超低净空区无处理超软地基吹填研究

2022-03-12金晶张健

中国港湾建设 2022年2期

金晶，张健

（中港疏浚有限公司，上海 200002）

0 引言

围海造地地基的水深浅区域已经基本开发完成，淤泥层厚达10～20 m 的填海工程较为常见[1-2]。在超软地基上回填过程中，需要结合地基处理以保证原始地基的稳定，防止出现淤泥包以及保证后续加载后的稳定性。但是由于受工期以及其他因素的制约，地基处理无法及时完成的情况下，需要优先填海再进行地基处理，增加了填海过程中的难度[3-5]。本文以香港国际机场第三跑道填海工程（以下简称香港三跑工程）为例，研究超低净空区无处理超软地基吹填，以期能为后续类似工程提供借鉴。

1 项目概况

香港三跑工程地处香港离岛区大屿山赤鱲角现有机场岛以北，总投资约2000 亿元港币，业主方为香港机场管理局，主要施工内容包括填海造地、海堤施工、地基处理（水上/陆地水泥深层搅拌桩、排水板、碎石桩）以及排水系统的结构建造等，填海面积约650 hm2，回填砂量约9200 万m3，是香港20 世纪90年代以来最大的综合性大型填海项目。

由于香港三跑工程回填区紧邻现有运行机场，为了确保安全，香港民航管理局对于机场附近的净空高度有严格的管制，限制高度随不同的区域复杂多变，中部区域限高范围示意图见图1。

图1 香港机场限高范围示意图（中部区域）Fig.1 Schematic diagram of height limit range of Hong Kong International Airport(middle area)

2 超净空区情况简介

根据设计要求[6]在地基处理前及大规模回填前，先施工2 m 厚的砂垫层，根据地上建筑物重要性以及工期的紧迫程度，不同区域的地基处理分为：水下DCM（Deep Cement Mixing，深层水泥搅拌）、水下+水上DCM、PVD（Prefabricated Vertical Drain，预制垂直排水板）+水上DCM 区（原方案为PVD+碎石桩、PVD+堆载）；其中，水下地基处理在砂垫层完成后施工，水上地基处理在回填至+3 mPD（香港高程基准面）后施工。

2.1 土质情况

根据项目前期的勘察报告，回填区原海床面基本为淤泥，部分区域作为其他疏浚工程的倾倒区，淤泥厚度在10～30 m 之间，地质条件差，极易在回填过程中发生滑动等不利局面，需要配合地基处理同步进行。

2.2 原设计方案

回填区北侧布置为跑道等重要建筑物，基本为水下DCM，且转换率较高，回填施工过程中地基稳定性较高；回填区南侧限高要求更严格，未来成陆后建筑物重要性相对较小，设计原方案为PVD+堆载，PVD 区在低净空区域可作业时间仅限跑道关闭时，工期冗长，本文主要讨论南部的区域回填以及地基的稳定性。另外，现有机场的排水系统布置在北侧，与填海区相连，而排水系统需要在所有地基处理、新回填区的海堤施工完成后进行，故需预留一个排水渠以供机场系统的排水。

2.3 设计方案优化

2.3.1 方案优化考虑的主要因素

排水板施工难度主要集中在靠近机场的D3a、D2 以及E 区部分，由于受限高影响，E 区的排水板施工仅能在机场跑道关闭时才能施工，一周仅4 d，每天的有效工作时间不足3 h，在面积仅为10 万m2左右的情况下，工期长达6 个月，加之后续交付标高的堆载、静置、卸载，工期将严重拖长，且卸载后的砂料无法处理（按节点要求其他区域已经交付）。

2.3.2 设计优化方案

为缩短工期，针对排水板施工区做出优化：

1） C、D 区的排水板仍施工，但是减少间距，满足回填+3 mPD 需要；

2）减少排水板施工的区域，在回填至+3 mPD 后，进行陆地DCM 施工；

3）取消E 区排水板施工，回填至+3 mPD后，再进行地基处理，建议业主采用高压旋喷桩。

优化方案的分区示意图见图2。

图2 设计优化后地基处理方案（南部）Fig.2 Ground improvement plan after design improvement(south area)

2.3.3 优化方案稳定性计算

1）分析断面选取

由图2 可知，稳定性最差的为E 区未经处理前直接进行回填至+3 mPD 的区域。本文主要针对断面1 和断面2 进行分析、计算。

2）边界条件

①施工荷载

根据设计文件，施工荷载不得超过20 kPa；距斜坡50 m 处，不超过5 kPa。

②潮位（水位）

香港潮位最高潮为+2.5 mPD 左右，故设计要求，最不利条件按施工至+2.5 mPD 以及潮位为+2.5 mPD 时计算，具体见表1。

表1 不同回填阶段的设计潮位/水位Table 1 Design tide level/water level at different backfilling stages

③综合安全系数

根据香港设计相关规定，正常情况下综合安全系数取1.3，极端情况下取1.1。

④原始水深情况

根据浚前测图，断面1 平均原始水深为-4.75 mPD；断面2 平均原始水深为-8.33 mPD。

⑤不同填海阶段设计要求的淤泥土抗剪强度

根据项目的技术要求，不同填海阶段设计要求的淤泥土抗剪强度见表2。

表2 不同阶段设计要求的淤泥土抗剪强度Table 2 Shear strength of silt soil required by design in different stages

3）计算结果

利用PLAXIS 2D 软件对各阶段的最大位移以及稳定性进行计算，断面1 和断面2 汇总结果分别见表3 和表4。

表3 断面1 计算结果汇总表Table 3 Summary of calculation result of section 1

表4 断面2 计算结果汇总表Table 4 Summary of calculation result of section 2

由表3 及表4 可知，总体上分阶段施工后，整体是稳定的，优化方案可行。同时，应该注意到0～+2.5 mPD 阶段稳定性的安全系数最低，断面1 和断面2 分别为1.230 及1.387，施工中应该特别注意。很明显，设计优化带来了工期节约等优势，但也大大增加了未处理区域的回填难度。

3 方案实施

3.1 方案简介

1）砂垫层～-1 mPD

受限高以及现场机场北侧现有海堤布锚影响，使用泵砂船+摊铺头工艺进行分层回填，回填厚度不大于1 m，砂垫层施工完成已经静置超过3 个月。泵砂船通过管线与摊铺头相连，平板驳通过安装的GPS-RTK 进行平面定位，通过绞锚系统，控制移动速度V（移动速度V 由设定的铺砂厚H、产量Q，及铺砂宽度L 确定，V=Q/（HL）），通过摊铺管控制砂料水下释放的位置，进行分层施工。摊铺头施工示意图见图3。

图3 摊铺头施工示意图Fig.3 Diagram of spreader construction

2） -1～0 mPD

施工方法基本同砂垫层～-1 mPD。但是由于香港潮差较低，拖轮及锚艇受吃水限制，施工至0 mPD 难度较大。现场实际过程中，仅能有小部分区域施工至0 mPD。

3） 0～+3 mPD

香港最高潮位基本在2.5 mPD 左右，为了保证后续地基处理的施工，故需要施工至+3 mPD（计算时考虑不利影响所以按+2.5 mPD 进行计算）。由于施工区未能完成施工至0 mPD，再加上如2.3.3 中所述，0 mPD 施工至+2.5 mPD 的稳定性安全系数较低，常规施工方案可能导致不利地基稳定的结果发生。同时考虑到南侧排水渠的重要性，施工期正值香港雨季，所以采取了以下方案：

①由图2 可知，E 区中间DCM 区域将未经地基处理区域分成东西两部分，业主要求的交地顺序也较高，故在施工安排中先形成陆地，控制南侧边线，防止排水渠被回填料淤塞；

②考虑到限高因素影响，总体使用水力吹填方法，利用吹填管线可以灵活布置，避免超高；由于水力吹填边坡较缓，有助提高地基稳定性[7-8]。

③第一步：先在D 区最北侧用水力吹填布置一道小围堰，形成一定的反压效果并保护已施工完PVD 的区域；其中规定好管线布置轴线，根据前期实验，管线中心线两侧15 m 可形成较理想的+3 mPD 平台，可向陆地机械提供足够的工作面。

④第二步：在回填区最南侧布置一道小围堰，挡住将来水力吹填中细颗粒流入排水渠，避免出现淤积；其中，水力吹填1.5 mPD 以下部分，配合陆地机械补足+3 mPD，一方面避免水道淤积，另一方面避免陆推方式单次加载过高，边坡不足导致的地基滑动问题。

⑤第三步：吹填2 道围堤中间区域，吹填过程中每隔一段时间调整吹填管的朝向避免集中加载；24 h 密集观测；每日产量不得超过5000 m3。

⑥将施工区域划分成每段约100 m 长的施工段，使用分叉管安排流水施工，避免因第三步的产量限制导致总体产量降低。

⑦吹填完成后安排陆地机械整平。

⑧未处理区西侧与东侧使用相同方法，对称布置。