既有高速公路桥下深厚淤泥地层筑岛关键技术

2022-07-05彭焱森

中国港湾建设 2022年6期

彭焱森

（深中通道管理中心，广东中山 528400）

跨海通道是联动沿海区域经济发展的重要纽带，人工岛作为以桥隧相结合的跨海通道重要组成部分，筑岛及变形控制的成败对整个工程的影响巨大。人工筑岛一般地处深厚淤泥层海域，填筑施工对近接建构筑物沉降影响巨大，控制人工筑岛对近接建构筑物的影响一直是工程界的难题。

针对该难题国内外学者进行系列研究，明廷涛等[1-2]针对填岛工程不同的地基处理方法进行了研究，以减少由于堆载造成的地基沉降。葛志平等[3]通过有限元软件分析了堆载对桥梁桩基水平位移的影响。梁志浩[4]分析了桥梁周边土体扰动对桥梁桩基的影响。刘龙[5]通过有限元分析了基坑开挖对桥梁基础沉降的影响。陈永红等[6-7]通过有限元结合工程案例，分析了软土地基桥梁基础在偏载作用下的受力及变形，并提出了加固处理方案。余平等[8-9]通过有限元软件分析了不同堆载大小、方式、位置，不同地基处理方式等因素对桥梁基础的影响。李思江[10]结合现场监测数据，通过数值模拟的方法研究在深层软弱土层上堆载工程对桥梁的桩柱及上部结构的影响及控制措施。

上述研究多建立在理论建模基础上，并未涉及具体工程施工技术要点，及如何控制填筑施工对近接建构筑物沉降影响。本文以深中通道东人工岛为例，通过数值建模，施工关键工序控制、变形沉降监测等多种措施对海域人工筑岛进行变形控制和监测，最终实现了筑岛施工时对桥梁安全的保障，研究成果可为后续人工岛填筑对既有构筑物保护的设计、施工提供参考。

1 工程概况

深中通道起自广深沿江高速公路机场互通式立交，接广深沿江高速公路，向西跨越珠江口，在中山马鞍岛登陆，止于横门互通立交，顺接中开高速公路，全长24.03 km，自东向西分别设置东人工岛、隧道、西人工岛、伶仃航道悬索桥、中山大桥斜拉桥及非通航孔桥，是集“桥、岛、隧、地下互通”为一体的系统集群工程[11]。其中东人工岛东西向施工起讫里程为K5+630—K6+560，长930 m，南北向沿江高速轴向1 136 m，陆域面积34.38 万m2，海域使用面积47.63 万m2，东人工岛平面布置如图1 所示。

图1 东人工岛平面布置图Fig.1 Layout plan of east artificial island

东人工岛位于40 跨广深沿江高速高架桥下方，沿江高速为已通车双向8 车道高速公路，设计时速100 km/h，桥梁允许沉降5 mm、侧向位移5 mm，该区域淤泥层平均厚约8 m，最厚达15 m。海砂填筑可能引起桥梁墩台桩基产生附加弯矩、变形沉降，降低承载能力，严重时桩基可能发生断裂破坏，造成桥梁坍塌。如何在深厚淤泥层上填砂筑岛，确保既有桥梁结构安全是筑岛难点。

2 高速公路桥变形控制分析

东人工岛与既有广深沿江高速桥梁存在重叠，为达到正常使用标高，后期需填筑7 m 左右中粗砂，填砂区域存在厚度10 m 左右的软土，填砂过程会导致软土侧向变形和沉降，将对沿江高速桥梁产生较大影响。以软土厚度最大区域49 号、50号桥墩作为分析对象，该区域软土厚度达到13 m。考虑钢板桩内外顺序、横桥顺桥填砂方向，选择4 种工况模拟分析，如表1 所示。

表1 计算工况Table 1 Calculation conditions

第1、2 种工况钢板桩内填砂为一次性填筑，钢板桩外填砂为每次1 m 对称填筑，工况1 为顺桥向左右交替回填，工况2 为横桥向左右交替回填；第3、4 种工况钢板桩外先填砂，每次左右交替对称回填1 m，当外侧填砂高度达到5 m 时，进行钢板桩内一次性填筑。左右对称交替回填1 m 砂至7 m，共需15 次交替回填。

利用有限元模拟软件对49 号、50 号桥墩数值建模，如图2 所示。

图2 49 号桥墩有限元模型Fig.2 Finite element model of No.49 pier

填砂模型为实体施加到初始地表，地基土体采用实体单元模拟，沿江高速桥梁的桩基采用Embedded beam 桩单元。根据设计要求，35 号—74 号桥墩采用钢板桩加固，钢板桩桩顶标高为+3.0 m，桩顶以下3 m 位置布置200 mm×200 mm的工字钢横撑，水平间距1 370 mm 布置1 根横撑。模型尺寸为100 m×100 m×50 m，模型前后左右约束相应的侧向位移，底部约束竖向位移，流固耦合计算时四周及底部采用不透水边界，地表面为自由透水面。根据广深沿江高速桥梁设计要求，49 号桥墩桩基设计荷载为713～753 t，建模中采用单桩桩顶荷载为750 t。

桥墩桩基最大水平位移值与施工步的曲线关系，如图3 所示。随着施工步进行，桥桩最大水平位移整体呈逐步增大趋势，其中，钢板桩内先填砂引起的桥桩位移增长要明显弱于钢板桩外先填砂，填筑完成后，工况1、2 中引起桥桩的位移分别为7.4 mm、4.5 mm，工况3、4 中引起桥桩的位移分别为11.8 mm、14.4 mm。由于采用对称填筑，桥桩水平位移曲线呈波动状，但横桥向对称填筑引起的位移波动明显较顺桥向小，工况1、3 中相邻施工步对称填筑引起桥桩的最大位移差分别为3.2 mm、2.2 mm，工况2、4 中相邻施工步引起桥桩的最大位移差分别为2.7 mm、2.1 mm。桥梁桩基弯矩值与施工步的关系如图4 所示。

图3 桥桩最大水平位移与施工步关系Fig.3 Relationship between maximum horizontal displacement of bridge pile and construction steps

图4 桥桩最大弯矩与施工步关系Fig.4 Relationship between maximum bending moment of bridge pile and construction steps

随着施工步的进行，桥桩最大弯矩值呈先稳定后逐步增大的趋势。当采用钢板桩内先填砂时，横桥向与顺桥向填砂对桥桩弯矩影响趋于一致；但当采用钢板桩外先填砂时，顺桥向填砂引起的桥桩弯矩增幅较横桥向大。钢板桩内先填砂引起的桥桩最大弯矩增长明显弱于钢板桩外先填砂，工况1、2 桥桩的最大弯矩分别为2 333 kN·m、2 290 kN·m，工况3、4 桥桩的最大弯矩分别为5 119 kN·m、4 275 kN·m。

由于桥墩四周采用对称布置钢板桩，横桥向和顺桥向的桥墩水平位移小于10 mm，大部分回填阶段小于5 mm，对称布置方案有利于桥墩两侧回填平衡。左右两侧回填始终保持最大1 m 高差时，横桥向左右两侧回填对邻近桥桩影响更小。采取钢板桩加固时，先填筑钢板桩内回填，再施工钢板桩外侧回填更加有利于对邻近桥桩的保护作用。因此为保障桥墩安全，确定回填施工时按横桥向对称回填、“先内后外”、“内高外低”、“分层、对称、均匀”原则进行控制，分层厚度不大于1 m。

3 桥下筑岛施工

3.1 隔离桩施工

东人工岛在填筑前对影响范围内的沿江高速桥40个墩台采用“钢板桩+导梁+内支撑+内外部中粗砂分层回填”进行保护，如图5 所示。

图5 钢板桩墩台保护平面图Fig.5 Plan of steel sheet pile pier protection

为减少打桩振动对桥墩安全的不利影响，钢板桩采用静压沉桩工艺，分节施工，节段长度根据现场桥梁净空，以方便现场操作。钢板桩沉桩前先施工导向架，钢板桩分为引桩和正桩。施工前先采用机械臂插打4 根第1 节钢板桩引桩，为静压植桩机提供反力及承载平台，引桩与导向架焊接牢固。引桩施工完毕后，将静压植桩机安装到引桩上，施工其余钢板桩，钢板桩分节进行施工，并错开长度，焊接验收完成后，沉桩至设计标高；除引桩外其余钢板桩完成后，再将4 根引桩接长沉桩至设计标高。沉桩过程，利用全站仪全程测量钢板桩垂直度，同时施工期间对桥墩进行振动加速度监测，以测定静压植桩对桥墩承台的振动。

3.2 砂被施工

钢板桩围堰施工完成，桥墩保护桩内分层回填至承台底高程以下后，因深水区淤泥层较厚，为防止桥下区域回填时大面积拱淤，桥墩保护桩外回填施工前先在桥下范围内铺设砂被，铺设厚度为1 m，分2 层施工，每层0.5 m，如图6 所示。

图6 桥下深水区回填施工Fig.6 Backfilling construction along the deep water area under the bridge

根据现场隔离桩间距，加工好“实宽等厚”膜袋，测量原海床面后，利用铺设船铺设膜袋，确保膜袋平坦铺开，通过抽砂泵，将砂水混合物泵送入膜袋，每个泵砂口等时间充填，充填过程中采用水坨或竹竿对充填区域标高进行实时检测，确保充填平整均匀。

3.3 海砂吹填

考虑沿江高速桥墩安全等因素，将场地划分为3个区，分时分段进行回填，首先回填远离沿江桥1 区，再回填沿江高速桥下2 区，最后对称回填3 区。桥下2 区回填砂采用横桥向，按照“先内后外”“内高外低”、“分层、对称、均匀”原则控制。沿江高速桥下回填分为桥墩保护桩内回填及保护桩外回填2 部分，回填顺序为1 区→2区→3 区，填砂时采用横桥向分层对称回填，每跨由桥中心线向两侧方向开始回填施工。

回填时首先在桥墩保护桩内分层回填至承台底高程以下，插打塑料排水板后，再分层回填至设计标高。然后桥墩保护桩内外对称填筑至1.0 m高程，插打塑料排水板后，再分层回填至设计标高，如图6 所示。为保证分层对称回填，水下部分桥墩保护桩内采用绞吸船+吹砂管、水上挖机抛填2 种方式配合回填；保护桩外浅水区采用泵砂船+分散装置回填施工，深水区保护桩外采用泵船+吹砂管吹填，水上挖机及水陆两用挖机配合。水上采用陆域或泵砂船2 种方式回填，运输车与挖机、装载机配合。回填过程中利用人工打水砣方式实时测量，控制分层厚度，并趁低水位在保护桩的外侧标上刻度，为回填高度提供参考，保证回填均匀性及相邻桥跨高差。

4 变形监测

桥墩沉降和位移监测利用2个海上测量平台和平面控制网作为基准网进行监测，监测内容包括沿江高速桥墩沉降、水平位移、倾斜、周边土体深层水平位移以及施工过程中的振动测试。施工开始前采集各个监测项目的静态初始监测数据和后期监测数据进行对比，各监测项目如下。

1）桥墩沉降和水平位移。测点布置采用钻孔安装圆棱镜的方式，每个墩柱布置1个测点，监测仪器采用TM50 进行连续观测，控制值为±5 mm。未施工时监测结果为沉降值和水平位移值均在-0.3～0.3 mm 之间波动。

2）桥墩倾斜。测点布置于墩桥柱的下部，选择盒式固定测斜仪进行自动化实时监测，监测精度0.001°。倾斜值变化量在±0.003°之间。

3）振动监测。监测仪器选择加速度计，测点布置于桥墩承台上，利用多通道振动数据采集仪进行数据采集，并实时上传至平台进行数据分析。未施工时监测结果为加速度0～0.002g，最大振幅0.004 mm，最大频率266 Hz。

4）土体深层水平位移。布置2个土体深层水平位移监测孔，监测点距钢板桩1 m，孔底均进入中风化花岗岩岩层。用测斜仪监测，频率每天2 次。未施工时监测结果为土体深层水平位移最大变化量1.3 mm，深度位于淤泥面以下0.5 m 处。

通过钢板桩施工、砂被施工和回填砂施工期间监测发现，沿江高速桥墩沉降和位移监测数据累计变化量均小于1 mm，其波动曲线与施工前波动曲线基本一致，说明静压植桩施工对沿江高速桥墩位移影响极小。静压植桩机施工期间桥墩各项监测数据变化量很小，说明静压植桩机对桥墩下部的桩基础几乎没有产生侧向挤压作用，砂被、回填砂期间桥墩竖向位移和水平位移曲线均变化稳定，施工安全可控。