港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程设计关键技术

梁桁，孙英广，毛剑锋

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

1 工程概况

港珠澳大桥连接香港、澳门、珠海三地，是一个大型的跨界工程，其常规通行，须设置可供三地进行查验的口岸，解决出入境货物以及过境旅客的边防、海关检查以及检查检疫等一系列问题。因此，澳门、珠海侧珠澳口岸人工岛和香港侧香港口岸人工岛的建设是港珠澳大桥顺利通车的前提。

珠澳口岸人工岛填海面积208.87万m2，护岸长度6079.344m，陆域回填料总量2163.6万m3，筑岛填海规模巨大，国内罕见。

与工可相比，珠澳口岸人工岛工程初步设计阶段在总平面、岸壁结构、陆域形成及软基处理、景观设计方面均有创新改进。

2 关键技术

2.1 总平面设计

港珠澳大桥建设导致伶仃洋的阻水系数增加一直是各方都十分关注的问题，有关主管部门强调需要将阻水系数控制在10%以内。本工程从珠海接线人工岛至桥头人工岛东西向距离约2440m，阻水横断面相当巨大。其中，珠海接线人工岛东西长1000m，岛体本身东西长1000m，桥头人工岛东西长440m，即珠海接线人工岛的阻水横断面约占了本工程41%。珠海接线人工岛向西北外伸，犹如一道拦水大坝东西横跨在澳门明珠和口岸人工岛之间，将使此处的潮流涨落绕“S”型弯道出入。另外，澳门政府规划在明珠对开海域进行大规模围海造地（图1中阴影为规划澳门填海区），该陆域形成后，澳门明珠的新岸线将与口岸人工岛西护岸、珠海接线人工岛南护岸一起构成1条长2500m，宽仅约为150m的反L型“河道”。该“河道”北侧人工岛与大陆互为咬合，阻水效应大增，潮流动力进一步减弱，水体交换困难，将不可避免地出现严重淤积现象。

通过对工可总平面设计的分析，我们发现工可总平面设计的主要问题是珠海接线人工岛与澳门明珠互相咬合封闭了珠澳口岸人工岛与澳门之间的水体通道，放大了珠澳口岸人工岛的阻水效应。因此，平面优化的主要思路为：利用澳门明珠陆域东侧突出的地形地貌特征，将珠海侧接线人工岛与珠澳口岸岛主体分离，“躲藏”于澳门明珠陆域北侧供隧道穿出，珠海侧接线人工岛与珠澳口岸主岛之间采用透空桥梁连接，减少阻水率。具体调整为：在珠海连接线的总体设计线路和平面不做改变的前提下，隧道出口专用半岛紧贴珠海拱北陆域布置，其外伸长度基本与澳门明珠现有的最东侧海岸线齐平，而后使用透空式跨海桥梁实现侧接线与口岸人工岛的衔接。工可平面AB段（参见图2）原本考虑过水，但其南侧紧邻澳门明珠，过水效果不大，现改为隧道出口专用半岛。工可平面BC段为阻水断面，现改为透空桥梁，实现畅通过水。如澳门政府不实施明珠东侧的围海造地工程，优化平面将能确保人工岛与澳门之间宽约1 km的海域南北通畅，减少了人工岛实施后对海区潮流动力、岸滩演变的影响。如果实施围海造地，优化平面也能基本保证人工岛与澳门之间宽约150m的畅顺“河道”，更有利于水体的交换。

本工程初步设计阶段委托相关科研单位分别对原工可平面和优化后平面开展了潮流、泥沙数学模型试验，结果表明：优化方案出现的环流和弱流区最小，人工岛两侧水流比较顺直通畅，采用实堤和栈桥方式与人工岛连接，其中实堤部分对水流的影响仍控制在现状澳门海岸线影响范围内，工程后的冲淤变化不明显，影响范围相对最小。证明了优化平面在降低阻水率和局部改善潮流动力方面的作用明显，是较为符合该湾区潮流动力特征的人工岛筑岛平面布置方案。

优化后的平面方案具有以下优势：

1）人工岛阻水横断面减少约900m（占阻水横断面总长的37%），降低了各方关注的人工岛阻水率，改善了局部潮流动力条件。

2）隧道长度缩短，替代以常规施工方法的桥梁，节省了珠海侧接线的工程费用。

3）珠海侧接线采用桥梁登岛，降低了人工岛建设与侧接线的衔接难度，更加有利于施工工期的保证。

4）从珠海现有岸线向东填筑半岛做为隧道出口，将原来的水上施工改变成陆上施工，不仅节省投资也有利于保证工程质量和工期，对全线工程的按时顺利通车创造了有利条件。

2.2 岸壁结构设计

珠澳口岸人工岛护岸结构根据方位可分为东、南、西、北四段，其中，东、南护岸直接朝向外海，是无掩护的外海施工工程，而且后续的陆域形成也需要其提供波浪掩护条件，是本项目实施的关键部位，因此，适当加大投入，选用安全可靠、施工经验成熟、具有良好施工期防台能力、可以使用简单设备开展多个工作面同时施工的方案是东、南护岸的设计要点。西、北护岸面向大陆，掩护条件好，而且邻近珠海、澳门的中心城区，所以，在安全可靠的前提下，选用经济环保、施工快速灵活、可以打造优美景观的方案是西、北护岸的设计原则。

结合工程所在地自然条件（波浪、台风等），满足景观设计要求，工程东、南护岸段和西、北护岸段采用不同结构型式，其中东、南护岸采用大开挖抛石斜坡堤方案；西、北护岸采用真空联合堆载预压处理地基后的半直立式堤方案。两种不同护岸结构型式的主要优点如下：

1）东、南护岸（参见图3）。

①该段护岸朝向外海，采用大开挖换填的方式处理地基，换填时基槽底部抛设2m厚块石，挤除了回淤的浮泥，防止了软弱夹层的存在，保障了整体稳定的安全性；

②堤身采用抛石斜坡堤+人工块体护面的结构形式，是国内外广泛使用堤防建设方案，具有大量的成熟经验，而且也在邻近的澳门国际机场被成功使用；

③施工期防台能力强，可靠度高；

④堤身结构全部为块石或素混凝土，经久耐用；

⑤结构中主要耗材为砂和块石，周边供应丰富，价格低廉。

2）西、北护岸（参见图4）。

①该段护岸面向大陆，掩护条件好，具备进行排水固结处理地基的掩护条件。设计采用陆上插打塑料排水板和真空联合堆载预压处理地基，施工质量可控度显著提高，为护岸上部结构建设提供了安全可靠的基础；

②半直立式混合护岸结构直接在处理后的地基上建设，避免了大量的基槽挖泥和换填工程量，经济环保；

③堤身结构为仅需构造配筋的空心方块和浆砌、干砌块石，对混凝土进行防腐涂层保护，耐久性好，可满足120 a使用寿命要求。

本工程初步设计阶段委托相关科研单位对东、南护岸和北护岸开展波浪断面物理模型试验研究，试验结果表明，东、南护岸断面和北护岸断面在各种水位及相应波浪作用下，挡浪墙、护面块体、棱体块石、护底块石等各部位均处于稳定状况，且越浪量满足设计要求。

2.3 陆域形成及软基处理

2.3.1 陆域形成

本工程人工岛陆域形成具有回填量大、工期紧、施工工序多且复杂、海底软弱土层厚、施工水域水深浅、工程场地台风活动频繁、船舶作业范围和时间受限、施工安全隐患大等特点，为人工岛陆域形成施工带来不少困难。

彩色路面已广泛应用于市政道路，这些新颖的路面光鲜亮丽，人流、车流依照颜色各行其道，有条不紊，节省了许多人力，财力。但由于目前市场上没有解决长途运输、低温拌和、彩色沥青混合料造价太高等问题，因此，影响了彩色沥青混合料的推广应用，本文研究形成的自行车道用常温彩色沥青路面设计与施工成套技术，解决了目前彩色沥青混合料的弊端，为常温彩色沥青路面的应用提供了理论依据。

本工程初步设计阶段委托相关科研单位开展了陆域形成工法研究，该研究报告指出：由于海砂作为回填料具有来源丰富、供应量足、施工方便快速、施工质量易于保证、工程性质良好并与后续软基处理方案结合紧密、软基处理相对容易、工期有保证等优点。因此，设计推荐海砂作为本工程陆域形成回填料。

根据测量资料，该工程地点水深一般为2～3m，适合皮带船及开底驳船直接运砂进行水下抛填。因此，设计海砂回填分为四个阶段进行：抛填中细砂至标高±0.0m；之后吹填中粗砂垫层至+2.0m；在+2.0m标高上插排水板；标高+2.0m～+9.4m继续吹填中细砂；部分堆载料的回填采用西、北护岸结构施工前所开挖的砂料。

根据砂源供给情况，现场施工时，陆域形成首先利用现有的2～3m水深采用皮带船或开底驳直接抛填中细砂，约至-1.0m时由于水深限制，改用泵船和绞吸船吹填中细砂至0.0m，泵船及绞吸船继续吹填中粗砂至+2.0m，打设塑料排水板。+2.0m以上采用皮带船打干中粗砂至岛壁，再利用推土机向岛内倒运。

2.3.2 软基处理

本工程软基处理采用堆载联合降水预压法，场地堆载重复利用场地内回填砂做为堆载料，同时，辅助国内罕见的大规模井点降水增加超载比预压基础，不仅大量减少了外购砂量，而且做到了场地弃土最小化，最大限度降低了工程造价。

堆载联合降水预压处理时设计倒载一次，堆载料利用岛内区的回填料。施工时，将整个场地分成A区和C区进行预压处理。整个场地分区流水作业，首先进行A1、C1区的堆载联合降水预压处理，然后进行A2、C2区的预压处理，堆载料利用A1、C1区的卸载料，不足部分借用A1、C1区的部分回填料；接着A2、C2区进行卸载，并将卸载料归还给A1、C1区，最后整个场地进行强夯和碾压密实处理，并平整场地（参见图5）。

堆载联合降水预压法通过设置水平排水垫层并插设排水板来改善地基软土层的排水条件，通过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体的有效应力提高。在堆载荷载和水位下降引起的有效应力增量的共同作用下，软土逐渐发生固结沉降，强度得到增长，软土层得以快速加固（参见图6）。

对加固区进行深井降水，如图7（b）所示，通过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体的有效应力提高，软土层开始发生固结沉降，强度得到增长。降水期间进行场地回填，回填厚度由软基处理沉降量、交工面标高等控制。如图7（c）所示，场地回填后，在水位下降引起的有效应力增量和回填荷载的共同作用下，软土逐渐发生固结沉降。

在降水预压期间，对于原水位线以上部分土层，只受回填荷载作用，无超载预压现象，荷载增量ΔP=Δh×γ；对于原水位线和新水位线之间的软土层，除受回填荷载作用外，还承受了水位降引起的超载预压，荷载增量ΔP=Δh×γ+（Z-H0）γw；对于新水位线以下部分软土层，除受回填荷载作用外，还施加了水位降引起的超载预压，荷载增量ΔP=Δh×γ+ΔHγw（如水位降低5m，相当于施加了50 kPa的超载预压）。

堆载联合降水预压，可看做是在堆载预压基础上增加了一个降水预压荷载，从而使超载比获得额外增加，使土体在较短时间内完成较大的固结沉降，降低工后沉降，从而达到理想的加固目的。

2.4 景观设计

本工程工可设计阶段地面标高为+5.0m（1985国家高程基准，下同），挡浪墙顶标高为+7.5m，地面与挡浪墙顶之间的高差达2.5m，不可避免的给过境旅客带来“坐井观天”的感受。因此，通过对水文条件的深入研究和越浪量标准的合理界定，结合物模试验适当降低挡浪墙顶高程，使人工岛地面与挡浪墙之间高差减少到人体正常身高范围，提供“一望千里、海天一色”的景观感受便成为本工程景观设计的创新方向之一。

本工程初步设计广泛的研究和分析了国内外规范对越浪量标准的界定，为岸壁结构拟定了运营工况、设计工况和校核工况等工况组合和相应的越浪量标准（参见表1），其中，运营工况的设置我们创造性的提出了与港珠澳大桥安全通行风速标准（设置风障后，安全通行风速等级为8级风[7]）相适应的按照10 a一遇外海波浪迭加22m/s（9级风）风速作用下的堤前波浪与100 a一遇潮位进行组合，获得了咨工和业主的一致认同。这些研究成果为合理设置挡浪墙顶高程提供了合理可靠的标准依据。同时，委托相关科研单位开展波浪局部整体和波浪断面物理模型试验，结合岸壁结构设计对局部整体护岸越浪情况、波浪越过护岸后的漫滩情况和护岸断面的越浪情况开展深入研究，为护岸挡浪墙顶高程的确定提供科学试验依据。东、南护岸和北护岸挡浪墙顶高程在试验过程中通过不断优化岸壁结构得以确定，其中东、南护岸挡浪墙顶高程定为6.65m，北护岸挡浪墙顶高程定为6.5m，该岸壁结构下的波浪物模试验结果均满足越浪量标准的要求（如表2、表3所示）。

表1 港珠澳大桥珠澳口岸人工岛越浪量标准

表2 实测东、南护岸胸墙顶部越浪量表

表3 实测北护岸胸墙顶部越浪量表

珠澳口岸人工岛填海工程交工标高+4.8m，陆域标高+5.3m。东、南护岸挡浪墙顶标高+6.65m，与竣工后的人工岛地面高差仅为1.35m。按工可深化研究中的口岸岛平面布置，护岸挡浪墙后至道路边线之间为25m宽的缓冲绿化带，建议将其标高定为+5.45m，这样即可使道路与绿化带的高差相对适宜，又可使此25m宽绿化带与东、南护岸高差缩小至1.20m，进一步提升过境旅客的舒适感受。

本工程西、北护岸临近珠海、澳门核心城区，其中北护岸与珠海拱北最近距离小于2 km，西护岸与澳门明珠最近距离仅1 km（若澳门东填海工程实施，西护岸与澳门最近距离仅约150m）。因此，设计即安全又美观的西、北护岸结构型式便成为本工程景观设计的创新方向之二。

本工程初步设计推荐的西、北结构方案坡脚采用了直立式结构，阻水断面小，上层边坡里侧采用了满足抗浪重量要求的浆砌块石或干砌块石护面，外侧铺设新型环保材料生态袋，并喷播植草美化边坡，在澳门明珠对开海域围海造地后将形成“一河两岸，十里锦绣”的优美风光。

西护岸，与澳门隔水相望，基本不受波浪作用，坡顶无需设置挡浪墙，设计改用美观大方的景观栏杆作为安全围护，为过境旅客提供赏心悦目的景观体验。

3 结语

寻求最适合的设计方案是每一个设计人员遵循的首要设计原则。港珠澳大桥珠澳口岸人工岛设计正是通过充分研究当地的自然条件、材料条件、施工条件及环境条件，不断地从多方面进行优化，最终获得了最适合的建设方案，体现为：

1）优化总平面布置，减少工程建设后对该湾区潮流动力的影响，力争实现冲淤平衡。同时，使侧接线隧道由水上施工变为陆上施工，降低施工难度。

2）根据不同护岸段的自然条件和功能要求，选择合理和适宜的结构断面。东、南护岸采用成熟、可靠，快速且施工期防台能力强的开挖换填式抛石斜坡堤结构；西、北护岸掩护条件好，景观要求高，采用半直立式护岸结构，减少挖泥保护环境的同时，打造“十里锦绣”的美好景色。

3）考虑海区靠近珠海、澳门繁华商区，采用海砂吹填造陆，避免大面积吹淤带来的施工期强污染；同时，通过分区倒载并辅助以降水减少对用砂量的需求，控制工程费用。

4）通过多方论证和分析，并结合大桥运营时的通行限制条件，在保障通行安全和结构安全的前提下，合理确定人工岛的允许越浪标准，控制挡浪墙的顶标高，改善岛上的景观条件。

港珠澳大桥工程是中外瞩目的大型跨海通道工程，珠澳口岸人工岛作为港珠澳大桥重要组成部分，紧邻珠海、澳门主城区，其填海工程方案受到各方关注。本工程初步设计阶段，设计者在总平面、岸壁结构、陆域形成及软基处理、景观设计等关键技术方面突破既往、锐意创新，提出的填海工程方案受到了业主、评审专家及政府相关主管部门的一致好评，并成功运用到工程施工中，为港珠澳大桥建设献出了一份优秀的设计答卷。

[1] JTJ211—99，海港总平面设计规范[S].

[2] 港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程初步设计报告[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2009.

[3] 港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程波浪整体数学模型试验与研究报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2009.

[4] 港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程波浪断面物理模型试验研究报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2009.

[5] 中交第四航务工程勘察设计院有限公司，中交四航工程研究院有限公司.港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程大面积软基处理关键技术研究报告[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2009.

[6] 中交第四航务工程勘察设计院有限公司，中交四航工程研究院有限公司.港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程陆域形成工法研究报告[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2009.

[7] 中交公路规划设计院有限公司，中资泰克交通工程有限公司.港珠澳大桥总体方案深化研究报告分报告之九——风对桥梁上行驶车辆安全性研究报告[R].北京：中交公路规划设计院有限公司，2009.