香港機(jī)場(chǎng)第三跑道填海工程插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

唐 云，李 洋，樊亮亮

(1. 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；2. 中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027)

目前，國(guó)內(nèi)和國(guó)際上插入式大圓筒結(jié)構(gòu)的使用案例相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)較少，實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)也較匱乏。在我國(guó)，插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)僅在港珠澳大橋東、西人工島的臨時(shí)島壁等結(jié)構(gòu)中成功運(yùn)用[1-3]。國(guó)外規(guī)范中，德國(guó)規(guī)范[4]和美國(guó)規(guī)范[5]目前主要對(duì)格型鋼板樁結(jié)構(gòu)的理論較為完善，而對(duì)于插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)只給出了一些簡(jiǎn)單的規(guī)定；日本國(guó)際臨海開(kāi)發(fā)研究中心OCDI規(guī)范[6]對(duì)于插入式鋼圓筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一套相對(duì)完善的理論體系，但是由于該體系完全獨(dú)立于其他的相關(guān)理論，部分理論計(jì)算方法還難以驗(yàn)證。

香港機(jī)場(chǎng)第三跑道填海工程基于插入式大圓筒結(jié)構(gòu)施工速度快、可以滿足快速成島要求的特點(diǎn)，將該結(jié)構(gòu)作為陸域形成施工的臨時(shí)圍蔽結(jié)構(gòu)。本文以香港機(jī)場(chǎng)第三跑道填海工程中大圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，依據(jù)OCDI規(guī)范中的二維理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用Plaxis 3D對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行復(fù)核，研究成果可為插入式鋼圓筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

香港機(jī)場(chǎng)第三跑道項(xiàng)目填海造地面積約650萬(wàn)m2，海堤總長(zhǎng)為13.1 km，其工程平面布置見(jiàn)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(shí)圍蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shè)計(jì)潮位為：最高天文潮位2.80 m(香港主基準(zhǔn)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(shè)計(jì)波浪要素見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)波浪要素表

1.2.3地形及地質(zhì)資料

本工程位于香港現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)的北側(cè)，工程所在地分為淺灘區(qū)和深海區(qū)，淺灘區(qū)原泥面高程為-6.0～-5.0 m，深海區(qū)原泥面高程為-8.5～-7.0 m。工程區(qū)域的表層有10～30 m厚的軟黏土，場(chǎng)區(qū)上部主要土層及其物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 主要土層物理力學(xué)指標(biāo)

1.3 工程難點(diǎn)

1)整個(gè)工程區(qū)域的表層有10～30 m厚的沉積軟土層，考慮到環(huán)保的要求，業(yè)主明確提出不能對(duì)該部分進(jìn)行開(kāi)挖換填處理，避免造成大面積的污水漫流。因此，若采用常規(guī)海堤結(jié)構(gòu)，對(duì)于海堤基礎(chǔ)須進(jìn)行大面積的海上地基處理。

2)填海造地工期約4 a，開(kāi)工后2.5 a提交跑道和滑行道區(qū)域的陸域。采用傳統(tǒng)的水上地基處理的方案類(lèi)似水上水泥攪拌樁(DCM)等，造價(jià)高且工期長(zhǎng)，將嚴(yán)重制約海堤上部結(jié)構(gòu)以及陸域回填、地基處理的施工時(shí)間，且需要投入大量的船機(jī)設(shè)備，交界面多，現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)難度大。

3)由于工程靠近現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)，施工區(qū)域作業(yè)限高在15～50 m之間，對(duì)施工船機(jī)、設(shè)備等造成了較大限制。

基于上述難點(diǎn)，最終提出采用插入式鋼圓筒作為陸域形成臨時(shí)圍蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。該方案不需要對(duì)地基進(jìn)行開(kāi)挖換填或采用水上DCM進(jìn)行地基處理，對(duì)環(huán)境影響小，施工速度快，大幅降低了工程造價(jià)，優(yōu)勢(shì)明顯。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 大圓筒平面布置

本項(xiàng)目在海堤里程5+651～9+536范圍內(nèi)擬采用插入式鋼圓筒臨時(shí)結(jié)構(gòu)方案，見(jiàn)圖2。

圖2 大圓筒平面布置

2.2 海堤結(jié)構(gòu)方案

考慮到設(shè)計(jì)使用年限長(zhǎng)達(dá)100 a，而鋼圓筒耐久性尚達(dá)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(shí)圍蔽結(jié)構(gòu)。

本方案施工期采用119個(gè)圓筒整體形成止水系統(tǒng)，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(shè)計(jì)高度為44 m，單件最大質(zhì)量約820 t。

在完成地基處理后，挖除鋼圓筒內(nèi)的回填料并部分割除上部鋼圓筒，在剩余結(jié)構(gòu)上部建設(shè)永久護(hù)岸結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。

圖3 海堤結(jié)構(gòu)(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(lián)合堆載預(yù)壓法進(jìn)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(zhǎng)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(jí)堆載砂至7.5 m，滿載9～10個(gè)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(nèi)回填砂至3.0 m，桶內(nèi)施工塑料排水板。

2)工序2：陸側(cè)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(nèi)安放沙袋，筒內(nèi)水位降至-5.0 m。

3)工序3：陸側(cè)水位降至-5.0 m，陸域回填至6.0 m，分級(jí)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(kāi)挖至-1 m高程。挖出鋼圓筒內(nèi)的回填砂，對(duì)-1 m以上的海側(cè)鋼圓筒進(jìn)行切割。

5)工序5：回填堤心石、護(hù)面并澆筑擋浪墻。

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

工程基本理論基于OCDI規(guī)范中的二維設(shè)計(jì)理論，同時(shí)采用三維計(jì)算進(jìn)行復(fù)核，確保了設(shè)計(jì)方案的安全性。計(jì)算主要復(fù)核的工序?yàn)椋?)工況1：施打圓筒，筒內(nèi)砂回填至3.0 m；2)工況2：筒內(nèi)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(qiáng)度有一定增長(zhǎng)后，陸域回填至7.5 m。

3.1 二維計(jì)算

二維計(jì)算方法主要參考OCDI規(guī)范，將空間的鋼圓筒簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題，在保證筒內(nèi)填料和圓筒結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體的情況下，建立抗力和位移的相互關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移和地基抗力。對(duì)施工過(guò)程中的最不利工況以及結(jié)構(gòu)的最終使用狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，通過(guò)結(jié)構(gòu)抗傾覆計(jì)算、結(jié)構(gòu)位移、地基承載力安全系數(shù)和圓筒底部抗滑安全系數(shù)，判定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.1.1等效截面寬度計(jì)算

在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)，通過(guò)面積等效的方法，計(jì)算出等效寬度，見(jiàn)圖4。本工程一個(gè)結(jié)構(gòu)段的長(zhǎng)度為33 m，結(jié)構(gòu)段面積為905 m2，等效寬度為27.42 m。

圖4 等效截面寬度計(jì)算(單位：mm)

3.1.2底部抗滑安全系數(shù)

圓筒底部抗滑安全系數(shù)Fs的計(jì)算公式為：

(1)

式中：Qa為滑動(dòng)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(nèi)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(shù)及結(jié)構(gòu)位移計(jì)算

二維位移計(jì)算將簡(jiǎn)化后的二維圓筒假定為一個(gè)剛體，圓筒與底部土體的作用采用施加底部土體彈簧來(lái)模擬，圓筒與被動(dòng)區(qū)土體的作用采用被動(dòng)區(qū)土體彈簧模擬，隨后在二維圓筒剛體上施加主動(dòng)土壓力、波浪力、動(dòng)水壓力、剩余水壓力等荷載，最后受力平衡狀態(tài)下獲得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)二維位移。

鋼圓筒與被動(dòng)區(qū)土體的作用彈簧剛度，采用水平土抗力系數(shù)KH來(lái)模擬，公式為：

KH=2 000N

(2)

式中：N為土體標(biāo)貫擊數(shù)。

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(shù)模擬，豎向彈簧的剛度采用豎向土抗力系數(shù)模擬，公式為：

KV=3KS

(3)

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

圓筒結(jié)構(gòu)底部地基承載力的驗(yàn)算，可根據(jù)OCDI中的建議，采用畢肖普?qǐng)A弧滑動(dòng)法進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1.4結(jié)構(gòu)抗傾覆計(jì)算

為保證筒內(nèi)填料和筒體結(jié)構(gòu)作為整體結(jié)構(gòu)，須沿原泥面處進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，計(jì)算原則為：

Mr-Md≥0

(4)

Md=paha+pwhw+ptht-pphp

(5)

式中：Mr為格倉(cāng)內(nèi)部填料產(chǎn)生的抵抗力矩設(shè)計(jì)值(kN·m)；Md為計(jì)算底面以上墻體背后的荷載對(duì)墻體計(jì)算底面處產(chǎn)生的傾覆力矩(或稱(chēng)變形力矩)設(shè)計(jì)值(kN·m)；pa、ha為主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)及其作用高度(m)；pw、hw為剩余水壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)及其作用高度(m)；pt、ht為波浪力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)及其作用高度(m)；pp、hp為被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)及其作用高度(m)。

格倉(cāng)內(nèi)部填料產(chǎn)生的抵抗力矩標(biāo)準(zhǔn)值，可按下列公式計(jì)算：

(6)

(7)

V0=BH0

(8)

(9)

式中：Mro為填料抵抗力矩標(biāo)準(zhǔn)值(kN·m)；R0為變形反抗系數(shù)；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(biāo)準(zhǔn)值(tm3)；ρi為第i層填料的密度標(biāo)準(zhǔn)值(tm3)；hi為第i層填料的高度(m)；φ為內(nèi)部填料的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°)。

3.1.5計(jì)算結(jié)果

二維計(jì)算只驗(yàn)算最危險(xiǎn)的工況2(工況3的陸域降水對(duì)圓筒穩(wěn)定性有利)，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。可看出，工況2的各項(xiàng)安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求。

表3 二維穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

3.2 三維計(jì)算

插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)的三維穩(wěn)定性計(jì)算，依托Plaxis 3D軟件，將筒體和土體進(jìn)行三維建模，筒體采用彈塑性本夠模型，土體采用摩爾庫(kù)侖模型，根據(jù)土體在各個(gè)階段的不同特性選用相應(yīng)的土體類(lèi)型，準(zhǔn)確地模擬筒體和土體的實(shí)際作用情況。

3.2.1計(jì)算模型

Plaxis 3D圓筒和土體模型見(jiàn)圖5。

圖5 Plaxis 3D圓筒和土體模型

3.2.2計(jì)算結(jié)果

工況2、3的圓筒結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。可看出，施工期各工況累計(jì)位移在30 cm左右，整體穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.2，結(jié)構(gòu)較為安全。

表4 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及位移三維計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

1)采用OCDI的二維計(jì)算理論進(jìn)行插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的，但由于二維計(jì)算中對(duì)于土體剛度采用二維彈簧模擬，無(wú)法考慮三維整體剛度變化，其位移計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重偏小，三維計(jì)算的結(jié)構(gòu)位移值更為可信和接近實(shí)際。

2)當(dāng)?shù)鼗浲凛^厚時(shí)，陸域形成的圍蔽結(jié)構(gòu)采用插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)無(wú)須進(jìn)行地基處理，施工速度快、造價(jià)低、對(duì)環(huán)境影響小。

3)本設(shè)計(jì)方案充分運(yùn)用了插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)的施工優(yōu)越性，另一方面將該結(jié)構(gòu)作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，規(guī)避了鋼圓筒作為永久結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的后續(xù)維護(hù)費(fèi)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(yīng)用提供了借鑒。