深厚軟土覆蓋層離岸海中錨碇圍堰筑島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

萬(wàn) 猛，劉建波，楊蘇海，吳啟和

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430014； 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430014； 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430014)

1 工程概況

深中通道北距虎門大橋約30km，南距港珠澳大橋約38km，東起機(jī)荷高速，跨越珠江口，西至中山馬鞍島，工程全長(zhǎng)24.03km，其中跨海段長(zhǎng)22.39km，采用100km/h設(shè)計(jì)速度、雙向8車道高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是集“橋、島、隧、地下互通”為一體的系統(tǒng)集群工程。伶仃洋大橋作為控制性工程，為(580+1 666+580)m三跨全漂浮鋼箱梁懸索橋(見圖1)。伶仃洋大橋東錨碇基礎(chǔ)為重力式錨碇，采用“∞”形地下連續(xù)墻基礎(chǔ)作為基坑開挖施工階段的支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨碇基礎(chǔ)頂標(biāo)高+3.000m，底標(biāo)高-39.000m。地下連續(xù)墻直徑2×65m，厚1.5m，嵌入中風(fēng)化花崗巖層5m，內(nèi)襯厚度1.5m/2.5m/3m，地下連續(xù)墻底標(biāo)高-44.600～-63.000m。

圖1 伶仃洋大橋總體布置(單位：m)

伶仃洋大橋跨越珠江口航運(yùn)繁忙的10萬(wàn)噸級(jí)伶仃航道，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)及華南沿海臺(tái)風(fēng)區(qū)，降水量多且強(qiáng)度大。東錨碇區(qū)平均水深約5m，平均潮差0.85～1.70m，常水位高程+0.520m。

工程地勘揭示，東錨碇區(qū)上部②大層分布連續(xù)穩(wěn)定，層厚18.8～23.2m，厚度分布不均勻，力學(xué)性質(zhì)差，多分布有②2淤泥、②4粉砂、②22粉質(zhì)黏土；中部③大層分布較為連續(xù)，以③6中砂層為主，夾③5細(xì)砂層，③大層層厚變化較小，但土質(zhì)不均勻，差異明顯，力學(xué)性質(zhì)一般；下伏基巖為花崗巖，埋深起伏較大，全強(qiáng)風(fēng)化層厚度為3.8～22.9m，中風(fēng)化巖面起伏較大，頂面標(biāo)高在-38.840～-59.460m，下伏中風(fēng)化基巖物理性質(zhì)較好。

2 圍堰筑島總體設(shè)計(jì)

伶仃洋大橋東錨碇基礎(chǔ)為離岸海中重力式錨碇，東錨碇區(qū)域距海岸約10km，全海上施工難度較大。為保證東錨碇基礎(chǔ)施工安全、便捷，東錨碇區(qū)域采用圍堰筑島方案，將水上施工環(huán)境轉(zhuǎn)換為陸上施工環(huán)境。

為減少圍堰筑島施工對(duì)橋位處水動(dòng)力的影響，東錨碇基礎(chǔ)選用直立式圓形圍堰筑島結(jié)構(gòu)形式。為實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定成島，東錨碇圍堰采用鎖扣鋼管樁/工字形板樁組合圓形圍堰結(jié)構(gòu)形式，圍堰直徑150m，圍堰施工完成后回填砂筑島快速形成陸域施工環(huán)境，筑島回填高度8m(見圖2)。

圖2 東錨碇圍堰筑島總體布置(單位：m)

圍堰鋼管樁采用φ2 000×18無縫鋼管，共計(jì)158根，樁長(zhǎng)38m，樁頂標(biāo)高+6.500m、樁底標(biāo)高-31.500m，鋼管樁中心間距2.95m。工字形板樁規(guī)格為H770×80，腹板和翼緣板厚度14mm。鋼管樁和工字形板樁通過鎖扣連接，鎖扣采用C形鋼管，與鋼管樁焊接連接，C形鋼管規(guī)格為φ180×14(見圖3)。

圖3 鋼管樁+板樁+鋼箱圍箍連接

圍堰合龍施工完成后，沿鋼管樁外側(cè)設(shè)置平行鋼絲索環(huán)向圍箍結(jié)構(gòu)，平行鋼絲索由187根φ5mm平行鋼絲組成，共設(shè)置7層，頂標(biāo)高+5.000m、底標(biāo)高+3.500m，豎向間距25cm。圍堰內(nèi)側(cè)分層回填砂后做硬化混凝土路面，最終路面頂標(biāo)高+3.500m。圍堰外側(cè)沖刷防護(hù)采用水下模袋砂/模袋混凝土組合防護(hù)結(jié)構(gòu)，模袋混凝土厚度0.6m，寬度39.15m，采用分級(jí)放坡，設(shè)兩級(jí)斜坡、兩級(jí)反壓護(hù)道(見圖4)。

圖4 圍箍與沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)

3 圍堰筑島設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 地下連續(xù)墻施工平臺(tái)方案選擇

截至目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)懸索橋錨碇基礎(chǔ)均位于陸地，對(duì)于離岸海中橋梁，選擇合適的施工平臺(tái)方案，變水上施工為陸上施工是錨碇基礎(chǔ)地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵。經(jīng)調(diào)研，深中通道東錨碇地下連續(xù)墻施工可采用鋼平臺(tái)+鋼導(dǎo)墻方案、鋼圍堰+筑島方案、模袋砂筑島方案等。

1)鋼平臺(tái)+鋼導(dǎo)墻方案 采用搭設(shè)鋼平臺(tái)作為地下連續(xù)墻施工作業(yè)平臺(tái)，由于錨碇區(qū)存在深厚軟土覆蓋層，為保證地下連續(xù)墻成槽質(zhì)量，需設(shè)置鋼導(dǎo)墻作為地下連續(xù)墻成槽護(hù)壁結(jié)構(gòu)，鋼導(dǎo)墻沿地下連續(xù)墻內(nèi)外側(cè)分別布置1排鎖扣鋼管樁，平面結(jié)構(gòu)形式為“∞”形。鋼導(dǎo)墻施工前，采用深層DCM樁對(duì)地下連續(xù)墻兩側(cè)軟土覆蓋層進(jìn)行加固處理。

2)鋼圍堰+筑島方案 采用搭設(shè)鋼管(板)樁圍堰將水上施工環(huán)境轉(zhuǎn)換為陸上施工環(huán)境。圍堰搭設(shè)完成后，在圍堰外側(cè)設(shè)置圍箍結(jié)構(gòu)，島內(nèi)回填砂至指定標(biāo)高。地下連續(xù)墻兩側(cè)采用2排直徑85cm、搭接長(zhǎng)度25cm的三軸攪拌樁加固以滿足地下連續(xù)墻成槽階段穩(wěn)定性，島內(nèi)剩余區(qū)域采用直徑80cm、間距2m的攪拌樁加固以加速回填砂固結(jié)沉降。由于筑島尺寸較大，為保證錨碇地下連續(xù)墻施工安全，圍堰合龍后需在外側(cè)設(shè)置沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)，兼顧平衡島內(nèi)回填砂荷載。

3)模袋砂筑島方案 采用分層鋪設(shè)模袋砂將水上施工環(huán)境轉(zhuǎn)換為陸上施工環(huán)境。模袋砂分層鋪設(shè)完成后，在島內(nèi)回填砂至指定標(biāo)高。地基處理方法同鋼圍堰+筑島方案，不再贅述。

結(jié)合本工程特點(diǎn)，對(duì)比分析不同方案的適用性，如表1所示。

表1 地下連續(xù)墻施工平臺(tái)方案比選

綜合考慮地下連續(xù)墻施工工期、建造成本、施工質(zhì)量、施工期安全等因素，最終選用鋼圍堰+筑島方案，總體施工工藝流程為：圍堰區(qū)域軟基處理→圍堰鋼管樁施工→圍堰圍箍施工→回填筑島施工→外圍防護(hù)施工→攪拌樁施工→導(dǎo)墻施工→地下連續(xù)墻施工。

3.2 鎖扣鋼管(板)樁組合圍堰筑島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，伶仃洋大橋東錨碇圍堰采用鎖扣鋼管樁/工字形板樁組合圓形圍堰結(jié)構(gòu)形式，鋼管樁作為主要承力結(jié)構(gòu)，工字形板樁兼顧擋土、傳力，圍堰結(jié)構(gòu)整體剛度適中、受力清晰、導(dǎo)流性好，CT形鎖扣容錯(cuò)率較大，施工快速、方便。

考慮到圍堰筑島施工期較長(zhǎng)，施工期面臨離岸、臺(tái)風(fēng)影響頻發(fā)、深厚軟土地基等不利環(huán)境因素，需對(duì)圍堰筑島施工不同階段開展結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)核，以保證圍堰筑島施工安全。根據(jù)不同施工階段，共考慮3種計(jì)算工況，根據(jù)規(guī)范要求采用不同荷載組合形式，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 圍堰筑島結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果匯總

經(jīng)計(jì)算，3種計(jì)算工況下，圍堰鋼管樁最大變形值在允許范圍之內(nèi)，鋼管樁、工字形板樁、鎖扣和平行鋼絲索圍箍最大應(yīng)力值均在結(jié)構(gòu)允許范圍之內(nèi)，滿足安全施工及規(guī)范要求。此外，通過對(duì)軟弱淤泥層采用塑料排水板加固處理，并在圍堰外側(cè)設(shè)置模袋混凝土反壓護(hù)道，會(huì)進(jìn)一步減小鋼管樁結(jié)構(gòu)變形及樁身應(yīng)力，進(jìn)而提升圍堰結(jié)構(gòu)的安全性。

3.3 筑島地基處理

地勘結(jié)果顯示，伶仃洋大橋東錨碇區(qū)存在厚度不等的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，平均厚度8～13m，屬欠固結(jié)土，呈流塑狀，具有含水量高、孔隙比大、高壓縮性、強(qiáng)度低等特點(diǎn)。目前針對(duì)軟土地基處理方案主要包括置換法、排水固結(jié)法、復(fù)合地基法等，通過地基處理改善地基土的抗剪強(qiáng)度、壓縮性、滲透性、動(dòng)力特性和特殊土的不良地質(zhì)特性，提高地基的穩(wěn)定性和承載能力，以保證圍堰筑島結(jié)構(gòu)施工期安全和錨碇基礎(chǔ)地下連續(xù)墻成槽施工質(zhì)量。

本工程軟基處理異于常規(guī)軟基加固，既考慮筑島回填土體固結(jié)，還需考慮后續(xù)地下連續(xù)墻及錨碇基礎(chǔ)施工安全。基于此，結(jié)合工程特點(diǎn)，針對(duì)離岸、深厚淤泥軟弱土層，提出了水下開挖清淤+水下塑料排水板+砂石墊層排水固結(jié)方案(見圖5)，借助筑島圍堰回填土體，加快軟土地基承載力增長(zhǎng)，縮短軟基固結(jié)等待時(shí)間，提高施工工效。相比復(fù)合地基方案，具有適用性好、施工快捷、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 東錨碇筑島圍堰地基處理

為加快深厚、軟弱淤泥土層固結(jié)，保證水下塑料排水板沿豎向形成順暢的排水通道，塑料排水板施工前，對(duì)錨碇區(qū)220m范圍水下開挖清淤至-7.0m，為保證基坑穩(wěn)定性，開挖坡比設(shè)計(jì)為1∶8。砂墊層、碎石墊層拋填直徑240.0m，砂墊層拋填厚度3.0m，碎石墊層拋填厚度0.5m。塑料排水板采用C形排水板(寬度100mm，厚度≥4.5mm)，施工直徑200m，間距80cm，設(shè)計(jì)插設(shè)深度25m，排水板底部進(jìn)入中砂層，地下連續(xù)墻局部區(qū)域不進(jìn)行塑料排水板施工。

3.4 柔性圍箍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合工程特點(diǎn)，圓形組合圍堰結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的擋水圍堰結(jié)構(gòu)，既要考慮圍堰外側(cè)水流力、波浪力等外部荷載，還需考慮圍堰內(nèi)側(cè)筑島完成后回填土體的側(cè)向土壓力荷載，不同施工階段筑島結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜?；诖?，為有效平衡圍堰外部荷載與內(nèi)部荷載，本工程借鑒“環(huán)箍效應(yīng)”，研發(fā)了一種自適應(yīng)組合圓形筑島圍堰變位的平行鋼絲索柔性“自平衡”約束裝置，通過在圍堰上部外側(cè)設(shè)置平行鋼絲索對(duì)組合圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行環(huán)向約束，圍堰向外變形越大，“環(huán)箍效應(yīng)”越明顯，最終達(dá)到管樁與索股的協(xié)調(diào)變形，并可通過二次調(diào)索釋放平行鋼絲索應(yīng)力，進(jìn)一步改善組合圍堰受力。

考慮到東錨碇筑島圍堰直徑較大，單根平行鋼絲索長(zhǎng)度達(dá)480m，與圍堰鋼管樁共158個(gè)接觸點(diǎn)。為減少平行鋼絲索在鋼管樁表面的摩擦阻力，同時(shí)考慮施工便利性，采用分段安裝、分層張拉工藝，單根平行鋼絲索共分6段安裝，單段長(zhǎng)度約80m，與鋼管樁接觸位置設(shè)置四氟滑板，保證受力均勻。分段平行鋼絲索之間連接位置設(shè)置張拉及錨固系統(tǒng)，由錨具異形螺母、2根φ40mm精軋螺紋鋼和4個(gè)φ40mm精軋螺紋鋼套筒組成，直徑φ40mm精軋螺紋鋼筋的破斷力不小于1 500kN。

考慮到圍堰回填土體高度較大，圍箍結(jié)構(gòu)分層設(shè)置數(shù)量、高度需綜合考慮鎖扣鋼管樁連接位置結(jié)構(gòu)應(yīng)力、平行鋼絲拉力、張拉及錨固系統(tǒng)拉桿受力等。經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，最終確定采用7根φ7×91平行鋼絲索，平行鋼絲索圍箍頂標(biāo)高+5.000m，底標(biāo)高+3.500m，豎向間距25cm，平行鋼絲設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1 760MPa。考慮到平行鋼絲處于海洋環(huán)境，采用PE防護(hù)套+鍍鋅防腐體系，以保證圍箍結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用安全(見圖6)。

圖6 平行鋼絲索柔性約束裝置

3.5 圍堰外圍組合防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到錨碇基礎(chǔ)施工期長(zhǎng)，受臺(tái)風(fēng)影響頻繁，河床沖刷將直接影響組合圍堰結(jié)構(gòu)安全。相比傳統(tǒng)的圍堰外側(cè)拋石防護(hù)，水下模袋混凝土結(jié)構(gòu)具有整體性好、施工便捷、抗沖刷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合工程特點(diǎn)，為兼顧筑島圍堰沖刷防護(hù)和回填土體造成軟土擠淤的影響，在圍堰外側(cè)設(shè)置水下模袋砂和水下模袋混凝土沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)。

為保證圍堰結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期渡臺(tái)穩(wěn)定，設(shè)置水下模袋混凝土厚60cm，寬39.15m，模袋砂設(shè)在模袋混凝土下部。為減少回填土對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)的不利影響，改善結(jié)構(gòu)受力，設(shè)兩級(jí)斜坡、兩級(jí)反壓護(hù)道。上層反壓護(hù)道頂標(biāo)高+2.000m，寬6.0m，上層斜坡坡度1∶2，寬6.0m；下層反壓護(hù)道頂標(biāo)高-1.000m，寬15.0m，下層斜坡坡度1∶3，寬12.15m。

4 結(jié)語(yǔ)

伶仃洋大橋東錨碇基礎(chǔ)處于離岸海洋環(huán)境，采用水中“∞”字形地下連續(xù)墻作為錨碇基礎(chǔ)施工支護(hù)結(jié)構(gòu)。綜合考慮地下連續(xù)墻施工工期、建造成本、工程質(zhì)量、施工安全等因素，提出鎖扣鋼管樁/工字形板樁組合圓形圍堰筑島方案，將水上施工環(huán)境轉(zhuǎn)為陸上施工環(huán)境。針對(duì)離岸、深厚淤泥軟弱土層，采用水下開挖清淤+塑料排水板+砂石墊層排水固結(jié)軟基處理方案，借助圍堰筑島回填土體，加快軟基承載力增長(zhǎng)，縮短固結(jié)等待時(shí)間。借鑒“環(huán)箍效應(yīng)”，提出一種適應(yīng)組合圓形筑島圍堰變位的平行鋼絲索柔性“自平衡”約束裝置，實(shí)現(xiàn)鋼管樁與平行鋼絲索圍箍的協(xié)調(diào)變形。圍堰外側(cè)沖刷防護(hù)采用水下模袋砂/模袋混凝土組合防護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)兩級(jí)斜坡、兩級(jí)反壓護(hù)道，兼顧筑島圍堰沖刷防護(hù)和回填土體造成軟土擠淤的影響。相比常規(guī)圍堰筑島方法，伶仃洋大橋東錨碇圍堰筑島工藝可縮短工期、降低工程成本，可為后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)施工提供參考。