大直徑鋼圓筒技術在港珠澳大橋人工島工程中的應用

讓世界更暢通在港珠澳大橋人工島工程中的應用Contents目錄推廣及應用前景插入式大直徑圓筒技術應用歷史概述插入式大直徑圓筒結構在港珠澳大橋隧道人工島工程中的成功應用大圓筒結構通常是指直徑在6～7米以上的無底、無內(nèi)隔墻的薄壁圓柱殼結構，多由鋼筋混凝土材料或鋼質(zhì)材料制成?！沧畲笾睆?2米〕對深厚軟土地基、水深浪大的惡劣環(huán)境具有良好的適應性。該結構始建于二十世紀四十年代法國。前蘇聯(lián)與烏克蘭在六十年代開始研究和推廣。在日本護岸、防波堤工程中有較為廣泛的應用，典型案例是1994年投入使用的關西海上機場圍海造陸工程，該工程岸壁主體結構就是建在復合地基上的插入式大圓筒結構。工程名稱時間圓筒結構下沉技術工程評價或經(jīng)驗廣州番禺南沙聯(lián)合碼頭工程1995年鋼筋混凝土圓筒，直徑15m，壁厚28cm抽真空聯(lián)合壓載法建成至今結構使用情況良好長江口深水航道治理二期堤頭段試驗工程2002年鋼筋混凝土圓筒，直徑12m，壁厚21~25cm4臺APE400液壓錘聯(lián)動振動圓筒在施工期臺風作用下傾倒。行業(yè)內(nèi)對穩(wěn)定計算方法存在不同意見。但充分驗證振沉工藝是成功的廣州南沙蒲洲海堤護岸工程2003年鋼圓筒，直徑13.5m，壁厚12mm（采用類似鋼管樁防腐的技術）4臺APE400液壓錘聯(lián)動振動只要有良好持力層，結構穩(wěn)定、位移都非常理想，蒲洲海堤護岸全貌圖海堤護岸工程斷面圖4臺APE液壓振動錘聯(lián)動下沉Contents目錄插入式大直徑圓筒技術應用歷史概述插入式大直徑圓筒結構在港珠澳大橋隧道人工島工程中的應用東人工島沉管隧道西人工島澳門珠海香港香港機場澳門機場跨海大橋港珠澳大橋工程地理位置圖1、工程概況人工島呈橢圓蠔貝形，長625m，橫向最寬處約183m〔東島218m〕1、工程概況隧道人工島的功能要求隧道人工島的根本功能是實現(xiàn)海上橋梁和隧道的順利銜接，滿足島上建筑物布置需要，并提供根本掩護功能，保障主體建筑物〔島上隧道〕的順利建設和正常運營，其中：施工期間人工島需至少滿足以下功能要求：〔1〕為島上隧道提供高保障度的干施工條件；〔2〕配合隧道施工，按期提供沉管隧道對接條件?！?〕及時提供沉管施工水平運輸通道。運營期間人工島要穩(wěn)定、耐久，為島上建筑物提供防浪、防沖、防船撞等保護條件。1、工程概況人工島工程具有4個重要特點〔1〕工程所在水域為珠江口航運咽喉區(qū)段，是世界上水上交通最繁忙，通航環(huán)境最復雜的海域，且工程區(qū)穿越中華白海豚保護區(qū)，環(huán)保要求很高。工程地點東莞港廣州港中山港深圳港1、工程概況人工島工程具有4個重要特點〔2〕外海軟土厚達40m，隧道人工島岸壁要提供4-5年施工期內(nèi)高保障度止水環(huán)境，外海筑島止水深基坑建設難度極高?！?〕需要滿足120年的耐久性要求和高標準越浪要求〔極端工況<0.015m3/m.s〕?！?〕東、西人工島是隧道工期的關鍵環(huán)節(jié)，尤其西小島必須盡早為隧道沉管提供對接條件，工期緊。1、工程概況波向水位（m）波浪重現(xiàn)期H1%(m)H13%(m)周期（s）SSESSW1000年一遇高水位4.191000年6.184.5411.1300年高水位3.82300年6.074.3810.5200年高水位3.69200年5.894.2410.4100年高水位3.47100年5.473.9210.250年高水位3.2650年5.103.649.8設計高水位1.65100年5.383.9010.250年4.883.59.85年2.741.907.82年2.171.497.2設計低水位-0.78100年4.673.4110.25年2.521.767.82年1.961.357.2100年低水位-1.33100年4.603.3810.2200年低水位-1.38200年4.643.4210.4★波浪中科院南海所和華南理工于2007年4月-2021年3月在橋址偏東現(xiàn)場臨時觀測一年波浪玫瑰圖年最大波高2.58m，年最大有效波高1.43m，均出現(xiàn)在8月。1、工程概況★工程地質(zhì)：具有軟土厚、含水量高、抗剪強度低、壓縮性高、滲透性差，土體不穩(wěn)定，沉降大等特點。圓筒落在三大層〔粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾砂層〕-37.0m～-47.0m，平均標貫約為10擊1-2淤泥N<11-3淤泥質(zhì)粘土N=1～53-3粉質(zhì)粘土N=8～10.53-2粉質(zhì)粘土夾砂N=13中粗砂N>30厚約37~46m-8.0m～-10.0m1、工程概況1、工程概況2、人工島筑島方案介紹

西人工島鋼圓筒布置平面圖東人工島鋼圓筒布置平面圖鋼圓筒沿人工島前沿線布置：西人工島61個鋼圓筒〔西小島17個〕東人工島59個鋼圓筒〔1〕基坑圍護：采用大型起重船將預制的鋼圓筒沿人工島振沉至不透水層，構筑平安、可靠的隧道施工期止水圍護結構，實現(xiàn)快速整島止水，人工島內(nèi)外兩側可以同步施工。鋼圓筒鋼圓筒2、人工島筑島方案介紹

〔2〕島壁結構：將永久的拋石斜坡堤和臨時鋼圓筒結構相結合，海側護坡結構根底采用局部開挖換填+擠密砂樁復合地基。2、人工島筑島方案介紹

〔3〕地基處理：利用整島止水條件，采用“局部開挖換填、插打塑料排水板、井點降水聯(lián)合堆載〞的方案，實現(xiàn)了大超載比〔1.4~2.1〕預壓，加速固結，減少工后剩余沉降。2、人工島筑島方案介紹

〔1〕整島基槽挖泥至-16.0m；〔2〕下沉鋼圓筒及副格倉；下沉最大深度為29.0m?！?〕鋼圓筒直徑22.0m，壁厚16mm，筒頂標高+3.5m，重約540t，圓筒之間凈距為2.0m，采用副格倉相連。-16.0m鋼圓筒鋼圓筒典型施工過程2、人工島筑島方案介紹

〔1〕島外側需在施打擠密砂樁前回填2.0m碎石墊層?！?〕圓筒內(nèi)回填、插板處理，井點降水預壓；-16.0m碎石墊層碎石墊層2、人工島筑島方案介紹

〔1〕西小島合龍后，島內(nèi)回填砂至-5.0m，降水至-6.0m，插塑料排水板；〔2〕回填砂至+5.0m，降水至-16.0m；〔3〕滿載預壓120天；(西大島滿載預壓150天)〔4〕軟基處理期間，海側可同步施工擠密砂樁〔置換率為25.6%〕和護坡結構；-16.0m中粗砂-5.0m+5.0m擠密砂樁擠密砂樁2、人工島筑島方案介紹

〔1〕軟基處理結束后，基坑開挖至-5.0m；〔2〕施打隧道樁基結構、簡易支護結構；-16.0m-5.0m擠密砂樁擠密砂樁2、人工島筑島方案介紹

〔1〕基坑開挖至-12.5m；〔2〕現(xiàn)澆隧道結構；-16.0m現(xiàn)澆隧道結構擠密砂樁擠密砂樁2、人工島筑島方案介紹

〔1〕回填，拔支護結構樁，周轉使用；〔2〕回填，振沉密實中粗砂；-16.0m現(xiàn)澆隧道結構擠密砂樁擠密砂樁2、人工島筑島方案介紹

目錄1、鋼圓筒穩(wěn)定分析鋼圓筒穩(wěn)定分析采用日本的OCDI和插入式圓筒的施工工法同時采用Plaxis3DFoundation巖土有限元軟件復核。對東、西人工島六種工況組合分析，結果說明位移、地基承載力平安系數(shù)、滑動平安系數(shù)、剪切變形平安系數(shù)等都滿足要求。在此重點介紹三種工況。1、鋼圓筒穩(wěn)定分析工況一：島內(nèi)堆高至+5.0m，島內(nèi)、外水位+1.5m，島外原泥面標高-16.0m，未進行擠密砂樁處理。這種工況結構體受力類似于10萬噸級碼頭。目前，現(xiàn)場施工已進行至該工況狀態(tài)，監(jiān)測說明，結構位移小于15cm，穩(wěn)定情況理想?！泊a頭〕回填中粗砂21.0m工況A示意圖+5.0m-16.0m1、鋼圓筒穩(wěn)定分析工況2：西小島島內(nèi)抽水至-14m，開挖隧道基坑至-12.5m，島外回填至-8m。是整個工程的控制工況，需承受高達17.0m靜水壓力，結構受力狀態(tài)為外海深基坑，較碼頭結構更為復雜。計算結果說明：圓筒穩(wěn)定平安系數(shù)滿足標準要求，結構位移可控。17.0m工況2示意圖-8.0m海側深基坑1、鋼圓筒穩(wěn)定分析工況3：隧道人工島護岸斷面完全形成，分別采用重現(xiàn)期為100年的高潮位及相應設計波高和重現(xiàn)期為100年的低潮位及相應設計波高對穩(wěn)定進行驗算，結果滿足要求。〔護岸〕2.鋼圓筒結構設計〔1〕鋼圓筒頂部1.0m范圍內(nèi)，采用壁厚25mm的鋼板加強?！?〕沿環(huán)向間隔100，焊接T型鋼作為縱向加強肋共36條。〔3〕在鋼圓筒下沉面以上，焊接橫向加強鋼板間距3.2m～3.5m?！?〕鋼圓筒底部0.5m高范圍內(nèi)，采用25mm壁厚鋼板加強。為了滿足鋼圓筒振沉期間的強度要求，分別對鋼圓筒筒頂、筒底、橫向和縱向進行了加強鋼圓筒的振沉采用8臺大型APE600液壓振連動振沉。

主要項目單臺8臺激振力（kN）494839584功率(kW)671.45371.2偏心矩（kg.m）2301840重量（t）23184根據(jù)西島和東島的地質(zhì)資料，選取最不利鉆孔的數(shù)據(jù)采用多種方法對液壓錘的激振力進行了校核，各種計算方法激振力富裕系數(shù)均接近1.4，振幅4.34mm，振沉系統(tǒng)能力滿足要求?！锊捎秒娡健⒁簤和胶蜋C械同步實現(xiàn)8臺液壓振聯(lián)動★糾偏措施：通過持力振沉控制下沉速度、左右勾升降〔必要時反復上拔〕，來調(diào)整鋼圓筒的垂直度。〔東人工島表層存在分布極不均勻的3~5的硬夾層，通過上述措施，鋼圓筒垂直度得到有效控制〕33一航局研發(fā)打設精度管理系統(tǒng)原理：

1、定位駁上安裝2臺GPS接收機，獲得定位駁實時三維數(shù)據(jù)；

2、定位駁上2臺自動跟蹤全站儀和振動梁上4個反射棱鏡實時測量鋼圓筒的平面位置、高程、扭轉角；

3、振動梁上4個液位計實時測量鋼圓筒縱橫方向傾斜率。所有測量數(shù)據(jù)實時傳輸至計算機處理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)鋼圓筒打設的測量定位和精度管理。鋼圓筒振沉過程5.157.259.112021年5月15號振沉第一個鋼圓筒，西島61個鋼圓筒于9月11號合攏〔相當于1450m岸線〕，歷時115天，平均一天振沉1~2個鋼圓筒，頂峰期一天3個筒；東島于9月22號振第一個鋼圓筒，59個鋼圓筒合龍在即?；訃o結構止水設計周邊止水:基坑四周通過鋼圓筒、副格倉插入至不透水層

，實現(xiàn)整島止水。5m底部止水：1〕基槽挖泥至-16.0m，保存≥15m的淤泥質(zhì)土不透水層；2〕塑料排水板不穿透粘土層，保持距離下臥砂層≥5m；鋼圓筒與副格倉的連接止水：副格倉端部焊接T型鎖口與鋼圓筒寬榫槽相連連接處填充止水材料，內(nèi)側采用高壓旋噴作為備用止水措施4、鋼圓筒結構止水效果分析4、鋼圓筒結構止水效果分析島內(nèi)插打塑料排水板島外施打擠密砂樁西小島基坑陸域形成：回填料為中粗砂，陸域形成回填與軟基處理堆載相結合，以不棄方、倒載平衡為原那么，考慮原狀土預壓處理固結沉降以及回填砂自身的振沖密實,需回填中粗砂約205萬m3。

根底處理：人工島采用降水聯(lián)合堆載預壓的軟基處理方案。利用鋼圓筒形成封閉的止水體系，通過設置井點降水使回填中粗砂浮容重變?yōu)樘烊萑葜?，提?.45~2.1的大超載比。陸上插打排水塑料板，作為排水通道，排水板頂標高-15.0m，底標高最大值-40.0m，排水板最長長度為25m。塑料排水板采用原生料D型板，板間距1.0m，正方形布置。西小島滿載預壓120天，西大島滿載預壓150天。5、陸域形成及地基處理插排水板+井點降水堆載預壓示意圖5、陸域形成及地基處理通過對液壓插板機的專項改造，已大量實施塑料排水板打設，打設深度35米，穿透回填砂層11米，每天施工500根以上。西小島現(xiàn)回填至+5.0m，通過12口降水井降水至-16.0m，實現(xiàn)滿載預壓，前期沉降速率為50mm/天，逐步減緩為16mm/天，歷時30天后為5mm/天，累計沉降約2.0m，前期加固效果明顯。擠密砂樁：1.0m直徑套管能形成不小于1.6m的樁徑，相關指標均到達設計要求，2.0m厚的碎石墊層對成效無明顯不利影響，1.5萬米/月.船5、陸域形成及地基處理為滿足120年的使用壽命和高標準越浪要求，鋼圓筒外側輔以拋石斜坡堤結構。6、耐久性設

通過鋼圓筒的直徑、高度和外周長等制作精度來定義驗收標準允許值外圈直徑D±50mm高度+100mm，-0mm外周長±50mm鉛垂度1/1000筒頂平整度±20mm中線垂直偏差1/1000水平偏差±20mm7、鋼圓筒施工驗收標準鋼圓筒振沉要求控制平面位置、鉛垂度和鎖口定位〔圓筒平面角度〕