深中通道西人工島總體設計及關鍵技術

夏豐勇，胡鵬，翁遠明，劉健，徐文

（1.深中通道管理中心，廣東中山528400；2. 中交水運規劃設計院有限公司，北京 100000；3. 中鐵建港航局集團勘察設計院有限公司，廣東廣州510000；4. 江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇南京211103）

1 項目背景

深圳至中山跨江通道（以下簡稱“深中通道”）位于虎門大橋下游約30 km 的位置，與港珠澳大橋相隔約40 km，屬于珠江中下游的核心地帶。深中通道的建成將深圳經濟特區與中山市、江門市等貫穿到一起，實現地理位置上的“裁彎取直”使其之間的距離大大縮短。 該項目東部與機荷高速相接，西部進入中山馬鞍島，與規劃的中開、東部外環高速對接，項目全長約24 km，其中跨海段長約22.4 km。

位于深中通道的兩個人工島采用東隧西橋方案，西人工島位于礬石水道西側，東人工島位于深圳岸側沿江高速位置處。 文中將總結西人工島的設計要求并探討應用的關鍵技術。

2 西人工島總體設計

2.1 總體平面布置

綜合考慮功能布置需求、水利防洪、運營維護、施工場地及整體景觀等，采用準菱形方案，西人工島主體面積約13.70 萬m2，海域面積約25.58 萬m2，島壁結構長度約1 622 m。

2.2 鋼圓筒結構平面布置

根據西人工島平面布置方案， 結合基坑及銜接段的布置、地基處理方案以及施工場地布置，將鋼圓筒沿西人工島島邊線布置，東側布置西小島基坑，以鋼圓筒作為基坑支護結構， 加快第一段暗埋段隧道（50 m）施工；西大島圍繞隧道和匝道另行設置基坑，地基處理全部采用降水預壓+振沖方案。

西小島共布置直徑28 m 的鋼圓筒14 個，西大島共布置直徑28 m 的鋼圓筒43 個，總數為57 個。先期施工的第一段暗埋隧道（50 m）完成后，共切割8 個鋼圓筒，其中海側5 個為水下切割，陸側3 個為陸上切割。

3 總體施工方案

西人工島總體施工工序包括基槽開挖及換填、島壁結構（插入式鋼圓筒結構+拋石斜坡結構）、陸域形成和地基處理、救援碼頭。

3.1 基槽開挖及換填方案

西小島整體開挖至-17.0 m 標高，開挖范圍為島壁位置處鋼圓筒中心線外側57.5 m， 大小島分隔鋼圓筒外側34 m。 西大島沿圓筒中心線開挖基槽至-17.0 m 標高， 開挖范圍為圓筒中心線外側57.5 m，內側34 m。 西人工島需基槽開挖約68.0 萬m3，基槽開挖（西小島回填2 m 中粗砂）完成后即可進行鋼圓筒振沉作業，振沉后立即在基槽內回填中粗砂至-13.0 m 標高?；坶_挖采用l∶5 開挖邊坡。施工過程中采用分區分段開挖、 分區分段驗收方法，驗收后立即回填?；蹞Q填料采用中粗砂。不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，西人工島需換填中粗砂約79.1 萬m3。

3.2 島壁結構方案

島壁結構設計包括插入式鋼圓筒結構、拋石斜坡結構。 首先將人工島島壁結構下方淤泥開挖至-17.0 m 標高（西小島回填2 m 中粗砂），然后打設鋼圓筒結構，鋼圓筒直徑為28 m，壁厚19 mm，頂高程為3.5 m，底部進入20～30 擊土層0.5 m；鋼圓筒之間標準凈距為2.0 m， 圓筒間通過副格連接，副格倉主體采用弧形鋼板， 設計弧長半徑7.0 m，壁厚14 mm，副格倉頂標高+3.5 m，長度30 m，副格倉重量為51 t。鋼圓筒底部穿透淤泥和淤泥質土層，筒內回填中粗砂， 回填基槽中粗砂至-13.0 m 標高。進行筒內降水預壓地基處理并振沖密實；然后，在島體內部進行預壓地基處理和回填施工， 拋石斜坡結構施工在島外同時進行。鋼圓筒承受內側土壓力、內外水位差和波浪作用下的穩定性為控制工況。

3.2.1 變形穩定性分析

本次對鋼圓筒穩定性和滲流穩定的計算采用有限元法。選取XDZK110（西小島）、XDZK05（西小島）和XDZK57（西大島）三個鉆孔處的地層信息進行了單圓筒三維變形和滲流計算分析。 其中XDZK110孔主要對應于西小島的X1～2 號鋼圓筒，XDZK05 主要對應于西小島的X6～7 號鋼圓筒， 而XDZK57 則主要對應于西大島的X41～42 號鋼圓筒。 由于西小島基坑開挖深度較大，且鋼圓筒距離基坑較近，無論從變形還是滲流的角度都比西大島危險， 是本次分析的控制工況， 特此選擇了兩個西小島所在位置鉆孔和一個西大島所在位置鉆孔進行分析。

為了充分考慮地層起伏的整體效應和鋼圓筒之間的相互作用，研究西小島各鋼圓筒變形分布和總體滲流流量與滲流穩定性，對于西小島進行整體三維變形分析。 各工況具體數據如表1 所示。

表1 變形分析結果單位：cm

計算分析了XDZK110、XDZK05 以及XDZK57鉆孔在控制工況下的鋼圓筒變形穩定性。計算結果顯示，西人工島最不利地層條件下單圓筒模型得到的變形最大值為53.9 cm， 正常使用極限狀態安全系數為1.10，承載能力極限狀態為2.32，滿足變形穩定性要求。西小島整島模型變形分析顯示由于鋼圓筒之間的相互作用，鋼圓筒的變形要小于單圓筒模型計算結果，最大位移為38.1 cm。

3.2.2 滲流穩定分析結果

有限元分析工作針對典型工況下的鋼圓筒滲流穩定性進行了分析。通過對孔壓和上覆土壓力以及土體內有效應力分析表明，對于所有工況，基坑的突涌穩定性和土體流土穩定性均能夠得到滿足。通過分析滲流過程中各層土體的水力坡降進一步顯示，在圓筒和副格內設置降水井進行降水，能夠有效保證滲流穩定性，且抽水量在合理范圍內[1]。

下面以XDZK110 鉆孔在控制工況下為例，給出相關孔壓圖及流速矢量圖。

對于XDZK110 孔控制工況， 單圓筒有旋噴筒內抽水工況的計算采用島外25 y 一遇高水位，同時考慮巖體內的承壓水水頭。 在計算中認為筒內降水與島內平齊至-14 m，圓筒和副隔下設高壓旋噴。

利用流速計算成果， 結合各土層滲透系數可以計算各土層內的水力坡降，從而分析滲流穩定性。經計算， 在該工況下島內單寬滲流量為0.535 m3/d，筒內滲流量為36.70 m3/d。 表2 為各個土層的最大坡降、 允許坡降和滲流穩定安全系數。 從表2 可以看到，各層土內滲流均滿足穩定性要求，最小安全系數出現在2-2-2 淤泥質粉質黏土中，為11.29。

表2 各土層滲流穩定安全系數

對于西小島整島有旋噴筒內抽水工況的計算采用島外25 y 一遇高水位， 同時考慮巖體內的承壓水水頭。 在計算中認為筒內降水與島內平齊至-14 m，圓筒和副格下設高壓旋噴。

利用流速計算成果，結合各土層滲透系數可以計算各土層內的水力坡降，從而分析滲流穩定性。經過計算， 在該工況下島內滲流量為131.04 m3/d，筒和副隔內滲流量為207.19 m3/d。 表3 為各個土層的最大坡降、允許坡降和滲流穩定安全系數。從表3可以看出，各層土內滲流均滿足穩定性要求，最小安全系數出現在3-2 粉質黏土中，為3.97。

突涌穩定分析：經過有限元計算，若鋼圓筒內進行降水至-14 m，并設置旋噴，島內高滲透性巖層頂部孔壓最大值為244.2 kPa，安全系數為1.43，滿足設計要求。

3.2.3 止水效果驗證

根據設計要求，二次止水帷幕止水試驗以島內和周邊圓筒內停泵狀態下的滲流量及承壓水層孔隙水壓力兩項指標作為止水效果評價標準：

（1）小島內滲流水量小于300 m3/d。

（2）島內承壓水位標高小于-11 m。

2019年1月15日至2019年1月21日進行了為期一周的西小島止水帷幕止水性能試驗,試驗時將小島分為東側、西側兩個基坑分別計算。

表4 顯示在二次止水帷幕驗證期間，最大日滲流量為104.37 m3/d，小于設計給定的控制值300 m3/d。

表4 止水效果驗證期間小島滲流量統計

表5 顯示在二次止水帷幕驗證期間，通過孔隙水壓力計算的承壓水水位最大標高為-11.290 m，小于規定的-11.0 m。

高壓旋噴技術實際止水效果滿足設計要求，且滲流量低于理論計算值131.04 m3/d，提高了止水效果。

3.2.4 工程建設后局部水域流態

西人工島建設后，島體對局部水域漲、落潮流動起著顯著的分流作用，在島體的背水面形成尺度較大的環流。 大潮落潮時，人工島南側影響距離島軸線約6 km，人工島北側影響距離島軸線1.6 km。大潮漲潮時，人工島北側影響距離島軸線4.4 km。環流的形狀和大小隨潮流過程變化。

3.3 陸域形成和地基處理方案

該設計主要由島壁結構內側回填、 地基處理、擠密砂樁和鋼圓筒內地基處理等幾部分組成。

島壁結構內側回填和地基處理以鋼圓筒和副格倉島內側鋼板為邊界，面積為10.1 萬m2，島壁結構擠密砂樁面積10.8 萬m2， 鋼圓筒內地基處理面積4.1 萬m2。

表5 止水效果驗證期間小島孔壓統計

（1）內側回填：回填范圍為基槽換填頂標高-13.0 m至交工標高為+4.3 m，包含地基沉降（預壓和振沖）補填砂；地基處理范圍為海積淤泥層和回填砂層。

（2）島壁結構擠密砂樁：水下擠密砂樁施工主要在鋼圓筒外側3.5～58.5 m 范圍進行， 頂高程到隆起淤泥頂部， 底高程位于淤泥質粘土和粉質粘土底部。

（3）鋼圓筒內地基處理：回填范圍為基槽換填頂標高-13.0 m 至筒頂標高為+3.5 m， 包含地基沉降（預壓和振沖）補填砂；地基處理范圍為海積淤泥層和回填砂層。

（4）島體主要采用中粗砂進行回填，當堆載預壓能夠達到工后沉降要求且考慮到固結沉降和中粗砂的鎮沖密實后， 西人工島需回填中粗砂約224.9 萬m3（包含島內回填量及沉降量、基槽回填量筒內回填量）。

4 結論

（1）結合精細化勘察成果，對鋼圓筒在振沉和使用過程中的受力狀態進行了全面精細分析， 對可能出現的風險提出預案，確保設計方案的合理可靠。

（2）應用有限元分析軟件，對鋼圓筒結構在施工及使用全過程進行應力、變形、穩定及止水的實時分析，根據分析結果對設計方案進行優化。

（3）應用BIM 技術，對設計方案進行精細化調整，實現BIM 對設計、施工和管理全過程的指導。

（4）西島圍護采用直徑28 m 的鋼圓筒，使人工島的穩定性增強，挖泥量少，減輕對海洋生態環境影響；采用12 臺振動錘聯動振沉系統，提高了振沉能力；采用DSM 船對水下致密砂層進行預處理；高壓旋噴技術提高了止水效果。