上海液化天然气（LNG）接收站陆域形成工程设计

黄晋申，李守龙

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

1 工程概况

上海液化天然气（LNG）接收站位于上海国际航运中心，洋山深水港区东港区的中门堂岛和西门堂岛，陆域形成工程是整个LNG接收站项目的前期工程。

接收站主体陆域形成总面积为42万m2，包括西门堂岛面积约12万m2，中门堂岛面积约3万m2，周边海域面积27万m2[1]。陆域形成工程共分4部分：海堤（分南堤、西内堤、北内堤及联络堤）、岛屿开山、陆域形成及地基处理。南堤位于西门堂岛南侧，前方即为洋山港进港航道，东侧连接中门堂岛，长782 m；西内堤及北内堤环绕西门堂岛连接东侧中门堂岛，总长1 470 m；联络堤连接LNG接收站与后方洋山深水港区的大指头岛，长1 358 m。接收站陆域形成总体平面布置见图1。

2 自然条件

2.1 地质条件

2.1.1 土层物理力学指标

根据工程地质勘察报告，工程海域各土层主要物理力学指标见表1。

表1 土层主要物理力学性质指标

2.1.2 陆域形成地质条件分析

本陆域形成工程范围较大，工程区域地质条件也比较复杂。根据各分部工程位置，结合土层物理力学性质指标，陆域形成地质情况概况如下：

1） 各条海堤位置水域地形变化较大，泥面标高为-0.56～-21.78 m，I淤泥、III1-1淤泥及III1-2淤泥质黏土层广泛发育，具有高含水量，高压缩性，低强度等特征，属典型的海域软土地基。II层各砂质粉土及III3粉细砂条件相对较好，Ⅱ3粉细砂在靠近大指头岛区域较发育，厚度约1.0～7.0 m。深层为IV层及Ⅴ层，均为低压缩性土层，工程地质条件良好。

2） 接收站主体拟陆域形成区地形变化同样较大，靠近岛侧区域泥面标高为+0.08～-5.91 m。远离岛侧区域泥面标高为-10.10～-17.08 m。Ⅰ淤泥、Ⅱ1粉质黏土夹粉砂、Ⅲ1-1淤泥、Ⅲ1-2淤泥质黏土及Ⅲ2淤泥质粉质黏土为不良地基土层，且广泛发育，厚度较大。

2.2 水文条件

2.2.1 基准面

工程潮位以及设计高程系统均以小洋山理论最低潮面为零点，各基准面间的关系见图2。

图2 各基准面相互关系

2.2.2 设计水位

平均海平面：2.56 m（小洋山理论最低潮面，下同）；

潮峰累积频率10%设计高水位：4.51 m；

潮谷累积频率90%设计低水位：0.53 m；

重现期100 a一遇极端高水位：5.83 m；

重现期50 a一遇极端高水位：5.71 m；

重现期50 a一遇极端低水位：-0.47 m。

2.3 波浪条件

工程区域南堤主要受S向波浪的作用，50 a一遇波浪在设计高水位时，H1%=4.07 m，L=63.1 m，T=6.61 s。联络堤主要受NE向波浪的作用，50 a一遇波浪在设计高水位时，H1%=4.29 m，L=54.1 m，T=6.93 s。

施工海域风大，浪较高，寒流、台风每年都有发生，受岛礁地形影响，施工区域流态复杂。

3 工程主要难点

3.1 较复杂的外海岛屿条件

工程地位于洋山深水港东侧的中、西门堂岛，建设时尚为外海孤岛，无相关配套设施。场址区域工程地质、水文条件等均较复杂。西门堂岛山体面积狭小，四周无可用场地，开山土方需立即用于便道施工，石方用于各条永久海堤施工，施工工艺互有交叉，施工组织难度较大。

3.2 LNG接收站的重要性

LNG是危险化工品，又紧邻洋山集装箱深水港区，因而安全性异常重要。南堤靠近洋山港进港航道，直接受外海波浪作用，是保证LNG场站安全的最重要屏障。根据JTJ304—2003《液化天然气码头设计规范》[2]及JTJ298—1998《防波堤设计与施工规范》[3]，确定南堤结构为I级水工建筑物，挡浪墙设计需满足100 a一遇水位+50 a一遇波浪作用下基本不越浪，以保证接收站安全。其它西、北内堤及联络堤设计结构为II级水工建筑物，挡浪墙设计需满足50 a一遇水位+50 a一遇波浪作用下基本不越浪,保证接收站与洋山深水港区唯一联络通道的结构安全。

3.3 LNG接收站的较高使用要求

根据总体设计初始交工要求，陆域形成地基处理后场地残余沉降需小于10 cm。在场地地基有较深厚软土地基、回填荷载较大的情况下，需大面积采用复合地基基础或桩基础，地基处理工程费用昂贵，后经协商，地基处理标准调整为：1） 工后残余沉降小于30 cm；2） 表层6 m范围地基承载力达到150 kPa。调整后场地大部分区域均能满足使用要求，少数重要建筑物基础需后期进行二次处理，大大降低了工程造价。

3.4 工期紧且工程量大

陆域形成工程合同总工期为2 a，工程量较大，开山实方量约330万m3，累计海堤总长度超过3.6 km，海域吹填方量105万m3，站址海域软基地基处理27万m2等。另外工程区域范围广，分部分项工程多，开山、多条海堤、吹填及场地地基处理需同步交叉进行，以满足总工期要求及解决施工场地小、开山石料难以大量堆存等矛盾。

4 陆域形成设计方案及其特点

4.1 设计原则

本工程不同于一般的围海陆域形成造地，它包含多项分部工程：开山、海堤、接收站陆域形成及地基处理。工程地位于外海孤岛，故土石方的来源、既有材料的合理利用就显得尤为重要。如大量的材料需要从外界海运调入，则工程总体造价就不在可控范围内，设计也难言成功，故本工程最重要的设计原则就是土石方总体平衡。

4.2 土石方平衡设计方案

首先计算岛屿既有石料量，按以下步骤进行：1） 接收站范围内的西门堂岛、中门堂岛开山实方量按等高线进行准确计算；2） 根据西门堂岛山体地质勘察资料，估算山体可用的中、微风化石料比例约70%（按实际开山情况动态调整，最后统计出石率约74%）；3）最后考虑开山岩石松散系数（设计取1.3）后得到最终的可用石料量。

以计算松方量为基准进行后续各分部工程设计，将中、微风化石料优先用于3.6 km海堤结构，满足石方平衡；确定合理的场站范围海域吹填砂设计标高，既要便于后续场地地基处理，又要将剩余的开山山皮土及强风化岩用于陆域上层回填及地基处理补填料，最终达到工程总体土石方基本平衡，弃方最小，造价最省的目的。

4.3 海堤设计

4.3.1 南堤及西、北内堤

南堤及西、北内堤均采用对地基较为适应，消波性能良好，易于修复的斜坡堤结构形式。可供选择的围堤地基处理方式很多，如清淤法、插塑料排水板+分层抛填法、复合地基法及爆破挤淤法等。本工程泥面深度及软土厚度适中，西门堂岛又可提供充足的开山石料，考虑土石方平衡，岛周围海堤采用可靠、进度快的爆破挤淤地基处理方案。通过爆除堤下软土层，使堤身坐落于地质条件好的黏土及强风化岩等持力层上，爆破挤淤平均处理深度约13 m。

南堤按基本不越浪标准，根据规范[3]计算堤顶标高取+8.0 m，挡浪墙顶标高考虑沉降因素取+10.3 m，挡浪墙外平台高+9.5 m。结构外坡顶面坡度1∶1.5，按前述设计波浪计算后采用扭王字块体护面，安放1层，单体重量4.5 t，护面层下设置250～450 kg块石垫层，厚度为1.1 m；下部坡度1∶2，护面采用600～800 kg块石；坡底棱体为 300～800 kg抛理块石，坡度1∶3；外坡护底采用10～100 kg块石。围堤内坡设倒滤结构及反滤土工布，防止吹填砂流失，坡度1∶2。南堤典型设计断面见图3。

西、北内堤临海侧为拟建港池，所受波浪较小，故堤顶标高可降至+7.5 m，浆砌块石挡浪墙顶标高+8.0 m。外坡护面1∶1.5，根据设计波浪情况不同，西堤同南堤相接圆弧段采用南堤断面形式；其余西内堤外坡采用栅栏板护面，厚0.45～0.55 m，下设150～250 kg块石垫层0.8 m；北内堤采用300～500 kg块石护面，厚1.1 m，下设50～100 kg块石垫层0.6 m；下部为300～500 kg抛石棱体，外坡1∶3。内坡结构同南堤。

4.3.2 联络堤

根据联络堤具体地质情况，其南段及北段分别采用爆破挤淤法及抛石挤淤法进行地基处理。联络堤中段约500 m海域表层普遍分布有1.5～7 m厚的II3粉细砂层，若同样采用爆破挤淤，一方面由于砂层较硬，爆破埋药将比较困难，另外还需大量的石方置换该层。考虑整个工程的开山石方已不足，且浅层较好的砂层爆除也非常可惜，最终采用插设塑料排水板+分级抛填堤身设计方案。

施工时水上施打塑料排水板，板长16.5～26.5 m，穿透III1-2淤泥质黏土层底并进入下部土层1 m。堤身施工时分级抛填，每一级抛填应有一定的时间间隔（包括加载期约3～4个月），以保证堤身下软土充分排水固结，强度得到增长以满足施工期的稳定要求[4]。联络堤上部断面结构同南堤类似，由于西北侧波浪较大且联络堤是唯一同洋山港区连通的陆路及公用管线通道，故堤顶标高经计算后偏安全取+8.5 m。东北侧挡浪墙顶标高+10 m，外坡护面采用6 t扭王块；西北侧以后为港池，外坡采用300～500 kg大块石护面，顶设0.3 m高护轮坎，两侧坡度均为1∶1.5～1∶3，设反压宽平台满足围堤整体稳定要求。联络堤塑料排水板处理段典型断面见图4。

4.3.3 海堤整体稳定分析

根据JTJ 250—98《港口工程地基规范》[5]进行围堤整体稳定分析，围堤施工期及使用期的内、外坡稳定性均采用费伦纽斯条分法进行计算。

整体稳定计算土层指标的选用原则：原土的强度指标根据工程地质勘察报告选用，各主要土层的抗剪强度指标在施工期采用三轴不固结不排水抗剪强度，使用期采用直剪固快指标，堤下爆填块石层指标按水下块石指标取值，塑料排水板加固海堤考虑地基强度增长。荷载选取：1）施工期堤顶荷载按均布荷载20 kN/m2考虑，后方陆域地基处理堆载预压荷载（堆载至+11.0 m）；2）使用期堤顶荷载堤顶道路按10 kN/m2考虑；3）荷载持久组合：按极端低水位计算整体稳定性。各条海堤整体稳定计算结果见表2。

表2 海堤整体稳定计算结果

各条海堤计算断面内、外坡在施工期抗力分项系数均大于1.1，外坡使用期均大于1.2，满足规范要求。

4.3.4 海堤沉降分析

海堤沉降采用分层总和法并考虑经验修正系数计算，计算位置为海堤堤顶中心。爆破挤淤处理围堤，按一维固结理论计算海堤下土层固结度；塑料排水板加固海堤考虑地基固结及堤身分级施工对沉降影响。各条海堤沉降计算结果见表3。

表3 海堤沉降计算结果

根据表3计算，爆破挤淤处理海堤中心残余沉降为0.22～0.29 m，塑料排水板处理段联络堤中心残余沉降稍大，为0.35～0.41 m，可通过堤顶结构层后期施工及预留部分沉降等措施予以解决。

4.3.5 海堤主要设计特点

1） 工程区域位于洋山深水港，爆破挤淤处理围堤累计长度逾3 km，如此长的爆破挤淤处理围堤设计在上海范围内大规模采用尚属首次。爆破挤淤围堤施工进度快，围堤稳定性好，只要开山石方足够，可同时多个作业面施工，从而有效保证了接收站陆域形成施工的进度要求。

2） 联络堤设计根据地质情况不同，考虑节约造价及施工可行性，联络堤两端分段采用爆破挤淤处理，中间表层砂层较厚段采用了水上插板+堤身分级抛填方案。两种不同堤身处理方式的过渡段是本围堤设计的一个难点，通过插板抛填堤身出水，修筑子堤连接、子堤两侧再多次爆破挤淤的重复地基处理方式，圆满地完成了两个过渡段的设计及施工。

3） 采用爆破挤淤处理围堤设计，成功使用了大量西门堂岛开山石，达到了工程土石方总体平衡的目的，节约了工程造价。

4.4 陆域形成及地基处理设计

接收站最终地坪设计标高为+7.5 m，考虑约0.7 m厚面层结构厚度，确定地基处理后交工面标高为+6.8 m。

4.4.1 陆域形成设计

根据后续的地基处理方案及土石方总体平衡，陆域形成采用吹填砂+回填山皮土方案。按接收站平面布置及西门堂岛山体地形，站址周围海域分为4个分区形成。陆域回填材料考虑便于后续处理，底部采用吹填粉细砂，吹填标高为+4.5 m，上层采用开山山皮土回填。

4.4.2 地基处理设计

接收站靠近山体，地质变化较复杂，局部海域有15 m厚的淤泥质软土层；而且场站陆域形成标准较高，故地基处理需加大力度以满足交工标准。

地基处理采用插设塑料排水板+堆载预压+卸载后强夯方案。主要思路是在施工期通过塑料排水板及堆载预压使下卧软土层充分排水固结，完成绝大部分深层软土沉降；再通过卸载后强夯密实消除大部分回填层的沉降量，同时表层形成5～6 m厚的硬壳层提高地基承载力。

塑料排水板吹填后陆上打设，平均长15 m，正方形布置，间距1.1 m。堆载预压采用山皮土石，堆载顶标高+12 m，分区满载静压4.5个月后卸载至+7.1 m。采用180 t·m强夯法加固回填层，采用两遍跳档夯，夯点间距6 m，单点夯击不小于10击，最后100 t·m搭接普夯及振动碾压后达到地基加固交工面标高+6.8 m。

陆域地基插板处理后，插板范围内软土在吹填及预压附加荷载作用下4.5个月固结度即可达到90%左右；软土下未加固土层固结度按一维固结理论计算，施工期结束时下部未加固土层固结度一般可达0.3～0.6，使用期残余沉降计算按使用荷载30 kPa考虑。各区施工期沉降及使用期残余沉降见表4。

表4 各区地基施工期沉降及使用期残余沉降m

4.4.3 陆域形成及地基处理主要设计特点

1） 以土方平衡为原则，根据剩余开山石土方量，确定合适的吹填砂标高，使之既有一定厚度满足排水及陆上插板施工条件，又将剩余土石方用于回填和地基处理补料，减少了吹填砂量和最终弃方量。

2）针对LNG接收站大部分区域位于海域，软土较厚且不均匀，又有较高的陆域形成交工要求，通过塑料排水板加固深层软土，结合堆载预压在施工期消除大部分沉降量，上部回填层通过卸载后强夯予以密实消除沉降量。从工程主体施工完成到半年后的沉降监测情况看，陆域沉降趋于收敛稳定，加固效果理想。最终接收站场地形成及地基处理造价约215元/m2，同类似陆域形成工程相比造价是比较低的。

5 结语

上海LNG接收站项目陆域形成工程位于洋山深水港区，属典型的外海孤岛作业，区域地质条件比较复杂，分项工程多，海堤累计长度大，陆域形成要求较高，设计上存在一定的难度。总体陆域形成设计要兼顾开山、海堤、填海及海域场地处理，在孤岛条件下最主要设计原则是工程土石方总体平衡。采用进度快、稳定性高的爆破挤淤法置换大部分海堤下的软土地基，使用了全部西门堂岛屿开山石，既满足了施工进度要求，又降低了海堤工程造价。

LNG接收站场地的设计标准要合理。所有场地统一高标准不仅会大幅增加造价，而且还会影响工期。在满足大部分区域使用要求基础上，通过对重要建筑物后期进行二次处理，可大大降低工程费用，且满足工程要求。

[1] 中交第三航务工程勘察设计院.上海液化天然气（LNG）接收站和海底输气干线项目陆域形成工程初步设计、施工图设计[R].上海：中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2005.

[2]JTJ304—2003，液化天然气码头设计规范[S].

[3]JTJ298—1998，防波堤设计与施工规范[S].

[4] 地基处理手册编写委员会.地基处理手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[5] JTJ250—98，港口工程地基规范[S].