淺談人工島橋墩的保護措施

隧道位于廣東省珠江口的中心區(qū)域，距虎門大橋約30公里，距香港珠澳大橋約38公里（見圖1）。它連接著廣東省的東部城市、廣東省的廣東省和廣東省的南沙。這是中國的“13五個重點工程”。項目全長約24km，其中跨海段長約22.4km。項目建設(shè)規(guī)模大，技術(shù)難度高，主要結(jié)構(gòu)包括一條6845m長鋼殼沉管隧道，兩個人工島，一座主跨1666m懸索橋和一座主跨580m斜拉橋，是我國繼港珠澳大橋之后又一項重大跨海交通集群工程。深中通道項目采用“東隧西橋”方案，即在深圳側(cè)采用沉管隧道，連接東、西兩個人工島。其中東人工島位于深圳岸側(cè)廣深沿江高速機場互通位置處，為滿足交通功能需求設(shè)置了我國首個水下高速互通；西人工島位于礬石水道的西側(cè)。項目人工島的主要功能是實現(xiàn)海上橋梁與水下隧道的交通轉(zhuǎn)換，同時滿足隧道消防、通風等建筑物布置需要，并提供必要的掩護功能，以保障暗埋段和敞開段隧道的建設(shè)和正常運營1東人工島的設(shè)計1.1東人工島方案比選東人工島首要功能是要滿足實現(xiàn)廣深沿江高速二期4個匝道進出深中通道主線隧道的需要，同時為了實現(xiàn)沿江高速與深圳寶安機場的連接，設(shè)置了復合互通式立體交叉，包括機場互通立交和三圍互通立交。結(jié)合機場復合式互通方案要求，設(shè)計單位提出了4個可行的東人工島方案（見圖2）。最終綜合考慮了交通功能性、區(qū)域排洪影響、福永碼頭影響、珠江治導線影響、廣深沿江預留工程的利用等因素（見表1），選擇了綜合最優(yōu)的方案1即“一體兩翼”島型（見圖3）。東人工島包括核心區(qū)、北側(cè)匝道、南側(cè)匝道等，人工島西端以不突破珠江治導線為原則；東端與深圳地鐵11號線之間預留泄洪通道。人工島沿深中通道項目軸線長度為930m（以擋浪墻內(nèi)邊線計），橫向沿廣深沿江高速軸向長度約為1136m，形成陸域總面積約為35萬m1.2東人工島總體布置(1）功能定位。東人工島在實現(xiàn)主線及匝道橋隧轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，也需滿足項目隧道運營保障及沿線功能設(shè)施布置的要求。該島以海上緊急救援、航道航標養(yǎng)護為主，設(shè)置通風塔、越浪泵房、變配電站、救援碼頭、養(yǎng)護倉庫及管理用房等設(shè)施。為實現(xiàn)以上功能，人工島需在施工期為島上隧道、道路、橋墩、風塔、房建等島內(nèi)構(gòu)筑物的施工創(chuàng)造良好的實施條件，需在運營期保證自身的穩(wěn)定性和耐久性，控制人工島地基的沉降和變形，具備防浪、防沖刷、防船撞的使用功能，避免由于海上波浪、潮流和船舶撞擊等因素對隧道和其他構(gòu)筑物造成破壞而影響整個項目的正常運營。深中通道項目東人工島平面總體布置見圖4。(2）島上建筑。東人工島西南側(cè)設(shè)救援碼頭一座，碼頭長度為165m、寬度為25m，水工結(jié)構(gòu)按照1000t級泊位設(shè)計，滿足救援艇及航標船同時停靠。島體面積大部分為主線隧道和各匝道隧道占地，島上建筑主要包括主線隧道通風機房、匝道隧道通風機房、消防泵房、越浪泵房、雨水泵房、開關(guān)站、供水泵房、航道安全應急及維護管理保障基地的業(yè)務用房、倉庫保養(yǎng)場地、基地維修保養(yǎng)車間等。島上設(shè)環(huán)島路，主要滿足消防救援以及運營期巡視要求。島上水、電、通信等管線均通過福永機場碼頭接上人工島，主線隧道南側(cè)設(shè)綜合管溝。(3）道路。應急救援、管控等功能均設(shè)在島外的三圍互通入口處，車輛可直接進入島內(nèi)隧道。東人工島東側(cè)設(shè)連接橋，為雙向兩車道。主線隧道北側(cè)至通風機房、救援碼頭以及航標保障基地均設(shè)雙向兩車道道路，寬度為8.0m。另外，考慮人工島上消防功能和巡視搶險的需要，東人工島島壁內(nèi)側(cè)設(shè)環(huán)島路。環(huán)島路為單行車道，寬度為5.0m。同時為了滿足島上各建筑單體之間交通需求，設(shè)連接道路，道路寬度為5.0m?？紤]到環(huán)島路受外海越浪海水影響較大，采用水泥混凝土路面。1.3結(jié)構(gòu)形式比選對于東人工島島壁型式，就拋石斜坡式、袋裝砂斜坡式兩種結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)特點、施工難易程度、施工工期、耐久性、使用期可維護性、防撞性能、造價等方面進行比選，最終選擇拋石斜坡式。而島隧結(jié)合部、島橋結(jié)合部受多種因素限制，結(jié)構(gòu)型式可選擇范圍較小，采用扶壁式結(jié)構(gòu)方案。救援碼頭采用重力沉箱式。1.4極端天氣頻發(fā)本工程的人工島靠近外海，工程環(huán)境類似于附近的港珠澳大橋。近年來極端惡劣天氣頻發(fā)，工程海域常年易受極端氣象事件如熱帶氣旋和臺風的侵擾，且往往伴隨歷時長的巨浪和強降雨。項目在設(shè)計使用期內(nèi)很有可能遭遇比常規(guī)設(shè)計工況更為惡劣自然環(huán)境的考驗1.4.1島壁使用期穩(wěn)定性分析(1）施工期：對島壁和圍堰施工穩(wěn)定和內(nèi)力進行分析，采用重現(xiàn)期25年的水位和重現(xiàn)期25年的波浪要素組合。(2）設(shè)計工況：對島壁使用期穩(wěn)定和內(nèi)力進行分析，采用重現(xiàn)期100年的水位和重現(xiàn)期100年的波浪要素組合。(3）極端工況Ⅰ：對島壁使用期極端工況穩(wěn)定和內(nèi)力進行分析驗證，采用重現(xiàn)期300年的水位和重現(xiàn)期300年的波浪要素組合。(4）極端工況Ⅱ：對人工島使用期極端工況島壁結(jié)構(gòu)波浪安全進行復核，采用重現(xiàn)期1000年的水位和重現(xiàn)期1000年的波浪組合，要求島壁結(jié)構(gòu)主體保持穩(wěn)定，允許局部破壞，但不喪失總體防護功能。1.4.2試驗工況設(shè)計綜合考慮東人工島擋浪墻后環(huán)島路車輛和行人的安全、隧道防淹以及島內(nèi)排水能力等要求，允許越浪標準如下：(1）正常通行工況，采用重現(xiàn)期10年的高水位和重現(xiàn)期10年的波浪要素組合，越浪量≤3×10(2）設(shè)計工況，采用重現(xiàn)期100年的高水位和重現(xiàn)期100年的波浪要素組合，越浪量≤5×10(3）極端工況，采用重現(xiàn)期300年的高水位和重現(xiàn)期300年的波浪要素組合，越浪量≤0.015m1.4.3島鯉期越浪量試驗考慮到東人工島建設(shè)條件復雜，為此在初步設(shè)計階段開展了島壁結(jié)構(gòu)斷面物理模型試驗，對島壁擬采用的拋石斜坡式結(jié)構(gòu)、扶壁式結(jié)構(gòu)的越浪量及穩(wěn)定性情況進行了驗證和研究。考慮不同位置處水深及波浪條件差異，拋石斜坡堤采用S向浪（沿江高速西南側(cè)、東南側(cè)）、WSW向浪進行試驗，扶壁式結(jié)構(gòu)采用WSW向浪進行試驗?？紤]海平面上升，拋石斜坡式結(jié)構(gòu)堤頂高程取7.5m（沿江高速西南側(cè)）、7.0m（沿江高速東南側(cè)）。經(jīng)驗算可知，在重現(xiàn)期300年、100年及10年水位對應波浪作用下，越浪量均滿足技術(shù)要求所提出標準；在重現(xiàn)期300年及1000年各水位波浪作用下，斷面各部分均保持穩(wěn)定?？紤]海平面上升的影響，且島隧結(jié)合部扶壁式結(jié)構(gòu)堤頂高程取7.8m時，在重現(xiàn)期300年、100年、10年水位對應波浪作用下，越浪量均滿足技術(shù)要求所提出標準；在重現(xiàn)期300年、1000年各水位波浪作用下，斷面各部分均保持穩(wěn)定。1.5人工島島面設(shè)計東人工島所排水包含越浪海水、島面雨水、敞開段隧道雨水以及隧道和島面污水等4個部分。越浪排水設(shè)計時要同時考慮收集島內(nèi)雨水和機場互通立交橋面雨水。(1）越浪量。本工程根據(jù)重現(xiàn)期300年的高潮位和重現(xiàn)期300年的波浪要素組合條件，越浪量平均值為0.015m(2）島面降雨量。人工島島面設(shè)計降雨強度采用深圳市暴雨強度公式，其中重現(xiàn)期采用100年，降雨歷時為15min。島面匯水面積為35萬m(3）隧道降雨量。主線隧道和各匝道隧道降雨排水系統(tǒng)設(shè)單獨的雨水泵房。雨水通過泵房外排至島上附近的排水溝。(4）隧道及島面污水。隧道廢水通過引自隧道底部的廢水管接入隧道污水處理泵房，島面生活污水接入污水處理設(shè)備，經(jīng)處理后排入附近排水溝。(5）排水方案。東人工島設(shè)置3座越浪泵房和1座雨水泵房。越浪泵房分別位于島內(nèi)西北側(cè)、西南側(cè)和東南側(cè)，雨水泵房位于島內(nèi)東北側(cè)。設(shè)置環(huán)島排水明溝，用于截流越浪和收集島內(nèi)雨水，同時作為泵房的過水通道。泵房出口處設(shè)置排水箱涵，雨量及越浪量較小時采用重力流排水，極端情況時啟動排水泵采用壓力流排水。2高厚層結(jié)構(gòu)變形根據(jù)東人工島平面布置方案，已建廣深沿江高速主線橋42個橋墩位于島內(nèi)或接近島壁結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用嵌巖鉆孔灌注樁。根據(jù)沿江高速業(yè)主要求，東人工島施工期間橋墩水平和垂直位移應不大于5mm。沿江高速沿線存在一定厚度的淤泥層，平均厚度約為8m，最大厚度達到15m，物理力學指標較差。如直接在墩臺下部及兩側(cè)進行回填砂，由于淤泥層強度和抵抗變形能力過低，回填加載過程中有可能在土體內(nèi)產(chǎn)生較大范圍的塑性變形區(qū)，將導致地基發(fā)生過大的沉降和側(cè)向位移。土體側(cè)向位移可引起墩臺樁基產(chǎn)生附加彎矩和變形，當超過允許值時會造成樁基錯動變位，進而引起承載能力降低，嚴重情況下樁基可能發(fā)生斷裂破壞，因此需對各橋墩處的淤泥層采取限制變形的措施，避免由于筑島回填施工造成安全隱患，影響橋墩正常使用。為此，組織開展了人工島填筑以及匝道、主線隧道施工等不利工況條件下的分析計算，提出了臨近橋樁的保護措施和施工關(guān)鍵控制技術(shù)要點2.1匝道結(jié)構(gòu)參數(shù)東人工島填筑并預壓完成后，將進行主線隧道和匝道的島上段基坑開挖。根據(jù)隧道和匝道基坑支護方案，采用鋼管樁+灌注樁（鋼管樁內(nèi)）的復合樁結(jié)構(gòu)。受橋墩附近施工空間限制，為避免不同施工工序之間互相干擾、降低施工難度，填島及基坑開挖施工中均需采取保護措施的橋墩，統(tǒng)一考慮采用鎖口鋼管樁。鋼管樁規(guī)格、打設(shè)深度根據(jù)基坑支護需要確定。受島體填筑和主線隧道基坑開挖影響的2個橋墩，采用直徑1.4m鎖口鋼管樁，壁厚為20mm。受島體填筑和匝道基坑開挖影響的4個橋墩，采用直徑1.5m鎖口鋼管樁，壁厚為16mm。鋼管樁沿橋墩打設(shè)一圈，內(nèi)側(cè)設(shè)置橫撐。2.2旋噴樁法處理根據(jù)平面總體布置方案，東人工島南北端需在沿江高速橋下建設(shè)拋石斜坡式結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用高壓旋噴樁法進行處理。且島壁結(jié)構(gòu)建成后，橋墩兩側(cè)存在較大高差。為避免上述因素使南北端島壁結(jié)構(gòu)附近橋墩產(chǎn)生較大位移，在橋墩附近打設(shè)1.5m鎖口鋼管樁，壁厚為20mm。鋼管樁沿橋墩打設(shè)一圈，內(nèi)側(cè)設(shè)置橫撐。2.3crp-z-20200型鋼板樁除以上所列橋梁墩臺外，其他橋梁墩臺附近打設(shè)一圈CR