L0為樁在計算泥面以上長度(m)：Ep為樁材料的彈性模量(kPa)；Ap為樁身截面面積(m2)；C為樁入土部分單位變形所需軸力(kNm)；Tc為系數，宜取115～145；Qud為單樁垂直極限承載力標準值(kPa)。

樁寬度計算方法參見JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》附錄P[8]。樁的水平地基抗力系數取值采用m法，剛度系數為：

K=m0b0h0Z

(4)

(5)

(6)

式中：K為樁的水平向地基抗力系數(kNm)；m0為考慮群樁系數的土體水平向抗力系數的比例系數(kNm4)；Z為彈簧距泥面深度(m)；h0為土體單元高度(m)；k為平行于水平力作用方向的樁間相互影響系數；kf為樁形換算系數，視水平力作用面而定，圓形截面取0.9，矩形截面取1.0；d為樁徑；L1為平行于水平力作用方向的樁間凈距離；h1為地面或局部沖刷線以下樁的計算埋入深度，取為3(d+1)；b2為系數，與平行于水平力作用方向的一排樁的樁數有關。

當水平荷載方向樁間距小于8倍樁徑時，屬于群樁基礎，還需要考慮群樁折減率。

m0=ξm

(7)

(8)

式中：m為土體水平向抗力系數的比例系數(kNm4)；ξ為群樁折減率；SD為水平荷載方向距徑比；u為沿水平荷載方向每排樁的樁數；v為垂直水平荷載方向每排樁的樁數。

3)對結構施加自重、后方均載、土重、水重、土壓力、水壓力，并計算結構內力。

4)按規范要求，對樁基礎豎向、水平向承載力和裂縫寬度進行驗算，對擋墻變形、應力以及裂縫寬度進行驗算。

4.2 模型建立

機場溢洪道護岸墻前泥面線-0.7 m，后方填土高度8.0 m，護岸頂高程8.3 m。采用豎向彈性地基梁法，利用結構計算軟件Auto Robot進行建模計算，模型沿河道方向取10 m作為研究對象。L形擋墻立板與底板采用板單元進行模擬，預制樁基采用梁單元模擬。對樁底施加豎向彈簧約束，對樁身施加水平向彈簧約束。前板樁后樁基高樁承臺結構三維模型見圖4。

圖4 前板樁后樁基高樁承臺結構三維模型

4.3 計算結果

在深厚軟土地基的回填工程中新建護岸結構，結構的變形控制、地基承載力往往是設計的關鍵。樁基內力和結構變形計算結果可見表2。

表2 計算結果

根據內力計算結果驗證結構配筋，擋墻的變形、承載力以及裂縫寬度以及樁基豎向承載力、水平承載力和裂縫寬度均滿足規范和使用要求。

5 施工工藝

根據機場擴建最新規劃要求，海泥回填區域在東西兩方向須分別與機場人工島、停機坪相接，南北側與機場南北聯絡橋相鄰，整個回填區域中部預留永久排洪道，排洪道接近機場人工島，將整個回填區域分割成兩塊，西側回填面積較大，東側回填面積較小。

為了更好地實施海泥回填，降低中部排洪道對整體回填的影響，針對排洪道區域采用先填后挖的整體實施思路，一方面可使整個回填區作為一個整體進行實施，另一方面可為排洪道護岸工程創造內側干地施工條件，降低回填工序對護岸岸壁結構的影響。同時，開挖出的回填料尚可用于后期工程的陸域回填。

南北聯絡橋間正常水深在0～1 m，大型駁船不能駛入，且漲水時水面離橋底只有1 m，海上通道僅可利用小船在聯絡橋底通過；其次，在限高區域，不能使用一般意義上的施工機械。考慮以上限制，對施工工藝、設備選型有巨大影響，因此本工程主要采用鉆孔灌注樁和現澆擋墻施工工藝，減小了施工難度，從而適應本工程苛刻的施工限制條件。

6 結語

1)在深厚軟土地基同時受復雜環境條件限制條件下的回填工程中新建護岸，現實工程建設中往往受海域、河道水域以及陸域場地等限制，結構變形控制、地基承載力和施工工藝選擇往往是關鍵。

2)在綜合考慮工程各種不利條件的情況下，本文提出了4種結構方案，并說明了每個方案的適用范圍，不僅豐富了深厚軟土地質條件的直立堤結構形式，使得直立堤結構形式更具有選擇性。

3)本文提出的前板樁后樁基的高樁承臺結構方案，能較好地解決深厚軟土、環境復雜、限時、限高等機場特殊施工條件下的護岸變形控制、地基承載力和施工難題，可為類似工程提供借鑒。