香港機場第三跑道填海工程插入式鋼圓筒結構設計

唐 云，李 洋，樊亮亮

(1. 中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2. 中國港灣工程有限責任公司，北京 100027)

目前，國內和國際上插入式大圓筒結構的使用案例相對于其他結構較少，實際施工經驗也較匱乏。在我國，插入式鋼圓筒結構僅在港珠澳大橋東、西人工島的臨時島壁等結構中成功運用[1-3]。國外規范中，德國規范[4]和美國規范[5]目前主要對格型鋼板樁結構的理論較為完善，而對于插入式鋼圓筒結構的設計只給出了一些簡單的規定；日本國際臨海開發研究中心OCDI規范[6]對于插入式鋼圓筒的結構設計有一套相對完善的理論體系，但是由于該體系完全獨立于其他的相關理論，部分理論計算方法還難以驗證。

香港機場第三跑道填海工程基于插入式大圓筒結構施工速度快、可以滿足快速成島要求的特點，將該結構作為陸域形成施工的臨時圍蔽結構。本文以香港機場第三跑道填海工程中大圓筒結構設計為例，依據OCDI規范中的二維理論進行結構設計，并采用Plaxis 3D對結構計算進行復核，研究成果可為插入式鋼圓筒的結構設計提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

香港機場第三跑道項目填海造地面積約650萬m2，海堤總長為13.1 km，其工程平面布置見圖1。圖中左上角突出部分的海堤工程擬采用插入式鋼圓筒作為臨時圍蔽結構進行填海造地。

圖1 工程平面布置

1.2 自然條件

1.2.1水位

該工程的設計潮位為：最高天文潮位2.80 m(香港主基準平面水位，下同)，平均高高潮位2.11 m，平均低高潮位1.51 m，平均海平面1.25 m，平均高低潮位0.92 m，平均低低潮位0.36 m。

1.2.2波浪情況

該工程的設計波浪要素見表1。

表1 設計波浪要素表

1.2.3地形及地質資料

本工程位于香港現有機場的北側，工程所在地分為淺灘區和深海區，淺灘區原泥面高程為-6.0～-5.0 m，深海區原泥面高程為-8.5～-7.0 m。工程區域的表層有10～30 m厚的軟黏土，場區上部主要土層及其物理力學指標見表2。

表2 主要土層物理力學指標

1.3 工程難點

1)整個工程區域的表層有10～30 m厚的沉積軟土層，考慮到環保的要求，業主明確提出不能對該部分進行開挖換填處理，避免造成大面積的污水漫流。因此，若采用常規海堤結構，對于海堤基礎須進行大面積的海上地基處理。

2)填海造地工期約4 a，開工后2.5 a提交跑道和滑行道區域的陸域。采用傳統的水上地基處理的方案類似水上水泥攪拌樁(DCM)等，造價高且工期長，將嚴重制約海堤上部結構以及陸域回填、地基處理的施工時間，且需要投入大量的船機設備，交界面多，現場協調難度大。

3)由于工程靠近現有機場，施工區域作業限高在15～50 m之間，對施工船機、設備等造成了較大限制。

基于上述難點，最終提出采用插入式鋼圓筒作為陸域形成臨時圍蔽結構的設計方案。該方案不需要對地基進行開挖換填或采用水上DCM進行地基處理，對環境影響小，施工速度快，大幅降低了工程造價，優勢明顯。

2 設計方案

2.1 大圓筒平面布置

本項目在海堤里程5+651～9+536范圍內擬采用插入式鋼圓筒臨時結構方案，見圖2。

圖2 大圓筒平面布置

2.2 海堤結構方案

考慮到設計使用年限長達100 a，而鋼圓筒耐久性尚達不到要求，因此海堤工程僅將插入式鋼圓筒作為快速成島及地基處理的臨時圍蔽結構。

本方案施工期采用119個圓筒整體形成止水系統，鋼圓筒的直徑為30 m、壁厚18 mm，筒頂高程為3.0 m，原泥面高程為-7～-6 m，圓筒須打入硬黏土層或砂層不少于1 m，圓筒底高程為-41和-23 m兩種，圓筒最大設計高度為44 m，單件最大質量約820 t。

在完成地基處理后，挖除鋼圓筒內的回填料并部分割除上部鋼圓筒，在剩余結構上部建設永久護岸結構，見圖3。

圖3 海堤結構(高程：m；尺寸：mm)

2.3 施工工序

工程擬先采用插入式鋼圓筒快速成島，再采用降水聯合堆載預壓法進行永久地基處理。海床面拋填2 m厚砂墊層后回填砂至3.0 m，陸上施打塑料排水板(間距1.0～1.2 m、正三角形布置，均長27～31 m)，再布置降水井(間距20 m、正方形布置)，降水至-5.0 m后，陸域回填至6.0 m及分級堆載砂至7.5 m，滿載9～10個月殘余沉降滿足要求后卸載，施工工序如下：

1)工序1：施打鋼圓筒以及副隔，筒內回填砂至3.0 m，桶內施工塑料排水板。

2)工序2：陸側回填砂至3.0 m，陸域施工塑料排水板，筒頂3.0～6.0 m范圍內安放沙袋，筒內水位降至-5.0 m。

3)工序3：陸側水位降至-5.0 m，陸域回填至6.0 m，分級堆載砂至7.5 m。

4)工序4：卸載并拆除鋼圓筒的沙袋，后方陸域局部開挖至-1 m高程。挖出鋼圓筒內的回填砂，對-1 m以上的海側鋼圓筒進行切割。

5)工序5：回填堤心石、護面并澆筑擋浪墻。

3 結構驗算

工程基本理論基于OCDI規范中的二維設計理論，同時采用三維計算進行復核，確保了設計方案的安全性。計算主要復核的工序為：1)工況1：施打圓筒，筒內砂回填至3.0 m；2)工況2：筒內降水至-5.0 m，筒頂堆填沙袋至6.0 m，陸域回填至3.0 m；3)工況3：陸域降水-5.0 m，待筒后土體強度有一定增長后，陸域回填至7.5 m。

3.1 二維計算

二維計算方法主要參考OCDI規范，將空間的鋼圓筒簡化為平面問題，在保證筒內填料和圓筒結構作為一個整體的情況下，建立抗力和位移的相互關系，進而計算結構的位移和地基抗力。對施工過程中的最不利工況以及結構的最終使用狀態進行驗算，通過結構抗傾覆計算、結構位移、地基承載力安全系數和圓筒底部抗滑安全系數，判定結構的穩定性。

3.1.1等效截面寬度計算

在一個標準段內，通過面積等效的方法，計算出等效寬度，見圖4。本工程一個結構段的長度為33 m，結構段面積為905 m2，等效寬度為27.42 m。

圖4 等效截面寬度計算(單位：mm)

3.1.2底部抗滑安全系數

圓筒底部抗滑安全系數Fs的計算公式為：

(1)

式中：Qa為滑動力(kN)；W為壁體重力；pv為作用于前后壁的土壓力的垂直分布；φ為底面地基土層的內摩擦角(°)；C為底面地基土層的黏聚力(kPa)；B為地基反力為正的壁體底面寬度。

3.1.3地基反力系數及結構位移計算

二維位移計算將簡化后的二維圓筒假定為一個剛體，圓筒與底部土體的作用采用施加底部土體彈簧來模擬，圓筒與被動區土體的作用采用被動區土體彈簧模擬，隨后在二維圓筒剛體上施加主動土壓力、波浪力、動水壓力、剩余水壓力等荷載，最后受力平衡狀態下獲得相應的結構二維位移。

鋼圓筒與被動區土體的作用彈簧剛度，采用水平土抗力系數KH來模擬，公式為：

KH=2 000N

(2)

式中：N為土體標貫擊數。

鋼圓筒與底部土體的作用彈簧分為水平剪切彈簧和豎向彈簧，水平向剪切彈簧的剛度采用水平剪切土抗力系數模擬，豎向彈簧的剛度采用豎向土抗力系數模擬，公式為：

KV=3KS

(3)

式中：KV為豎向土抗力系數(kNm3)；KS為水平剪切土抗力系數(kNm3)，取值為同一高程處水平土抗力系數。

圓筒結構底部地基承載力的驗算，可根據OCDI中的建議，采用畢肖普圓弧滑動法進行驗算。

3.1.4結構抗傾覆計算

為保證筒內填料和筒體結構作為整體結構，須沿原泥面處進行抗傾覆穩定性驗算，計算原則為：

Mr-Md≥0

(4)

Md=paha+pwhw+ptht-pphp

(5)

式中：Mr為格倉內部填料產生的抵抗力矩設計值(kN·m)；Md為計算底面以上墻體背后的荷載對墻體計算底面處產生的傾覆力矩(或稱變形力矩)設計值(kN·m)；pa、ha為主動土壓力標準值(kN)及其作用高度(m)；pw、hw為剩余水壓力標準值(kN)及其作用高度(m)；pt、ht為波浪力標準值(kN)及其作用高度(m)；pp、hp為被動土壓力標準值(kN)及其作用高度(m)。

格倉內部填料產生的抵抗力矩標準值，可按下列公式計算：

(6)

(7)

V0=BH0

(8)

(9)

式中：Mro為填料抵抗力矩標準值(kN·m)；R0為變形反抗系數；V0為換算寬高比；B為換算墻體寬度(m)；H0為換算墻高(m)；ρ為填料的換算密度標準值(tm3)；ρi為第i層填料的密度標準值(tm3)；hi為第i層填料的高度(m)；φ為內部填料的內摩擦角標準值(°)。

3.1.5計算結果

二維計算只驗算最危險的工況2(工況3的陸域降水對圓筒穩定性有利)，驗算結果見表3。可看出，工況2的各項安全系數能夠滿足規范要求。

表3 二維穩定性驗算結果

3.2 三維計算

插入式鋼圓筒結構的三維穩定性計算，依托Plaxis 3D軟件，將筒體和土體進行三維建模，筒體采用彈塑性本夠模型，土體采用摩爾庫侖模型，根據土體在各個階段的不同特性選用相應的土體類型，準確地模擬筒體和土體的實際作用情況。

3.2.1計算模型

Plaxis 3D圓筒和土體模型見圖5。

圖5 Plaxis 3D圓筒和土體模型

3.2.2計算結果

工況2、3的圓筒結構整體穩定和位移計算結果見表4。可看出，施工期各工況累計位移在30 cm左右，整體穩定安全系數大于1.2，結構較為安全。

表4 結構整體穩定及位移三維計算結果

4 結論

1)采用OCDI的二維計算理論進行插入式鋼圓筒結構設計是安全的，但由于二維計算中對于土體剛度采用二維彈簧模擬，無法考慮三維整體剛度變化，其位移計算結果嚴重偏小，三維計算的結構位移值更為可信和接近實際。

2)當地基軟土較厚時，陸域形成的圍蔽結構采用插入式鋼圓筒結構無須進行地基處理，施工速度快、造價低、對環境影響小。

3)本設計方案充分運用了插入式鋼圓筒結構的施工優越性，另一方面將該結構作為臨時結構，規避了鋼圓筒作為永久結構而導致的后續維護費用高、耐久性較差等弊端，為插入式鋼圓筒在填海造陸工程中的應用提供了借鑒。