港珠澳大桥快速人工建岛施工关键技术

1工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，连接香港、珠海和澳门三地，其桥隧主体工程总长约35.00km(其中香港界内约6.00km)，大桥施工采用桥隧组合方案，隧道长5.99km，位于伶仃西和铜鼓航道处，隧道出口与桥梁相接处修建东、西人工岛衔接。港珠澳大桥东人工岛西侧与隧道衔接，东侧与桥衔接，地理位置接近香港大屿山。东人工岛岛体围护结构主要由59根直径为22.0m、厚度为16.0mm的大直径钢圆筒及118片圆弧形副格板桩构成，岛体平面基本为西窄东宽的椭圆形，东西方向长约625.0m，南北方向长约215.0m，工程施工处泥面标高约－10.0m，东人工岛的平面布置如图1所示。图1中1～5为测点位置。
为实现在外海海洋环境下快速成岛，港珠澳大桥东人工岛施工采用大直径钢圆筒和钢副格相结合的快速成岛综合施工技术。利用8台进口APE600型液压振动锤联动振沉系统将大直径钢圆筒插入海底不透水土层形成人工岛体外轮廓，然后在钢圆筒及钢圆筒构成的岛体内吹填砂土形成人工岛，并运用塑料排水板联合堆载预压、水上挤密砂桩等工艺对岛体内外的软土层进行地基处理，最终形成稳定的岛体结构。


2施工流程
港珠澳大桥东人工岛快速成岛施工工艺主要包括基槽开挖、岛体围壁结构施工、地基处理和岛体结构等4部分，施工流程如图2所示。


1)基槽开挖
地质勘测结果表明东人工岛施工区域海床面标高约－10.0m，表层淤泥质土深度平均为20.0m，施工区域需进行基槽开挖。采用耙吸式挖泥船进行初始开挖，后采用抓斗式挖泥船进行精细开挖至－18.0m标高。
2)钢圆筒振沉
采用8台进口APE600型液压振动锤联动将大直径钢圆筒插入海底不透水土层，振沉后顶标高3.5m，钢圆筒之间的间隙打设圆弧钢板桩形成岛体围护结构。
3)地基处理
岛外区打设挤密砂桩;圆筒区回填中粗砂至圆筒顶;岛内区回填砂至－6.0m后抽水形成岛内区干施工作业环境，然后打设塑料排水板及降水深井，并继续回填中粗砂至5.0m后进行降水联合堆载预压。
4)岛体结构
岛外区上部抛石形成岛壁结构，抛石外面安装5t扭工字块体形成护面防护;圆筒区进行挡浪墙施工;岛内区进行岛上结构施工，东人工岛结构剖面示意如图3所示。
3关键施工技术
3.1大直径钢圆筒振沉施工


大直径钢圆筒直径22.0m，壁厚16.0mm，筒重452.18～555.11t，筒顶标高3.5m，筒底标高－37.0～－47.0m，设计垂直精度偏差为1/200。
3.1.1振沉体系
大直径钢圆筒采用世界首创的八锤联动液压振动锤振沉体系进行振沉，振沉体系由吊架、振动锤、同步装置、共振梁、液压夹具和液压设备等组成，振沉体系如图4所示。吊架和共振梁由供锤商设计，国内加工制造。振动锤为8台进口APE600型液压振动锤，采用双向齿轮箱多级传递实现机械同步组成联动振沉体系，振动锤参数如表1所示。




3.1.2定位检测系统
在钢圆筒振沉施工定位驳上安装2台GPS接收机、2台自动跟踪全站仪和计算机处理系统，以及在振沉系统刚性振动梁上安装4个适配反射棱镜和4个液位计，组成一个定位系统，监测钢圆筒平面位置、筒顶高程和纵横向倾斜率。定位监测系统运行时，2台GPS接收机实时接收CORS参考站差分信号获得实时三维数据;全自动跟踪全站仪在人工粗略瞄准棱镜后，能够实现实时测角、测距，4个液位计能够实时测量钢圆筒轴线上高差监测倾斜率，各测量和监测设备的数据实时传输至计算机处理系统，从而实现钢圆筒定位和振沉过程的动态监测。
3.1.3振沉施工工艺
1)施工准备
运输船到位后，起重船通过锚缆绞船移位到运输船驻位处，两船纵轴线相互垂直，起重船起吊钢圆筒并移船至振沉位置。
2)定位
测量人员根据“钢圆筒施工定位监测系统”显示的偏位先对定位驳进行定位，起重船吊钢圆筒至定位驳处后，根据限位架的中线先对钢圆筒进行粗定位，然后将钢圆筒沉入水中距泥面1.0m处时进行精定位，达到设计要求后，落钩自沉。
3)钢圆筒自沉
先利用钢圆筒及振动锤的自重下沉，为保证钢圆筒自沉过程中的垂直度，自沉过程中需严格控制钩头吊重，以500kN为一级减载缓慢落钩，起重船钩头吊重减至3600kN时停止自沉。
4)钢圆筒振沉
自沉完成后开启振动锤振沉，振沉过程中起重船的吊钩始终保持4600.0kN的吊力，并控制钩头下降速度，以减小振沉过程中的倾斜与偏位。若在钢圆筒振沉过程中监测发现有微量偏位和倾斜，调整起重船上两个钩头的快慢和扒杆的变幅进行纠偏;若偏位＞15.0cm、倾斜度＞0.2%时，在不停锤的情况下采取停止钩头下降、振动上拔、松紧锚缆、升降两个钩头和仰俯扒杆等措施进行纠偏，直至筒体偏位和垂直度控制在允许范围内，再落钩继续振沉，直至达到停锤标准。
港珠澳大桥东人工岛成岛施工仅用77d就完成59只钢圆筒的打设，实现了外海形成人工岛体轮廓的快速施工，相比传统的吹砂、抛石等成岛工艺节约了大量工期，且施工更环保、风险更小。
3.2超深塑料排水板施工
东人工岛地基处理的方案为“局部开挖换填，插打塑料排水板、井点降水联合堆载”的大超载比预压方案，加速岛内地基土体固结以减少工后残余沉降。塑料排水板采用原生料D型板，正方形布置，间距1.1m，顶标高－6.0m，底标高－35.0～－46.0m，最大深度为40.0m，且需穿透12.0m厚(－6.0～－18.0m)中粗砂层(回填土)，施工难度较大。
3.2.1设备改进
现有的步履振动式塑料排水板打桩机存在移动不便、振动锤打设钢套管效率低且插入到较深土层后钢套管上拔困难等不足。为实现超深塑料排水板施工，施工过程中采用液压式塑料排水板打桩机的改造技术方案。选用反铲挖掘机的“下部行走体”和“上部回转体”作为塑料排水板打桩机的移动装置，实现打桩机的灵活移动;拆除“斗杆”和“铲斗”，“动臂”和“斗杆油缸”连接机架。机架主体由槽钢、角钢及方钢管等焊接拼装成桁架结构，拼装完成后安装液压电动机、齿轮、传动链条及套管，机架组成立面示意如图5a所示，改进后的设备实物如图5b所示。


3.2.2超深塑料排水板施工工艺
1)穿靴
将塑料排水板从钢套管顶部穿入，再从钢套管底部拉出一定的长度，用临时板靴固定在钢套管上。
2)定位打设
打桩机移动、定位，使钢套管对准塑料排水板设计位置，启动液压电动机，带动主动轮正向转动(以实现钢套管下拉方向为正转向，上拉钢套管为反方向)，并通过传动链条将拉力传递到钢套管上，将钢套管插入设计底标高。
3)拔管
反方向转动液压电动机，通过传动链条上拉钢套管使临时板靴与钢套管脱落，塑料排水板在土层的挤压下留在土中，钢套管底部拔出泥面时，割断塑料排水板，实现1根塑料排水板的打设。
液压式塑料排水板打桩机移动灵活、打设能力强、效率高，施打1根40.0m长的塑料排水板所需时间为1.5min，振动式桩架需要4～5min，改进后的液压式打桩机工效为振动式打桩机的3倍左右。
3.3深海挤密砂桩施工
东人工岛钢圆筒外侧采用抛石作为岛体的护岸结构，为减少后期沉降、提高结构稳定性，采用挤密砂桩对抛石体底部的软土地基进行加固处理。
海上水下挤密砂桩(SCP)是通过振动设备和管腔增压装置把砂强制压入软弱地基中形成扩径砂桩，从而提高地基承载力、加速固结、减少后期沉降。东人工岛深海挤密砂桩采用某工程公司的“砂桩6号”、“砂桩7号”和“砂桩8号”进行施工，3艘砂桩船具体参数如下:船长75.0m，宽26.0m，型深5.2m，设计吃水3.0m，储料仓容积240.0m3，最大施工深度为水下61.0m。本工程区域砂桩最深为－43.0m，按百年一遇高水位+3.47m计算，3艘砂桩船均满足施工要求。
3.3.1施工工艺
砂桩船进行船舶定位之后，将套管打设至设计底标高，利用高压气体排出套管内原状软土，贯入中粗砂并上拔套管一定高度，根据计算数据回打一定高度使得砂桩振动密实，然后边循环打设边上拔套管高度，最终在软土地基中形成一定直径的连续挤密砂桩。深海挤密砂桩的施工流程如图6所示，具体施工工序如下:①采用陆上参考站及GPS测量系统进行船舶定位;②砂桩套管接近泥面，实施低压力加压排水，压力值P根据水深确定，可设定压缩空气最大压力P=0.9PH(PH为桩位泥面处的水压力);③沉设砂桩套管进入土层一定深度，减压灌砂6.0～10.0m3;④加压(0.4～0.5MPa)并持压施打砂桩套管接近设计标高;⑤灌砂、加压(根据桩管所处土层深度设定管内压力)施打砂桩套管至处理土层底标高;⑥灌砂、加压上拔砂桩套管，排砂形成一定高度砂柱，上拔高度由计算确定;⑦加压振动回打扩径，形成一段挤密砂桩，回打深度和每段成桩高度经计算确定;⑧循环灌砂、加压排砂形成砂柱、振动回打扩径，逐段形成挤密砂桩。


3.3.2施工参数
深海挤密砂桩施工过程中，应根据套管底部直径、砂桩设计桩径及每段成桩高度确定每次拔管高度、回打深度等参数，原理如图7所示。图中，A为回打高度;SL1，SL2为拔管前后实测管内砂面标高;GL1，GL2为拔管前后实测套管底面标高，ΔGL=GL2－GL1;d2为套管底部内径;D为扩径后砂桩直径;H为成桩高度。
计算公式如下。

图7　挤密砂桩每段回打及成桩高度计算原理


根据上述公式计算确定每次拔管高度、回打深度等参数，并输入砂桩自动监控系统，监控系统自动记录每段的成桩直径与标高，并通过显示窗口实现实时监控。由于挤密砂桩是多次循环“拔管-回打”逐段形成完整桩体，为防止砂桩缩径等，每次循环的成桩高度一般控制在1.0m左右。


4施工效果
港珠澳大桥东人工岛大直径钢圆筒振沉施工完成后，在后期岛内回填砂、地基处理和岛外深海挤密砂桩处理过程中，对钢圆筒的位移和沉降进行监测，部分钢圆筒的监测结果如图8所示，其中每个测点的位置如图1所示，其中，x以正北为正方向;y以正东为正方向。
通过图8部分钢圆筒位移和沉降监测结果可以发现:钢圆筒x方向位移的最大值为1118.0mm，即3号钢圆筒向北偏移1.12m，钢圆筒y方向位移的最大值为－790.0mm，即2号钢圆筒向西偏移了0.79m;钢圆筒的竖向沉降最大值为4号筒沉降了1485.0mm。但在钢圆筒振沉施工完成400d后，钢圆筒的位移和沉降基本趋于稳定，形成了稳定的岛体结构。
5结语
由于港珠澳大桥东人工岛采用了大直径钢圆筒和钢副格相结合的快速成岛施工工艺，仅用77d就完成59根钢圆筒的打设，实现了在外海形成人工岛体轮廓的快速施工，然后在钢圆筒及钢圆筒构成的岛体内吹填砂土，并采用塑料排水板联合堆载预压、水上挤密砂桩等工艺对岛体内外的软土层进行地基处理，最终形成稳定的岛体结构，相比传统的吹砂、抛石等成岛工艺节约了大量工期，且施工更环保、风险更小。港珠澳大桥东人工岛快速人工建岛施工工艺的成功运用，实现了深海大型人工岛的快速成型、规模化作业和环保施工，为外海海洋资源开发提供了可靠的工程保障。