深厚軟土覆蓋層離岸海中錨碇圍堰筑島結構設計*

萬 猛，劉建波，楊蘇海，吳啟和

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430014； 2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430014； 3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，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，東起機荷高速，跨越珠江口，西至中山馬鞍島，工程全長24.03km，其中跨海段長22.39km，采用100km/h設計速度、雙向8車道高速公路技術標準，是集“橋、島、隧、地下互通”為一體的系統集群工程。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為重力式錨碇，采用“∞”形地下連續墻基礎作為基坑開挖施工階段的支護結構，錨碇基礎頂標高+3.000m，底標高-39.000m。地下連續墻直徑2×65m，厚1.5m，嵌入中風化花崗巖層5m，內襯厚度1.5m/2.5m/3m，地下連續墻底標高-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繁忙的10萬噸級伶仃航道，屬熱帶海洋性季風氣候區及華南沿海臺風區，降水量多且強度大。東錨碇區平均水深約5m，平均潮差0.85～1.70m，常水位高程+0.520m。

工程地勘揭示，東錨碇區上部②大層分布連續穩定，層厚18.8～23.2m，厚度分布不均勻，力學性質差，多分布有②2淤泥、②4粉砂、②22粉質黏土；中部③大層分布較為連續，以③6中砂層為主，夾③5細砂層，③大層層厚變化較小，但土質不均勻，差異明顯，力學性質一般；下伏基巖為花崗巖，埋深起伏較大，全強風化層厚度為3.8～22.9m，中風化巖面起伏較大，頂面標高在-38.840～-59.460m，下伏中風化基巖物理性質較好。

2 圍堰筑島總體設計

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

為減少圍堰筑島施工對橋位處水動力的影響，東錨碇基礎選用直立式圓形圍堰筑島結構形式。為實現快速穩定成島，東錨碇圍堰采用鎖扣鋼管樁/工字形板樁組合圓形圍堰結構形式，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158根，樁長38m，樁頂標高+6.500m、樁底標高-31.500m，鋼管樁中心間距2.95m。工字形板樁規格為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，沿鋼管樁外側設置平行鋼絲索環向圍箍結構，平行鋼絲索由187根φ5mm平行鋼絲組成，共設置7層，頂標高+5.000m、底標高+3.500m，豎向間距25cm。圍堰內側分層回填砂后做硬化混凝土路面，最終路面頂標高+3.500m。圍堰外側沖刷防護采用水下模袋砂/模袋混凝土組合防護結構，模袋混凝土厚度0.6m，寬度39.15m，采用分級放坡，設兩級斜坡、兩級反壓護道(見圖4)。

圖4 圍箍與沖刷防護結構

3 圍堰筑島設計關鍵技術

3.1 地下連續墻施工平臺方案選擇

截至目前，國內外大多數懸索橋錨碇基礎均位于陸地，對于離岸海中橋梁，選擇合適的施工平臺方案，變水上施工為陸上施工是錨碇基礎地下連續墻支護結構施工的關鍵。經調研，深中通道東錨碇地下連續墻施工可采用鋼平臺+鋼導墻方案、鋼圍堰+筑島方案、模袋砂筑島方案等。

1)鋼平臺+鋼導墻方案 采用搭設鋼平臺作為地下連續墻施工作業平臺，由于錨碇區存在深厚軟土覆蓋層，為保證地下連續墻成槽質量，需設置鋼導墻作為地下連續墻成槽護壁結構，鋼導墻沿地下連續墻內外側分別布置1排鎖扣鋼管樁，平面結構形式為“∞”形。鋼導墻施工前，采用深層DCM樁對地下連續墻兩側軟土覆蓋層進行加固處理。

2)鋼圍堰+筑島方案 采用搭設鋼管(板)樁圍堰將水上施工環境轉換為陸上施工環境。圍堰搭設完成后，在圍堰外側設置圍箍結構，島內回填砂至指定標高。地下連續墻兩側采用2排直徑85cm、搭接長度25cm的三軸攪拌樁加固以滿足地下連續墻成槽階段穩定性，島內剩余區域采用直徑80cm、間距2m的攪拌樁加固以加速回填砂固結沉降。由于筑島尺寸較大，為保證錨碇地下連續墻施工安全，圍堰合龍后需在外側設置沖刷防護結構，兼顧平衡島內回填砂荷載。

3)模袋砂筑島方案 采用分層鋪設模袋砂將水上施工環境轉換為陸上施工環境。模袋砂分層鋪設完成后，在島內回填砂至指定標高。地基處理方法同鋼圍堰+筑島方案，不再贅述。

結合本工程特點，對比分析不同方案的適用性，如表1所示。

表1 地下連續墻施工平臺方案比選

綜合考慮地下連續墻施工工期、建造成本、施工質量、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→外圍防護施工→攪拌樁施工→導墻施工→地下連續墻施工。

3.2 鎖扣鋼管(板)樁組合圍堰筑島結構設計

根據設計方案，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構形式，鋼管樁作為主要承力結構，工字形板樁兼顧擋土、傳力，圍堰結構整體剛度適中、受力清晰、導流性好，CT形鎖扣容錯率較大，施工快速、方便。

考慮到圍堰筑島施工期較長，施工期面臨離岸、臺風影響頻發、深厚軟土地基等不利環境因素，需對圍堰筑島施工不同階段開展結構計算復核，以保證圍堰筑島施工安全。根據不同施工階段，共考慮3種計算工況，根據規范要求采用不同荷載組合形式，計算結果如表2所示。

表2 圍堰筑島結構計算結果匯總

經計算，3種計算工況下，圍堰鋼管樁最大變形值在允許范圍之內，鋼管樁、工字形板樁、鎖扣和平行鋼絲索圍箍最大應力值均在結構允許范圍之內，滿足安全施工及規范要求。此外，通過對軟弱淤泥層采用塑料排水板加固處理，并在圍堰外側設置模袋混凝土反壓護道，會進一步減小鋼管樁結構變形及樁身應力，進而提升圍堰結構的安全性。

3.3 筑島地基處理

地勘結果顯示，伶仃洋大橋東錨碇區存在厚度不等的淤泥、淤泥質粉質黏土層，平均厚度8～13m，屬欠固結土，呈流塑狀，具有含水量高、孔隙比大、高壓縮性、強度低等特點。目前針對軟土地基處理方案主要包括置換法、排水固結法、復合地基法等，通過地基處理改善地基土的抗剪強度、壓縮性、滲透性、動力特性和特殊土的不良地質特性，提高地基的穩定性和承載能力，以保證圍堰筑島結構施工期安全和錨碇基礎地下連續墻成槽施工質量。

本工程軟基處理異于常規軟基加固，既考慮筑島回填土體固結，還需考慮后續地下連續墻及錨碇基礎施工安全?；诖?，結合工程特點，針對離岸、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，縮短軟基固結等待時間，提高施工工效。相比復合地基方案，具有適用性好、施工快捷、成本較低等優點。

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，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，對錨碇區220m范圍水下開挖清淤至-7.0m，為保證基坑穩定性，開挖坡比設計為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，設計插設深度25m，排水板底部進入中砂層，地下連續墻局部區域不進行塑料排水板施工。

3.4 柔性圍箍結構設計

結合工程特點，圓形組合圍堰結構不同于傳統的擋水圍堰結構，既要考慮圍堰外側水流力、波浪力等外部荷載，還需考慮圍堰內側筑島完成后回填土體的側向土壓力荷載，不同施工階段筑島結構受力較為復雜。基于此，為有效平衡圍堰外部荷載與內部荷載，本工程借鑒“環箍效應”，研發了一種自適應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設置平行鋼絲索對組合圍堰結構進行環向約束，圍堰向外變形越大，“環箍效應”越明顯，最終達到管樁與索股的協調變形，并可通過二次調索釋放平行鋼絲索應力，進一步改善組合圍堰受力。

考慮到東錨碇筑島圍堰直徑較大，單根平行鋼絲索長度達480m，與圍堰鋼管樁共158個接觸點。為減少平行鋼絲索在鋼管樁表面的摩擦阻力，同時考慮施工便利性，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，單段長度約80m，與鋼管樁接觸位置設置四氟滑板，保證受力均勻。分段平行鋼絲索之間連接位置設置張拉及錨固系統，由錨具異形螺母、2根φ40mm精軋螺紋鋼和4個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，圍箍結構分層設置數量、高度需綜合考慮鎖扣鋼管樁連接位置結構應力、平行鋼絲拉力、張拉及錨固系統拉桿受力等。經結構計算分析，最終確定采用7根φ7×91平行鋼絲索，平行鋼絲索圍箍頂標高+5.000m，底標高+3.500m，豎向間距25cm，平行鋼絲設計抗拉強度1 760MPa。考慮到平行鋼絲處于海洋環境，采用PE防護套+鍍鋅防腐體系，以保證圍箍結構長期使用安全(見圖6)。

圖6 平行鋼絲索柔性約束裝置

3.5 圍堰外圍組合防護結構設計

考慮到錨碇基礎施工期長，受臺風影響頻繁，河床沖刷將直接影響組合圍堰結構安全。相比傳統的圍堰外側拋石防護，水下模袋混凝土結構具有整體性好、施工便捷、抗沖刷能力強等優點。結合工程特點，為兼顧筑島圍堰沖刷防護和回填土體造成軟土擠淤的影響，在圍堰外側設置水下模袋砂和水下模袋混凝土沖刷防護結構。

為保證圍堰結構長期渡臺穩定，設置水下模袋混凝土厚60cm，寬39.15m，模袋砂設在模袋混凝土下部。為減少回填土對圍堰結構的不利影響，改善結構受力，設兩級斜坡、兩級反壓護道。上層反壓護道頂標高+2.000m，寬6.0m，上層斜坡坡度1∶2，寬6.0m；下層反壓護道頂標高-1.000m，寬15.0m，下層斜坡坡度1∶3，寬12.15m。

4 結語

伶仃洋大橋東錨碇基礎處于離岸海洋環境，采用水中“∞”字形地下連續墻作為錨碇基礎施工支護結構。綜合考慮地下連續墻施工工期、建造成本、工程質量、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，將水上施工環境轉為陸上施工環境。針對離岸、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，縮短固結等待時間。借鑒“環箍效應”，提出一種適應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，實現鋼管樁與平行鋼絲索圍箍的協調變形。圍堰外側沖刷防護采用水下模袋砂/模袋混凝土組合防護結構，設兩級斜坡、兩級反壓護道，兼顧筑島圍堰沖刷防護和回填土體造成軟土擠淤的影響。相比常規圍堰筑島方法，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，可為后續類似工程的設計施工提供參考。