港珠澳大橋珠澳口岸人工島填海工程設計關鍵技術

梁桁，孫英廣，毛劍鋒

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概況

港珠澳大橋連接香港、澳門、珠海三地，是一個大型的跨界工程，其常規通行，須設置可供三地進行查驗的口岸，解決出入境貨物以及過境旅客的邊防、海關檢查以及檢查檢疫等一系列問題。因此，澳門、珠海側珠澳口岸人工島和香港側香港口岸人工島的建設是港珠澳大橋順利通車的前提。

珠澳口岸人工島填海面積208.87萬m2，護岸長度6079.344m，陸域回填料總量2163.6萬m3，筑島填海規模巨大，國內罕見。

與工可相比，珠澳口岸人工島工程初步設計階段在總平面、岸壁結構、陸域形成及軟基處理、景觀設計方面均有創新改進。

2 關鍵技術

2.1 總平面設計

港珠澳大橋建設導致伶仃洋的阻水系數增加一直是各方都十分關注的問題，有關主管部門強調需要將阻水系數控制在10%以內。本工程從珠海接線人工島至橋頭人工島東西向距離約2440m，阻水橫斷面相當巨大。其中，珠海接線人工島東西長1000m，島體本身東西長1000m，橋頭人工島東西長440m，即珠海接線人工島的阻水橫斷面約占了本工程41%。珠海接線人工島向西北外伸，猶如一道攔水大壩東西橫跨在澳門明珠和口岸人工島之間，將使此處的潮流漲落繞“S”型彎道出入。另外，澳門政府規劃在明珠對開海域進行大規模圍海造地（圖1中陰影為規劃澳門填海區），該陸域形成后，澳門明珠的新岸線將與口岸人工島西護岸、珠海接線人工島南護岸一起構成1條長2500m，寬僅約為150m的反L型“河道”。該“河道”北側人工島與大陸互為咬合，阻水效應大增，潮流動力進一步減弱，水體交換困難，將不可避免地出現嚴重淤積現象。

通過對工可總平面設計的分析，我們發現工可總平面設計的主要問題是珠海接線人工島與澳門明珠互相咬合封閉了珠澳口岸人工島與澳門之間的水體通道，放大了珠澳口岸人工島的阻水效應。因此，平面優化的主要思路為：利用澳門明珠陸域東側突出的地形地貌特征，將珠海側接線人工島與珠澳口岸島主體分離，“躲藏”于澳門明珠陸域北側供隧道穿出，珠海側接線人工島與珠澳口岸主島之間采用透空橋梁連接，減少阻水率。具體調整為：在珠海連接線的總體設計線路和平面不做改變的前提下，隧道出口專用半島緊貼珠海拱北陸域布置，其外伸長度基本與澳門明珠現有的最東側海岸線齊平，而后使用透空式跨海橋梁實現側接線與口岸人工島的銜接。工可平面AB段（參見圖2）原本考慮過水，但其南側緊鄰澳門明珠，過水效果不大，現改為隧道出口專用半島。工可平面BC段為阻水斷面，現改為透空橋梁，實現暢通過水。如澳門政府不實施明珠東側的圍海造地工程，優化平面將能確保人工島與澳門之間寬約1 km的海域南北通暢，減少了人工島實施后對海區潮流動力、岸灘演變的影響。如果實施圍海造地，優化平面也能基本保證人工島與澳門之間寬約150m的暢順“河道”，更有利于水體的交換。

本工程初步設計階段委托相關科研單位分別對原工可平面和優化后平面開展了潮流、泥沙數學模型試驗，結果表明：優化方案出現的環流和弱流區最小，人工島兩側水流比較順直通暢，采用實堤和棧橋方式與人工島連接，其中實堤部分對水流的影響仍控制在現狀澳門海岸線影響范圍內，工程后的沖淤變化不明顯，影響范圍相對最小。證明了優化平面在降低阻水率和局部改善潮流動力方面的作用明顯，是較為符合該灣區潮流動力特征的人工島筑島平面布置方案。

優化后的平面方案具有以下優勢：

1）人工島阻水橫斷面減少約900m（占阻水橫斷面總長的37%），降低了各方關注的人工島阻水率，改善了局部潮流動力條件。

2）隧道長度縮短，替代以常規施工方法的橋梁，節省了珠海側接線的工程費用。

3）珠海側接線采用橋梁登島，降低了人工島建設與側接線的銜接難度，更加有利于施工工期的保證。

4）從珠海現有岸線向東填筑半島做為隧道出口，將原來的水上施工改變成陸上施工，不僅節省投資也有利于保證工程質量和工期，對全線工程的按時順利通車創造了有利條件。

2.2 岸壁結構設計

珠澳口岸人工島護岸結構根據方位可分為東、南、西、北四段，其中，東、南護岸直接朝向外海，是無掩護的外海施工工程，而且后續的陸域形成也需要其提供波浪掩護條件，是本項目實施的關鍵部位，因此，適當加大投入，選用安全可靠、施工經驗成熟、具有良好施工期防臺能力、可以使用簡單設備開展多個工作面同時施工的方案是東、南護岸的設計要點。西、北護岸面向大陸，掩護條件好，而且鄰近珠海、澳門的中心城區，所以，在安全可靠的前提下，選用經濟環保、施工快速靈活、可以打造優美景觀的方案是西、北護岸的設計原則。

結合工程所在地自然條件（波浪、臺風等），滿足景觀設計要求，工程東、南護岸段和西、北護岸段采用不同結構型式，其中東、南護岸采用大開挖拋石斜坡堤方案；西、北護岸采用真空聯合堆載預壓處理地基后的半直立式堤方案。兩種不同護岸結構型式的主要優點如下：

1）東、南護岸（參見圖3）。

①該段護岸朝向外海，采用大開挖換填的方式處理地基，換填時基槽底部拋設2m厚塊石，擠除了回淤的浮泥，防止了軟弱夾層的存在，保障了整體穩定的安全性；

②堤身采用拋石斜坡堤+人工塊體護面的結構形式，是國內外廣泛使用堤防建設方案，具有大量的成熟經驗，而且也在鄰近的澳門國際機場被成功使用；

③施工期防臺能力強，可靠度高；

④堤身結構全部為塊石或素混凝土，經久耐用；

⑤結構中主要耗材為砂和塊石，周邊供應豐富，價格低廉。

2）西、北護岸（參見圖4）。

①該段護岸面向大陸，掩護條件好，具備進行排水固結處理地基的掩護條件。設計采用陸上插打塑料排水板和真空聯合堆載預壓處理地基，施工質量可控度顯著提高，為護岸上部結構建設提供了安全可靠的基礎；

②半直立式混合護岸結構直接在處理后的地基上建設，避免了大量的基槽挖泥和換填工程量，經濟環保；

③堤身結構為僅需構造配筋的空心方塊和漿砌、干砌塊石，對混凝土進行防腐涂層保護，耐久性好，可滿足120 a使用壽命要求。

本工程初步設計階段委托相關科研單位對東、南護岸和北護岸開展波浪斷面物理模型試驗研究，試驗結果表明，東、南護岸斷面和北護岸斷面在各種水位及相應波浪作用下，擋浪墻、護面塊體、棱體塊石、護底塊石等各部位均處于穩定狀況，且越浪量滿足設計要求。

2.3 陸域形成及軟基處理

2.3.1 陸域形成

本工程人工島陸域形成具有回填量大、工期緊、施工工序多且復雜、海底軟弱土層厚、施工水域水深淺、工程場地臺風活動頻繁、船舶作業范圍和時間受限、施工安全隱患大等特點，為人工島陸域形成施工帶來不少困難。

彩色路面已廣泛應用于市政道路，這些新穎的路面光鮮亮麗，人流、車流依照顏色各行其道，有條不紊，節省了許多人力，財力。但由于目前市場上沒有解決長途運輸、低溫拌和、彩色瀝青混合料造價太高等問題，因此，影響了彩色瀝青混合料的推廣應用，本文研究形成的自行車道用常溫彩色瀝青路面設計與施工成套技術，解決了目前彩色瀝青混合料的弊端，為常溫彩色瀝青路面的應用提供了理論依據。

本工程初步設計階段委托相關科研單位開展了陸域形成工法研究，該研究報告指出：由于海砂作為回填料具有來源豐富、供應量足、施工方便快速、施工質量易于保證、工程性質良好并與后續軟基處理方案結合緊密、軟基處理相對容易、工期有保證等優點。因此，設計推薦海砂作為本工程陸域形成回填料。

根據測量資料，該工程地點水深一般為2～3m，適合皮帶船及開底駁船直接運砂進行水下拋填。因此，設計海砂回填分為四個階段進行：拋填中細砂至標高±0.0m；之后吹填中粗砂墊層至+2.0m；在+2.0m標高上插排水板；標高+2.0m～+9.4m繼續吹填中細砂；部分堆載料的回填采用西、北護岸結構施工前所開挖的砂料。

根據砂源供給情況，現場施工時，陸域形成首先利用現有的2～3m水深采用皮帶船或開底駁直接拋填中細砂，約至-1.0m時由于水深限制，改用泵船和絞吸船吹填中細砂至0.0m，泵船及絞吸船繼續吹填中粗砂至+2.0m，打設塑料排水板。+2.0m以上采用皮帶船打干中粗砂至島壁，再利用推土機向島內倒運。

2.3.2 軟基處理

本工程軟基處理采用堆載聯合降水預壓法，場地堆載重復利用場地內回填砂做為堆載料，同時，輔助國內罕見的大規模井點降水增加超載比預壓基礎，不僅大量減少了外購砂量，而且做到了場地棄土最小化，最大限度降低了工程造價。

堆載聯合降水預壓處理時設計倒載一次，堆載料利用島內區的回填料。施工時，將整個場地分成A區和C區進行預壓處理。整個場地分區流水作業，首先進行A1、C1區的堆載聯合降水預壓處理，然后進行A2、C2區的預壓處理，堆載料利用A1、C1區的卸載料，不足部分借用A1、C1區的部分回填料；接著A2、C2區進行卸載，并將卸載料歸還給A1、C1區，最后整個場地進行強夯和碾壓密實處理，并平整場地（參見圖5）。

堆載聯合降水預壓法通過設置水平排水墊層并插設排水板來改善地基軟土層的排水條件，通過降水施工使加固地基中地下水位下降，原水位以下部分地基土體的有效應力提高。在堆載荷載和水位下降引起的有效應力增量的共同作用下，軟土逐漸發生固結沉降，強度得到增長，軟土層得以快速加固（參見圖6）。

對加固區進行深井降水，如圖7（b）所示，通過降水施工使加固地基中地下水位下降ΔH，原水位以下部分地基土體的有效應力提高，軟土層開始發生固結沉降，強度得到增長。降水期間進行場地回填，回填厚度由軟基處理沉降量、交工面標高等控制。如圖7（c）所示，場地回填后，在水位下降引起的有效應力增量和回填荷載的共同作用下，軟土逐漸發生固結沉降。

在降水預壓期間，對于原水位線以上部分土層，只受回填荷載作用，無超載預壓現象，荷載增量ΔP=Δh×γ；對于原水位線和新水位線之間的軟土層，除受回填荷載作用外，還承受了水位降引起的超載預壓，荷載增量ΔP=Δh×γ+（Z-H0）γw；對于新水位線以下部分軟土層，除受回填荷載作用外，還施加了水位降引起的超載預壓，荷載增量ΔP=Δh×γ+ΔHγw（如水位降低5m，相當于施加了50 kPa的超載預壓）。

堆載聯合降水預壓，可看做是在堆載預壓基礎上增加了一個降水預壓荷載，從而使超載比獲得額外增加，使土體在較短時間內完成較大的固結沉降，降低工后沉降，從而達到理想的加固目的。

2.4 景觀設計

本工程工可設計階段地面標高為+5.0m（1985國家高程基準，下同），擋浪墻頂標高為+7.5m，地面與擋浪墻頂之間的高差達2.5m，不可避免的給過境旅客帶來“坐井觀天”的感受。因此，通過對水文條件的深入研究和越浪量標準的合理界定，結合物模試驗適當降低擋浪墻頂高程，使人工島地面與擋浪墻之間高差減少到人體正常身高范圍，提供“一望千里、海天一色”的景觀感受便成為本工程景觀設計的創新方向之一。

本工程初步設計廣泛的研究和分析了國內外規范對越浪量標準的界定，為岸壁結構擬定了運營工況、設計工況和校核工況等工況組合和相應的越浪量標準（參見表1），其中，運營工況的設置我們創造性的提出了與港珠澳大橋安全通行風速標準（設置風障后，安全通行風速等級為8級風[7]）相適應的按照10 a一遇外海波浪迭加22m/s（9級風）風速作用下的堤前波浪與100 a一遇潮位進行組合，獲得了咨工和業主的一致認同。這些研究成果為合理設置擋浪墻頂高程提供了合理可靠的標準依據。同時，委托相關科研單位開展波浪局部整體和波浪斷面物理模型試驗，結合岸壁結構設計對局部整體護岸越浪情況、波浪越過護岸后的漫灘情況和護岸斷面的越浪情況開展深入研究，為護岸擋浪墻頂高程的確定提供科學試驗依據。東、南護岸和北護岸擋浪墻頂高程在試驗過程中通過不斷優化岸壁結構得以確定，其中東、南護岸擋浪墻頂高程定為6.65m，北護岸擋浪墻頂高程定為6.5m，該岸壁結構下的波浪物模試驗結果均滿足越浪量標準的要求（如表2、表3所示）。

表1 港珠澳大橋珠澳口岸人工島越浪量標準

表2 實測東、南護岸胸墻頂部越浪量表

表3 實測北護岸胸墻頂部越浪量表

珠澳口岸人工島填海工程交工標高+4.8m，陸域標高+5.3m。東、南護岸擋浪墻頂標高+6.65m，與竣工后的人工島地面高差僅為1.35m。按工可深化研究中的口岸島平面布置，護岸擋浪墻后至道路邊線之間為25m寬的緩沖綠化帶，建議將其標高定為+5.45m，這樣即可使道路與綠化帶的高差相對適宜，又可使此25m寬綠化帶與東、南護岸高差縮小至1.20m，進一步提升過境旅客的舒適感受。

本工程西、北護岸臨近珠海、澳門核心城區，其中北護岸與珠海拱北最近距離小于2 km，西護岸與澳門明珠最近距離僅1 km（若澳門東填海工程實施，西護岸與澳門最近距離僅約150m）。因此，設計即安全又美觀的西、北護岸結構型式便成為本工程景觀設計的創新方向之二。

本工程初步設計推薦的西、北結構方案坡腳采用了直立式結構，阻水斷面小，上層邊坡里側采用了滿足抗浪重量要求的漿砌塊石或干砌塊石護面，外側鋪設新型環保材料生態袋，并噴播植草美化邊坡，在澳門明珠對開海域圍海造地后將形成“一河兩岸，十里錦繡”的優美風光。

西護岸，與澳門隔水相望，基本不受波浪作用，坡頂無需設置擋浪墻，設計改用美觀大方的景觀欄桿作為安全圍護，為過境旅客提供賞心悅目的景觀體驗。

3 結語

尋求最適合的設計方案是每一個設計人員遵循的首要設計原則。港珠澳大橋珠澳口岸人工島設計正是通過充分研究當地的自然條件、材料條件、施工條件及環境條件，不斷地從多方面進行優化，最終獲得了最適合的建設方案，體現為：

1）優化總平面布置，減少工程建設后對該灣區潮流動力的影響，力爭實現沖淤平衡。同時，使側接線隧道由水上施工變為陸上施工，降低施工難度。

2）根據不同護岸段的自然條件和功能要求，選擇合理和適宜的結構斷面。東、南護岸采用成熟、可靠，快速且施工期防臺能力強的開挖換填式拋石斜坡堤結構；西、北護岸掩護條件好，景觀要求高，采用半直立式護岸結構，減少挖泥保護環境的同時，打造“十里錦繡”的美好景色。

3）考慮海區靠近珠海、澳門繁華商區，采用海砂吹填造陸，避免大面積吹淤帶來的施工期強污染；同時，通過分區倒載并輔助以降水減少對用砂量的需求，控制工程費用。

4）通過多方論證和分析，并結合大橋運營時的通行限制條件，在保障通行安全和結構安全的前提下，合理確定人工島的允許越浪標準，控制擋浪墻的頂標高，改善島上的景觀條件。

港珠澳大橋工程是中外矚目的大型跨海通道工程，珠澳口岸人工島作為港珠澳大橋重要組成部分，緊鄰珠海、澳門主城區，其填海工程方案受到各方關注。本工程初步設計階段，設計者在總平面、岸壁結構、陸域形成及軟基處理、景觀設計等關鍵技術方面突破既往、銳意創新，提出的填海工程方案受到了業主、評審專家及政府相關主管部門的一致好評，并成功運用到工程施工中，為港珠澳大橋建設獻出了一份優秀的設計答卷。

[1] JTJ211—99，海港總平面設計規范[S].

[2] 港珠澳大橋珠澳口岸人工島填海工程初步設計報告[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2009.

[3] 港珠澳大橋珠澳口岸人工島填海工程波浪整體數學模型試驗與研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2009.

[4] 港珠澳大橋珠澳口岸人工島填海工程波浪斷面物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2009.

[5] 中交第四航務工程勘察設計院有限公司，中交四航工程研究院有限公司.港珠澳大橋珠澳口岸人工島填海工程大面積軟基處理關鍵技術研究報告[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2009.

[6] 中交第四航務工程勘察設計院有限公司，中交四航工程研究院有限公司.港珠澳大橋珠澳口岸人工島填海工程陸域形成工法研究報告[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2009.

[7] 中交公路規劃設計院有限公司，中資泰克交通工程有限公司.港珠澳大橋總體方案深化研究報告分報告之九——風對橋梁上行駛車輛安全性研究報告[R].北京：中交公路規劃設計院有限公司，2009.