港珠澳大橋島隧工程大圓筒結構邊坡穩定分析

張麗珍，劉海欣

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

港珠澳大橋島隧工程人工島工程要為島上隧道作業提供高保障度的干地施工條件，并且要滿足120 a的耐久性要求，同時要盡可能縮短工期，快速成島，具有設計標準高、施工工期短的特點。人工島地處外海，施工條件惡劣，工程中創新地采用了插入式大圓筒作為岸壁圍護結構，大圓筒結構及其之間副格均插入不透水層，同時外側輔以拋石斜坡堤進行防護。岸壁結構在施工和使用過程中受力狀態多變，荷載分布在不同階段具有不同特點，控制工況的確定尤為重要。

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程人工島工程包括東、西兩座人工島，用于連接港珠澳項目海底隧道和跨海大橋。西島為沉管隧道安放施工的起點。為了快速完成西島隧道施工，為沉管的安放提供接入點，將西島分為完全獨立的西大島和西小島兩部分。西小島可以獨立施工，快速成島，從而保證整個島隧工程的進度要求。東島結構方案與西島相同。東西人工島通過沉管隧道連通，形成港珠澳大橋海上通道的一部分。

圖1 西人工島平面圖Fig.1 Plan of west island

西島平面圖見圖1，東西人工島典型斷面圖見圖2。

圖2 東西人工島典型斷面圖Fig.2 Typical section of west and east islands

2 施工工序

圖3 人工島施工工序圖Fig.3 Construction process of west and east islands

西島和東島的施工工序類似，僅由于地質差異，結構設計高程略有不同。西島（括號內為東島結構參數）的施工工序如圖3所示。

島內施工的同時，島外可同步進行擠密砂樁和拋石斜坡堤的施工。

擠密砂樁主要對包括淤泥、黏土、粉質黏土等土層在內的表層軟土進行地基加固。擠密砂樁置換率為25.6%，距離鋼圓筒邊界3.5 m。

海側擠密砂樁施工完后，拋石護坡需分階段施工。為保證大圓筒外側斜坡堤穩定，提高土體固結度，施工至-4 m（東島為-6 m）平臺時靜載時間不少于2個月。

在海側進行擠密砂樁施工時，圓筒內采用插排水板和井點降水組合措施，同步進行軟土預壓處理。

3 工況分析

3.1 工況選取原則

1） 施工期

由于施工過程中大圓筒內外側回填料高度不斷變化，需根據結構方案，選擇內外高差最大的最不利工況進行驗算。在施工期，可以認為大圓筒與內部回填料是一個高強度的整體結構。

2） 使用期

岸壁結構形成后的使用初期大圓筒的強度可以充分發揮。由于大圓筒結構未進行防腐蝕處理，而人工島設計壽命為120 a，隨著使用年限增加，大圓筒將被海水腐蝕，此時應完全不考慮大圓筒的強度作用，島壁結構本質上是拋石斜坡堤。

3.2 計算工況

通過對施工工序的分析，島壁結構施工期比較危險的工況有四個：島內第一次回填；島內第二次回填；島內基坑開挖；島外拋石堤施工完成。值得注意的是，對于西大島，隧道基礎較淺，基坑開挖后島內外高程差別很小，可不考慮“島內基坑開挖”工況。

西小島、西大島和東島岸壁結構施工期和使用期設計工況選取見表1。

4 設計條件

4.1 堆貨荷載

施工期堆載：10 kPa；使用期堆載：20 kPa；地震工況堆載：10 kPa。

4.2 水位

穩定計算選取水位見表2。

4.3 波浪

對于直立式建筑物，當驗算其穩定性時，應計入波浪力的作用，透水式斜坡堤可不考慮波浪力的作用，因此需考慮大圓筒結構施工期波浪力作用。穩定計算選取20 a一遇低水位條件下20 a一遇波浪。

依據《港珠澳大橋主體工程初步設計設計波要素和水流分析計算專題研究報告》[1]，最不利波向的波浪要素見表3。

表3 設計波浪條件Table 3 Design wave condition

4.4 地震荷載及強度指標

地震動峰值加速度0.10g。

設計均采用直剪試驗指標。直剪試驗不考慮排水，試驗指標屬于總應力指標。不同設計工況下的指標選取如下：

施工期：采用快剪指標，不考慮海側護岸結構施工過程中的地基土強度增長。海側擠密砂樁處理區域采用砂與原狀土快剪指標的加權值。

使用工況一：島內排水板處理部分的土體采用固快指標，海側擠密砂樁處理區域采用砂與原狀土固快指標的加權值；其余區域采用快剪指標。

使用工況二：各土層均采用固快指標。地震工況：各土層均采用固快指標。

4.5 地質資料

依據《港珠澳大橋主體工程人工島施工圖設計階段工程地質勘察報告》[2]以及補充勘查[3]，整體穩定分析中采用的地層參數如表4所示。

表4 各土層主要物理、力學性質指標統計表Table 4 Statistics list of physical and mechanical indexesfor each soil layer

4.6 計算結果判定標準

本工程分別采用簡單條分法（港口工程地基計算系統）和BISHOP法（GeoStudio-Slope/W）進行設計，參考《港口工程地基規范》[4]的相關規定，整體穩定判斷標準如下：

施工期安全系數：簡單條分法≥1.0。使用期安全系數：BISHOP法≥1.3；簡單條分法≥1.2。地震工況安全系數：簡單條分法≥1.1。

5 結果分析

針對不同工況，分別采用港口工程地基計算系統中的簡單條分法和GEO-SLOPE中的BISHOP法進行邊坡穩定計算，計算結果匯總如表5所示。

表5 邊坡穩定計算結果統計表Table 5 Statisticslist of analysis results of slope stability

根據計算結果統計表，可知施工期工況三、四以及使用期工況一為控制工況，地震工況不是控制工況。

6 結語

1）港珠澳大橋島隧工程人工島工程采用插入式大圓筒方案快速形成岸壁結構，為島上隧道提供高保障度的干施工條件，岸壁結構的穩定性是該方案是否可行的關鍵。通過分析施工方案，找出施工過程中可能存在的最危險的四種工況，分別進行計算，從而保證了在整個施工過程中岸壁結構的穩定性，為整個項目的順利開展提供了基本保障。

2）由于大圓筒鋼結構的耐腐蝕性較差，防腐蝕成本較高，且防腐效果很難保證，因此設計考慮將大圓筒作為非永久結構設計，使用前期土體未固結時，利用深插式鋼圓筒截斷深層滑動面，確保島壁穩定性；使用后期，認為大圓筒已經完全腐蝕，島壁下的土體已經完全固結，通過穩定性驗算，斜坡式島壁的圓弧滑動穩定性仍符合相關規范要求且有較大富余，滿足使用要求。

3）插入式鋼圓筒結構在國內應用較少，本工程的成功應用為類似工程的方案設計提供思路，也為施工工序較為復雜的工程邊坡穩定設計提供借鑒。