浅谈人工岛桥墩的保护措施

浅谈人工岛桥墩的保护措施

隧道位于广东省珠江口的中心区域，距虎门大桥约30公里，距香港珠澳大桥约38公里（见图1）。它连接着广东省的东部城市、广东省的广东省和广东省的南沙。这是中国的“13五个重点工程”。项目全长约24km，其中跨海段长约22.4km。项目建设规模大，技术难度高，主要结构包括一条6845m长钢壳沉管隧道，两个人工岛，一座主跨1666m悬索桥和一座主跨580m斜拉桥，是我国继港珠澳大桥之后又一项重大跨海交通集群工程。深中通道项目采用“东隧西桥”方案，即在深圳侧采用沉管隧道，连接东、西两个人工岛。其中东人工岛位于深圳岸侧广深沿江高速机场互通位置处，为满足交通功能需求设置了我国首个水下高速互通；西人工岛位于矾石水道的西侧。项目人工岛的主要功能是实现海上桥梁与水下隧道的交通转换，同时满足隧道消防、通风等建筑物布置需要，并提供必要的掩护功能，以保障暗埋段和敞开段隧道的建设和正常运营1东人工岛的设计1.1东人工岛方案比选东人工岛首要功能是要满足实现广深沿江高速二期4个匝道进出深中通道主线隧道的需要，同时为了实现沿江高速与深圳宝安机场的连接，设置了复合互通式立体交叉，包括机场互通立交和三围互通立交。结合机场复合式互通方案要求，设计单位提出了4个可行的东人工岛方案（见图2）。最终综合考虑了交通功能性、区域排洪影响、福永码头影响、珠江治导线影响、广深沿江预留工程的利用等因素（见表1），选择了综合最优的方案1即“一体两翼”岛型（见图3）。东人工岛包括核心区、北侧匝道、南侧匝道等，人工岛西端以不突破珠江治导线为原则；东端与深圳地铁11号线之间预留泄洪通道。人工岛沿深中通道项目轴线长度为930m（以挡浪墙内边线计），横向沿广深沿江高速轴向长度约为1136m，形成陆域总面积约为35万m1.2东人工岛总体布置(1）功能定位。东人工岛在实现主线及匝道桥隧转换的基础上，也需满足项目隧道运营保障及沿线功能设施布置的要求。该岛以海上紧急救援、航道航标养护为主，设置通风塔、越浪泵房、变配电站、救援码头、养护仓库及管理用房等设施。为实现以上功能，人工岛需在施工期为岛上隧道、道路、桥墩、风塔、房建等岛内构筑物的施工创造良好的实施条件，需在运营期保证自身的稳定性和耐久性，控制人工岛地基的沉降和变形，具备防浪、防冲刷、防船撞的使用功能，避免由于海上波浪、潮流和船舶撞击等因素对隧道和其他构筑物造成破坏而影响整个项目的正常运营。深中通道项目东人工岛平面总体布置见图4。(2）岛上建筑。东人工岛西南侧设救援码头一座，码头长度为165m、宽度为25m，水工结构按照1000t级泊位设计，满足救援艇及航标船同时停靠。岛体面积大部分为主线隧道和各匝道隧道占地，岛上建筑主要包括主线隧道通风机房、匝道隧道通风机房、消防泵房、越浪泵房、雨水泵房、开关站、供水泵房、航道安全应急及维护管理保障基地的业务用房、仓库保养场地、基地维修保养车间等。岛上设环岛路，主要满足消防救援以及运营期巡视要求。岛上水、电、通信等管线均通过福永机场码头接上人工岛，主线隧道南侧设综合管沟。(3）道路。应急救援、管控等功能均设在岛外的三围互通入口处，车辆可直接进入岛内隧道。东人工岛东侧设连接桥，为双向两车道。主线隧道北侧至通风机房、救援码头以及航标保障基地均设双向两车道道路，宽度为8.0m。另外，考虑人工岛上消防功能和巡视抢险的需要，东人工岛岛壁内侧设环岛路。环岛路为单行车道，宽度为5.0m。同时为了满足岛上各建筑单体之间交通需求，设连接道路，道路宽度为5.0m。考虑到环岛路受外海越浪海水影响较大，采用水泥混凝土路面。1.3结构形式比选对于东人工岛岛壁型式，就抛石斜坡式、袋装砂斜坡式两种结构，从结构特点、施工难易程度、施工工期、耐久性、使用期可维护性、防撞性能、造价等方面进行比选，最终选择抛石斜坡式。而岛隧结合部、岛桥结合部受多种因素限制，结构型式可选择范围较小，采用扶壁式结构方案。救援码头采用重力沉箱式。1.4极端天气频发本工程的人工岛靠近外海，工程环境类似于附近的港珠澳大桥。近年来极端恶劣天气频发，工程海域常年易受极端气象事件如热带气旋和台风的侵扰，且往往伴随历时长的巨浪和强降雨。项目在设计使用期内很有可能遭遇比常规设计工况更为恶劣自然环境的考验1.4.1岛壁使用期稳定性分析(1）施工期：对岛壁和围堰施工稳定和内力进行分析，采用重现期25年的水位和重现期25年的波浪要素组合。(2）设计工况：对岛壁使用期稳定和内力进行分析，采用重现期100年的水位和重现期100年的波浪要素组合。(3）极端工况Ⅰ：对岛壁使用期极端工况稳定和内力进行分析验证，采用重现期300年的水位和重现期300年的波浪要素组合。(4）极端工况Ⅱ：对人工岛使用期极端工况岛壁结构波浪安全进行复核，采用重现期1000年的水位和重现期1000年的波浪组合，要求岛壁结构主体保持稳定，允许局部破坏，但不丧失总体防护功能。1.4.2试验工况设计综合考虑东人工岛挡浪墙后环岛路车辆和行人的安全、隧道防淹以及岛内排水能力等要求，允许越浪标准如下：(1）正常通行工况，采用重现期10年的高水位和重现期10年的波浪要素组合，越浪量≤3×10(2）设计工况，采用重现期100年的高水位和重现期100年的波浪要素组合，越浪量≤5×10(3）极端工况，采用重现期300年的高水位和重现期300年的波浪要素组合，越浪量≤0.015m1.4.3岛鲤期越浪量试验考虑到东人工岛建设条件复杂，为此在初步设计阶段开展了岛壁结构断面物理模型试验，对岛壁拟采用的抛石斜坡式结构、扶壁式结构的越浪量及稳定性情况进行了验证和研究。考虑不同位置处水深及波浪条件差异，抛石斜坡堤采用S向浪（沿江高速西南侧、东南侧）、WSW向浪进行试验，扶壁式结构采用WSW向浪进行试验。考虑海平面上升，抛石斜坡式结构堤顶高程取7.5m（沿江高速西南侧）、7.0m（沿江高速东南侧）。经验算可知，在重现期300年、100年及10年水位对应波浪作用下，越浪量均满足技术要求所提出标准；在重现期300年及1000年各水位波浪作用下，断面各部分均保持稳定。考虑海平面上升的影响，且岛隧结合部扶壁式结构堤顶高程取7.8m时，在重现期300年、100年、10年水位对应波浪作用下，越浪量均满足技术要求所提出标准；在重现期300年、1000年各水位波浪作用下，断面各部分均保持稳定。1.5人工岛岛面设计东人工岛所排水包含越浪海水、岛面雨水、敞开段隧道雨水以及隧道和岛面污水等4个部分。越浪排水设计时要同时考虑收集岛内雨水和机场互通立交桥面雨水。(1）越浪量。本工程根据重现期300年的高潮位和重现期300年的波浪要素组合条件，越浪量平均值为0.015m(2）岛面降雨量。人工岛岛面设计降雨强度采用深圳市暴雨强度公式，其中重现期采用100年，降雨历时为15min。岛面汇水面积为35万m(3）隧道降雨量。主线隧道和各匝道隧道降雨排水系统设单独的雨水泵房。雨水通过泵房外排至岛上附近的排水沟。(4）隧道及岛面污水。隧道废水通过引自隧道底部的废水管接入隧道污水处理泵房，岛面生活污水接入污水处理设备，经处理后排入附近排水沟。(5）排水方案。东人工岛设置3座越浪泵房和1座雨水泵房。越浪泵房分别位于岛内西北侧、西南侧和东南侧，雨水泵房位于岛内东北侧。设置环岛排水明沟，用于截流越浪和收集岛内雨水，同时作为泵房的过水通道。泵房出口处设置排水箱涵，雨量及越浪量较小时采用重力流排水，极端情况时启动排水泵采用压力流排水。2高厚层结构变形根据东人工岛平面布置方案，已建广深沿江高速主线桥42个桥墩位于岛内或接近岛壁结构，基础采用嵌岩钻孔灌注桩。根据沿江高速业主要求，东人工岛施工期间桥墩水平和垂直位移应不大于5mm。沿江高速沿线存在一定厚度的淤泥层，平均厚度约为8m，最大厚度达到15m，物理力学指标较差。如直接在墩台下部及两侧进行回填砂，由于淤泥层强度和抵抗变形能力过低，回填加载过程中有可能在土体内产生较大范围的塑性变形区，将导致地基发生过大的沉降和侧向位移。土体侧向位移可引起墩台桩基产生附加弯矩和变形，当超过允许值时会造成桩基错动变位，进而引起承载能力降低，严重情况下桩基可能发生断裂破坏，因此需对各桥墩处的淤泥层采取限制变形的措施，避免由于筑岛回填施工造成安全隐患，影响桥墩正常使用。为此，组织开展了人工岛填筑以及匝道、主线隧道施工等不利工况条件下的分析计算，提出了临近桥桩的保护措施和施工关键控制技术要点2.1匝道结构参数东人工岛填筑并预压完成后，将进行主线隧道和匝道的岛上段基坑开挖。根据隧道和匝道基坑支护方案，采用钢管桩+灌注桩（钢管桩内）的复合桩结构。受桥墩附近施工空间限制，为避免不同施工工序之间互相干扰、降低施工难度，填岛及基坑开挖施工中均需采取保护措施的桥墩，统一考虑采用锁口钢管桩。钢管桩规格、打设深度根据基坑支护需要确定。受岛体填筑和主线隧道基坑开挖影响的2个桥墩，采用直径1.4m锁口钢管桩，壁厚为20mm。受岛体填筑和匝道基坑开挖影响的4个桥墩，采用直径1.5m锁口钢管桩，壁厚为16mm。钢管桩沿桥墩打设一圈，内侧设置横撑。2.2旋喷桩法处理根据平面总体布置方案，东人工岛南北端需在沿江高速桥下建设抛石斜坡式结构，基础采用高压旋喷桩法进行处理。且岛壁结构建成后，桥墩两侧存在较大高差。为避免上述因素使南北端岛壁结构附近桥墩产生较大位移，在桥墩附近打设1.5m锁口钢管桩，壁厚为20mm。钢管桩沿桥墩打设一圈，内侧设置横撑。2.3crp-z-20200型钢板桩除以上所列桥梁墩台外，其他桥梁墩台附近打设一圈CR