深中通道海上大型锚碇施工筑岛围堰设计

黄修平，杨苏海 ，王孝兵

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；3.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040）

深圳至中山跨江通道（以下简称“深中通道”）地处珠江中游核心区域，位于虎门大桥下游约30 km，距离港珠澳大桥上游约38 km，集“隧、岛、桥”水下枢纽互通于一体，是继港珠澳大桥之后又一世界级超大“隧、岛、桥”集群工程，采用“东隧西桥”方案。其中伶仃洋航道桥采用（580+1 666+580）m三跨全漂浮体系悬索桥，锚碇为海中重力式结构。对于海中锚碇基础，除了日本明石海峡大桥和丹麦的大贝尔特东桥[1]以外，国内外未见其它大型锚碇工程实践。

1 工程概况

深中通道伶仃洋大桥主桥东锚碇基础采用8字形地下连续墙基础[2]，直径2×65 m，地连墙厚1.5 m，嵌入中风化花岗岩层5 m，内衬厚度1.5 m、2.5 m、3.0 m。锚碇基础顶标高+3.0 m，底标高-39.0 m，地连墙底标高-44.6～-81.0 m，工程平面布置见图1所示。

图1 工程平面图（m）Fig.1 Engineering plan(m)

桥位地处华南沿海台风区，夏秋两季强热带风暴年均侵袭1～4次，平均风力7～9级，最大风力12级。桥址属不规则半日潮，平均潮差在0.85～1.70 m，最大潮差在2.30～3.22 m之间，最小潮差在0.04～0.13 m之间。

锚碇区域初始泥面在-5.00 m左右，上部均分布有厚度不等的淤泥、淤泥质粉质黏土软土层，分布区域广泛，淤泥层厚8～13 m，具有含水量高、孔隙比大、高压缩性、强度低的特点[3]。上覆淤泥层土属于欠固结软土，呈流塑状，各土层参数及特性[4]如表1所示。

根据锚碇基础所处自然环境和工程要求，筑岛形成围堰后施工地连墙是可靠的施工方式，有以下施工重点及难点：

表1 土体物理学参数推荐表Table 1 Recommended table of soil physical parameters

1）锚碇基础尺寸巨大，为8字形结构，阻水率要求严格，需合理选用锚碇施工围堰总平面布置。

2）锚碇所处位置淤泥层（N=1～2击）厚度大，且经历台风期，需充分考虑围堰形成过程和成岛后开挖过程的稳定性。

3）围堰施工将改变局部流场结构，影响海床冲刷形态，要合理选择围堰施工顺序。

4）海上作业时间长，大型水上设备使用频率高，需严格控制安全风险。

5）下游侧为中华豚海域保护区，需充分考虑环境保护要求。

2 锚碇筑岛围堰方案比选

为了减小围堰的阻水断面，减小海床冲刷影响，采用圆形围堰方案。对于软弱土层上的筑岛围堰结构，一般有锁口钢管桩筑岛围堰[5]、双排钢板桩筑岛围堰和膜袋砂筑岛围堰[6]3种形式，对各方案特点进行比较，见表2。

表2 筑岛围堰结构形式对比表Table 2 Comparison table of cofferdam structure forms

3 锚碇筑岛围堰总体设计与施工工艺

3.1 设计思路

根据方案比选结果，采用锁口钢管桩筑岛围堰方案。对筑岛范围内软基采用塑料排水板对软基进行加固处理，增强围堰成岛期间和成岛后的稳定性；围堰外侧抛填袋装砂护坡并在其表面抛块石进行防护，减少围堰冲刷。

3.2 总体设计

采用锁口钢管桩围堰为主体、工字形小板桩为补充的组合围堰结构，围堰直径为150 m圆形结构。整个施工区域（直径200 m）内插打塑料排水板后预压进行地基处理，然后施工锁口钢管桩围堰，围堰内部回填砂，围堰外侧抛砂袋护坡并用碎石块进行冲刷防护。

锁口钢管桩采用φ2 000 mm×18 mm（Q235钢），桩长38 m，钢管桩中心间距2.94 m，钢管桩之间通过锁口与工字形小板桩连接。钢管桩上部1.5 m范围内采用7根（91φ7 mm）平行钢丝作为围箍结构，设置高度+3.50～+5.00 m。钢管桩顶标高+6.500 m，桩底标高-31.500 m，围堰内回填砂后做混凝土硬化，硬化后顶标高+3.500 m。锚碇围堰立面图见图2。

3.3 设计要点

1）锁口钢管桩直径与壁厚确定。采用多种直径与壁厚进行比选，保证锁口钢管桩自身具有合适的刚度，不至于水平变形过大引起漏砂等后果，也不至于刚度太小浪费材料且不利于围堰施工精度的控制。

图2 锚碇围堰立面图（尺寸：cm；标高：m）Fig.2 Elevation of anchorage cofferdam(size:cm;elevation:m)

2）围堰外侧围箍形式选择。充分比选钢箱梁围箍和柔性围箍（平行钢丝或者钢绞线）的优劣及本项目的适应性。地基土层为软土，为了保证围箍安装的方便性和在不同施工阶段内力可调性，选择平行钢丝围箍，并采取“镀锌+双层PE套防护”进行处理，保证防腐性能。

3）筑岛范围软土地基处理方式研究。比较换填法、砂石桩法、排水固结法等方法，采用适应性好、施工方便的排水固结法进行处理。采用塑料排水板+砂石垫层排水固结方案，其中塑料排水板采用C型排水板（宽100 mm，厚度≥4.5 mm），排水板布置间距0.8 m（正方形布置），平均长度25 m，排水板底部须进入中砂层。

4）锁口钢管桩间挡土结构研究。锁口钢管桩可以直接采用CT形连接或者CO形连接形式，也可以采用型钢、钢板桩等结构进行填充连接。经过比选，考虑锁口钢管桩的施工误差和软土地基可能引起的变形，采用自制工字形小板桩连接相邻2根钢管桩，可以适应水平变形。

5）围堰筑岛结构整体稳定设计。对围堰岛壁结构内外填砂顺序、外侧防护结构形式进行比较分析，内部回填砂分3次，围堰外侧先抛填袋装砂，然后在其上部抛填块石进行防护，采用内外交替施工，确保整体成岛施工过程稳定性及后期锚碇施工期间岛体稳定性。

3.4 施工工艺

1）水下清淤及垫层施工。在以围堰中心直径226 m范围进行水下清淤，清淤深度约2 m；再以围堰中心以约220 m直径吹填垫层，约2.5 m厚砂垫层+1 m厚碎石子垫层。

2）施工水下塑料排水板。施工范围为以围堰中心200 m直径圆形区域，其中地连墙环形8字形区域不施工排水板，水下塑料排水板底部须进入中砂层。

3）施工岛壁结构。利用浮吊及导向架插打钢管桩及钢管桩之间工字形小板桩。合龙处须根据实际钢管桩偏位及倾斜情况进行特殊定制。

4）安装平行钢丝围箍。在钢管桩顶部设置小型施工平台，分段制作安装平行钢丝围箍，保证接头位置连续，合口位置进行预张拉后锚固。

5）围堰内分层吹填中粗砂，围堰外同步防护。围堰内侧分3次吹填8 m厚（考虑沉降影响）中粗砂，分别为2 m、3 m、3 m；围堰外侧先抛填袋装砂，然后在其上部抛填块石进行防护。

6）做好锚碇地连墙施工前期准备。在围堰边缘位置均布设置集水井；在地下连续墙两侧各采用2排三轴搅拌桩加固；地连墙以外区域施工“碎石垫层+水泥稳定层+混凝土面层”结构。

4 锚碇筑岛围堰计算分析

4.1 整体有限元计算

采用竖向弹性地基梁法[7]对钢管桩进行受力分析计算，钢管桩内力和变形可采用杆系有限元法求解，采用整体有限元模型计算。采用MIDAS Civil有限元软件建立模型，主体结构仅建立钢管桩和平行钢丝围箍，小型钢板桩仅做传力构件，不考虑参与整体受力计算。钢管桩采用梁单元模拟，平行钢丝围箍采用只受拉索单元模拟，钢管桩底部铰结，被动土压力采用土弹簧模拟[8]。

荷载主要考虑围堰结构自重、内外土压力、水压力、局部堆载压力、风荷载、水流力、波浪力等的影响，并对台风工况进行校核。

锚碇钢围堰有限元分析中应力计算采用基本组合，位移计算采用标准组合。

经过计算，钢管桩桩顶位移最大值81.08 mm，钢管桩组合应力最大值90.6 MPa＜205 MPa（Q235B级钢），平行钢丝拉应力389.6 MPa＜1 320 MPa（极限强度标准值为1 860 MPa），安全系数＞3。平行钢丝拉力设计值为1 333 kN。

抗台工况进行校核验算，各构件的应力和变形也满足规范[9]要求，围堰结构整体安全可靠。

4.2 钢管桩围箍处局部计算

钢管桩顶部设置7根（91φ7 mm）平行钢丝作为围箍结构，围箍设置范围约1.5 m高，此范围内钢管桩内部设置换向及竖向筋板加强。

模型中单根平行钢丝最大拉力约1 333 kN（含初张力200 kN），折算为对钢管桩轴向压力约51.7 kN。建立局部模型进行计算，得出钢管桩内部环板与竖向筋板相交位置最大应力约113.31 MPa，可以满足设计要求。

4.3 固结度及沉降计算

利用理正岩土软件建立吹填区域模型，计算地基沉降、淤泥土层的固结度指标以及地基承载力。其中固结度曲线见图3，沉降曲线见图4。固结度计算采用微分方程数值解法，地基总沉降计算采用经验系数法，主固结沉降计算采用e-p曲线法，基底压力按多层土实际重度计算，计算时考虑弥补地基沉降引起的路堤增高量。

图3 固结度曲线Fig.3 Curve of consolidation degree

图4 沉降曲线Fig.4 Settlement curve

1）吹填2 m砂，时间5 d，停留7 d，总计12 d；计算得固结度约5%。

2）吹填3 m砂，时间7 d，停留18 d，总计37 d；计算得固结度约32%。

3）吹填3 m砂，时间7 d，然后进行振冲15 d和等待5 d，总计64 d，计算得固结度约74%。

4）吹填完成后，地基沉降量0.878 m，修正后实际沉降量1.05 m；路面竣工后，基准期内的残余沉降0.608 m；基准期结束时，地基总沉降量1.486 m；考虑沉降修正系数后，最终地基总沉降=1.200×1.486≈1.78 m。

5）总计104 d时，三轴搅拌桩施工完毕，此时固结度约为94%。此时沉降量约为1.435 m。考虑沉降修正系数后，最终地基总沉降=1.200×1.435=1.72 m。

此时11 d时间新增沉降量约25 mm，平均每天增加沉降量2.3 mm。此时沉降基本趋于稳定，可以进入下一步导墙及岛内场地道路施工工序。

6）总计137 d时，导墙施工完毕，固结度约为98%。此时沉降量约为1.475 m。

考虑沉降修正系数后，最终地基总沉降 =1.200×1.475=1.77 m。

7）总计150 d时， 固结度约为99%。此时沉降量约为1.486 m。考虑沉降修正系数后，最终地基总沉降1.78 m。

5 结语

1）通过锁口钢管桩筑岛围堰、双排钢板桩筑岛围堰、膜袋砂筑岛围堰的比选研究，选择新型锁口钢管桩筑岛围堰结构。锚碇围堰地连墙已经施工完成，正在进行开挖，岛体稳定，证明筑岛围堰的选型是成功的。

2）围堰结构设计合理。围堰整体采用圆形结构，减少了海床冲刷；“新型锁口钢管桩+工字形小板桩筑岛”结构施工方便，不需要采用超大型施工机械；柔性围箍结构，方便调整围箍内力从而使围箍与钢管桩内力可以重分配，进而组成一个内生平衡的组合受力体系。

3）地基处理方式得当，现场实际沉降为1 670 mm，与计算结果基本吻合，表明选取的地基土力学参数合理，沉降计算方法得当。采用“塑料排水板+砂石垫层”排水固结方案进行地基处理，岛体内外交替施工填砂和维护结构，解决了海相软土地基加固问题。