彭焱森

（深中通道管理中心，廣東 中山 528400）

跨海通道是聯(lián)動沿海區(qū)域經濟發(fā)展的重要紐帶，人工島作為以橋隧相結合的跨海通道重要組成部分，筑島及變形控制的成敗對整個工程的影響巨大。人工筑島一般地處深厚淤泥層海域，填筑施工對近接建構筑物沉降影響巨大，控制人工筑島對近接建構筑物的影響一直是工程界的難題。

針對該難題國內外學者進行系列研究，明廷濤等[1-2]針對填島工程不同的地基處理方法進行了研究，以減少由于堆載造成的地基沉降。葛志平等[3]通過有限元軟件分析了堆載對橋梁樁基水平位移的影響。梁志浩[4]分析了橋梁周邊土體擾動對橋梁樁基的影響。劉龍[5]通過有限元分析了基坑開挖對橋梁基礎沉降的影響。陳永紅等[6-7]通過有限元結合工程案例，分析了軟土地基橋梁基礎在偏載作用下的受力及變形，并提出了加固處理方案。余平等[8-9]通過有限元軟件分析了不同堆載大小、方式、位置，不同地基處理方式等因素對橋梁基礎的影響。李思江[10]結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬的方法研究在深層軟弱土層上堆載工程對橋梁的樁柱及上部結構的影響及控制措施。

上述研究多建立在理論建?；A上，并未涉及具體工程施工技術要點，及如何控制填筑施工對近接建構筑物沉降影響。本文以深中通道東人工島為例，通過數(shù)值建模，施工關鍵工序控制、變形沉降監(jiān)測等多種措施對海域人工筑島進行變形控制和監(jiān)測，最終實現(xiàn)了筑島施工時對橋梁安全的保障，研究成果可為后續(xù)人工島填筑對既有構筑物保護的設計、施工提供參考。

1 工程概況

深中通道起自廣深沿江高速公路機場互通式立交，接廣深沿江高速公路，向西跨越珠江口，在中山馬鞍島登陸，止于橫門互通立交，順接中開高速公路，全長24.03 km，自東向西分別設置東人工島、隧道、西人工島、伶仃航道懸索橋、中山大橋斜拉橋及非通航孔橋，是集“橋、島、隧、地下互通”為一體的系統(tǒng)集群工程[11]。其中東人工島東西向施工起訖里程為K5+630—K6+560，長930 m，南北向沿江高速軸向1 136 m，陸域面積34.38 萬m2，海域使用面積47.63 萬m2，東人工島平面布置如圖1 所示。

圖1 東人工島平面布置圖Fig.1 Layout plan of east artificial island

東人工島位于40 跨廣深沿江高速高架橋下方，沿江高速為已通車雙向8 車道高速公路，設計時速100 km/h，橋梁允許沉降5 mm、側向位移5 mm，該區(qū)域淤泥層平均厚約8 m，最厚達15 m。海砂填筑可能引起橋梁墩臺樁基產生附加彎矩、變形沉降，降低承載能力，嚴重時樁基可能發(fā)生斷裂破壞，造成橋梁坍塌。如何在深厚淤泥層上填砂筑島，確保既有橋梁結構安全是筑島難點。

2 高速公路橋變形控制分析

東人工島與既有廣深沿江高速橋梁存在重疊，為達到正常使用標高，后期需填筑7 m 左右中粗砂，填砂區(qū)域存在厚度10 m 左右的軟土，填砂過程會導致軟土側向變形和沉降，將對沿江高速橋梁產生較大影響。以軟土厚度最大區(qū)域49 號、50號橋墩作為分析對象，該區(qū)域軟土厚度達到13 m?？紤]鋼板樁內外順序、橫橋順橋填砂方向，選擇4 種工況模擬分析，如表1 所示。

表1 計算工況Table 1 Calculation conditions

第1、2 種工況鋼板樁內填砂為一次性填筑，鋼板樁外填砂為每次1 m 對稱填筑，工況1 為順橋向左右交替回填，工況2 為橫橋向左右交替回填；第3、4 種工況鋼板樁外先填砂，每次左右交替對稱回填1 m，當外側填砂高度達到5 m 時，進行鋼板樁內一次性填筑。左右對稱交替回填1 m 砂至7 m，共需15 次交替回填。

利用有限元模擬軟件對49 號、50 號橋墩數(shù)值建模，如圖2 所示。

圖2 49 號橋墩有限元模型Fig.2 Finite element model of No.49 pier

填砂模型為實體施加到初始地表，地基土體采用實體單元模擬，沿江高速橋梁的樁基采用Embedded beam 樁單元。根據(jù)設計要求，35 號—74 號橋墩采用鋼板樁加固，鋼板樁樁頂標高為+3.0 m，樁頂以下3 m 位置布置200 mm×200 mm的工字鋼橫撐，水平間距1 370 mm 布置1 根橫撐。模型尺寸為100 m×100 m×50 m，模型前后左右約束相應的側向位移，底部約束豎向位移，流固耦合計算時四周及底部采用不透水邊界，地表面為自由透水面。根據(jù)廣深沿江高速橋梁設計要求，49 號橋墩樁基設計荷載為713～753 t，建模中采用單樁樁頂荷載為750 t。

橋墩樁基最大水平位移值與施工步的曲線關系，如圖3 所示。隨著施工步進行，橋樁最大水平位移整體呈逐步增大趨勢，其中，鋼板樁內先填砂引起的橋樁位移增長要明顯弱于鋼板樁外先填砂，填筑完成后，工況1、2 中引起橋樁的位移分別為7.4 mm、4.5 mm，工況3、4 中引起橋樁的位移分別為11.8 mm、14.4 mm。由于采用對稱填筑，橋樁水平位移曲線呈波動狀，但橫橋向對稱填筑引起的位移波動明顯較順橋向小，工況1、3 中相鄰施工步對稱填筑引起橋樁的最大位移差分別為3.2 mm、2.2 mm，工況2、4 中相鄰施工步引起橋樁的最大位移差分別為2.7 mm、2.1 mm。橋梁樁基彎矩值與施工步的關系如圖4 所示。

圖3 橋樁最大水平位移與施工步關系Fig.3 Relationship between maximum horizontal displacement of bridge pile and construction steps

圖4 橋樁最大彎矩與施工步關系Fig.4 Relationship between maximum bending moment of bridge pile and construction steps

隨著施工步的進行，橋樁最大彎矩值呈先穩(wěn)定后逐步增大的趨勢。當采用鋼板樁內先填砂時，橫橋向與順橋向填砂對橋樁彎矩影響趨于一致；但當采用鋼板樁外先填砂時，順橋向填砂引起的橋樁彎矩增幅較橫橋向大。鋼板樁內先填砂引起的橋樁最大彎矩增長明顯弱于鋼板樁外先填砂，工況1、2 橋樁的最大彎矩分別為2 333 kN·m、2 290 kN·m，工況3、4 橋樁的最大彎矩分別為5 119 kN·m、4 275 kN·m。

由于橋墩四周采用對稱布置鋼板樁，橫橋向和順橋向的橋墩水平位移小于10 mm，大部分回填階段小于5 mm，對稱布置方案有利于橋墩兩側回填平衡。左右兩側回填始終保持最大1 m 高差時，橫橋向左右兩側回填對鄰近橋樁影響更小。采取鋼板樁加固時，先填筑鋼板樁內回填，再施工鋼板樁外側回填更加有利于對鄰近橋樁的保護作用。因此為保障橋墩安全，確定回填施工時按橫橋向對稱回填、“先內后外”、“內高外低”、“分層、對稱、均勻”原則進行控制，分層厚度不大于1 m。

3 橋下筑島施工

3.1 隔離樁施工

東人工島在填筑前對影響范圍內的沿江高速橋40個墩臺采用“鋼板樁+導梁+內支撐+內外部中粗砂分層回填”進行保護，如圖5 所示。

圖5 鋼板樁墩臺保護平面圖Fig.5 Plan of steel sheet pile pier protection

為減少打樁振動對橋墩安全的不利影響，鋼板樁采用靜壓沉樁工藝，分節(jié)施工，節(jié)段長度根據(jù)現(xiàn)場橋梁凈空，以方便現(xiàn)場操作。鋼板樁沉樁前先施工導向架，鋼板樁分為引樁和正樁。施工前先采用機械臂插打4 根第1 節(jié)鋼板樁引樁，為靜壓植樁機提供反力及承載平臺，引樁與導向架焊接牢固。引樁施工完畢后，將靜壓植樁機安裝到引樁上，施工其余鋼板樁，鋼板樁分節(jié)進行施工，并錯開長度，焊接驗收完成后，沉樁至設計標高；除引樁外其余鋼板樁完成后，再將4 根引樁接長沉樁至設計標高。沉樁過程，利用全站儀全程測量鋼板樁垂直度，同時施工期間對橋墩進行振動加速度監(jiān)測，以測定靜壓植樁對橋墩承臺的振動。

3.2 砂被施工

鋼板樁圍堰施工完成，橋墩保護樁內分層回填至承臺底高程以下后，因深水區(qū)淤泥層較厚，為防止橋下區(qū)域回填時大面積拱淤，橋墩保護樁外回填施工前先在橋下范圍內鋪設砂被，鋪設厚度為1 m，分2 層施工，每層0.5 m，如圖6 所示。

圖6 橋下深水區(qū)回填施工Fig.6 Backfilling construction along the deep water area under the bridge

根據(jù)現(xiàn)場隔離樁間距，加工好“實寬等厚”膜袋，測量原海床面后，利用鋪設船鋪設膜袋，確保膜袋平坦鋪開，通過抽砂泵，將砂水混合物泵送入膜袋，每個泵砂口等時間充填，充填過程中采用水坨或竹竿對充填區(qū)域標高進行實時檢測，確保充填平整均勻。

3.3 海砂吹填

考慮沿江高速橋墩安全等因素，將場地劃分為3個區(qū)，分時分段進行回填，首先回填遠離沿江橋1 區(qū)，再回填沿江高速橋下2 區(qū)，最后對稱回填3 區(qū)。橋下2 區(qū)回填砂采用橫橋向，按照“先內后外”“內高外低”、“分層、對稱、均勻”原則控制。沿江高速橋下回填分為橋墩保護樁內回填及保護樁外回填2 部分，回填順序為1 區(qū)→2區(qū)→3 區(qū)，填砂時采用橫橋向分層對稱回填，每跨由橋中心線向兩側方向開始回填施工。

回填時首先在橋墩保護樁內分層回填至承臺底高程以下，插打塑料排水板后，再分層回填至設計標高。然后橋墩保護樁內外對稱填筑至1.0 m高程，插打塑料排水板后，再分層回填至設計標高，如圖6 所示。為保證分層對稱回填，水下部分橋墩保護樁內采用絞吸船+吹砂管、水上挖機拋填2 種方式配合回填；保護樁外淺水區(qū)采用泵砂船+分散裝置回填施工，深水區(qū)保護樁外采用泵船+吹砂管吹填，水上挖機及水陸兩用挖機配合。水上采用陸域或泵砂船2 種方式回填，運輸車與挖機、裝載機配合?；靥钸^程中利用人工打水砣方式實時測量，控制分層厚度，并趁低水位在保護樁的外側標上刻度，為回填高度提供參考，保證回填均勻性及相鄰橋跨高差。

4 變形監(jiān)測

橋墩沉降和位移監(jiān)測利用2個海上測量平臺和平面控制網作為基準網進行監(jiān)測，監(jiān)測內容包括沿江高速橋墩沉降、水平位移、傾斜、周邊土體深層水平位移以及施工過程中的振動測試。施工開始前采集各個監(jiān)測項目的靜態(tài)初始監(jiān)測數(shù)據(jù)和后期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，各監(jiān)測項目如下。

1）橋墩沉降和水平位移。測點布置采用鉆孔安裝圓棱鏡的方式，每個墩柱布置1個測點，監(jiān)測儀器采用TM50 進行連續(xù)觀測，控制值為±5 mm。未施工時監(jiān)測結果為沉降值和水平位移值均在-0.3～0.3 mm 之間波動。

2）橋墩傾斜。測點布置于墩橋柱的下部，選擇盒式固定測斜儀進行自動化實時監(jiān)測，監(jiān)測精度0.001°。傾斜值變化量在±0.003°之間。

3）振動監(jiān)測。監(jiān)測儀器選擇加速度計，測點布置于橋墩承臺上，利用多通道振動數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集，并實時上傳至平臺進行數(shù)據(jù)分析。未施工時監(jiān)測結果為加速度0～0.002g，最大振幅0.004 mm，最大頻率266 Hz。

4）土體深層水平位移。布置2個土體深層水平位移監(jiān)測孔，監(jiān)測點距鋼板樁1 m，孔底均進入中風化花崗巖巖層。用測斜儀監(jiān)測，頻率每天2 次。未施工時監(jiān)測結果為土體深層水平位移最大變化量1.3 mm，深度位于淤泥面以下0.5 m 處。

通過鋼板樁施工、砂被施工和回填砂施工期間監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，沿江高速橋墩沉降和位移監(jiān)測數(shù)據(jù)累計變化量均小于1 mm，其波動曲線與施工前波動曲線基本一致，說明靜壓植樁施工對沿江高速橋墩位移影響極小。靜壓植樁機施工期間橋墩各項監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量很小，說明靜壓植樁機對橋墩下部的樁基礎幾乎沒有產生側向擠壓作用，砂被、回填砂期間橋墩豎向位移和水平位移曲線均變化穩(wěn)定，施工安全可控。

5 結語

1）在橋下深厚淤泥層中筑島時，采用“鋼板樁圍堰隔離+砂被+控制回填”工藝能有效控制筑島過程橋墩變形。

2）淤泥層上鋪設砂被能有效控制回填過程中的拱淤，研發(fā)的分散裝置能有效控制回填層厚度，在類似筑島工程中可借鑒采用。

3）回填砂過程中，橫橋向左右兩側對稱回填，“先內后外”、“內高外低”、“分層、對稱、均勻”的填筑方式能夠有效減少填島施工對橋梁的影響，建議對稱回填分層厚度宜不超過1 m。

4）施工全過程自動化監(jiān)測能及時反饋橋梁變形狀態(tài)，依據(jù)變形監(jiān)控數(shù)據(jù)調整施工措施是風險控制的關鍵。

5）基于廣深既有高速公路橋下深厚淤泥地層填海筑島關鍵技術研究，在海域淤泥深厚地質筑島，該技術成果可為類似工程提供參考。