深中通道西人工岛总体设计及关键技术

夏丰勇，胡鹏，翁远明，刘健，徐文

（1.深中通道管理中心，广东中山528400；2. 中交水运规划设计院有限公司，北京 100000；3. 中铁建港航局集团勘察设计院有限公司，广东广州510000；4. 江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京211103）

1 项目背景

深圳至中山跨江通道（以下简称“深中通道”）位于虎门大桥下游约30 km 的位置，与港珠澳大桥相隔约40 km，属于珠江中下游的核心地带。深中通道的建成将深圳经济特区与中山市、江门市等贯穿到一起，实现地理位置上的“裁弯取直”使其之间的距离大大缩短。 该项目东部与机荷高速相接，西部进入中山马鞍岛，与规划的中开、东部外环高速对接，项目全长约24 km，其中跨海段长约22.4 km。

位于深中通道的两个人工岛采用东隧西桥方案，西人工岛位于矾石水道西侧，东人工岛位于深圳岸侧沿江高速位置处。 文中将总结西人工岛的设计要求并探讨应用的关键技术。

2 西人工岛总体设计

2.1 总体平面布置

综合考虑功能布置需求、水利防洪、运营维护、施工场地及整体景观等，采用准菱形方案，西人工岛主体面积约13.70 万m2，海域面积约25.58 万m2，岛壁结构长度约1 622 m。

2.2 钢圆筒结构平面布置

根据西人工岛平面布置方案， 结合基坑及衔接段的布置、地基处理方案以及施工场地布置，将钢圆筒沿西人工岛岛边线布置，东侧布置西小岛基坑，以钢圆筒作为基坑支护结构， 加快第一段暗埋段隧道（50 m）施工；西大岛围绕隧道和匝道另行设置基坑，地基处理全部采用降水预压+振冲方案。

西小岛共布置直径28 m 的钢圆筒14 个，西大岛共布置直径28 m 的钢圆筒43 个，总数为57 个。先期施工的第一段暗埋隧道（50 m）完成后，共切割8 个钢圆筒，其中海侧5 个为水下切割，陆侧3 个为陆上切割。

3 总体施工方案

西人工岛总体施工工序包括基槽开挖及换填、岛壁结构（插入式钢圆筒结构+抛石斜坡结构）、陆域形成和地基处理、救援码头。

3.1 基槽开挖及换填方案

西小岛整体开挖至-17.0 m 标高，开挖范围为岛壁位置处钢圆筒中心线外侧57.5 m， 大小岛分隔钢圆筒外侧34 m。 西大岛沿圆筒中心线开挖基槽至-17.0 m 标高， 开挖范围为圆筒中心线外侧57.5 m，内侧34 m。 西人工岛需基槽开挖约68.0 万m3，基槽开挖（西小岛回填2 m 中粗砂）完成后即可进行钢圆筒振沉作业，振沉后立即在基槽内回填中粗砂至-13.0 m 标高。基槽开挖采用l∶5 开挖边坡。施工过程中采用分区分段开挖、 分区分段验收方法，验收后立即回填。基槽换填料采用中粗砂。不考虑原状土预压处理固结沉降以及回填砂自身的振冲密实，西人工岛需换填中粗砂约79.1 万m3。

3.2 岛壁结构方案

岛壁结构设计包括插入式钢圆筒结构、抛石斜坡结构。 首先将人工岛岛壁结构下方淤泥开挖至-17.0 m 标高（西小岛回填2 m 中粗砂），然后打设钢圆筒结构，钢圆筒直径为28 m，壁厚19 mm，顶高程为3.5 m，底部进入20～30 击土层0.5 m；钢圆筒之间标准净距为2.0 m， 圆筒间通过副格连接，副格仓主体采用弧形钢板， 设计弧长半径7.0 m，壁厚14 mm，副格仓顶标高+3.5 m，长度30 m，副格仓重量为51 t。钢圆筒底部穿透淤泥和淤泥质土层，筒内回填中粗砂， 回填基槽中粗砂至-13.0 m 标高。进行筒内降水预压地基处理并振冲密实；然后，在岛体内部进行预压地基处理和回填施工， 抛石斜坡结构施工在岛外同时进行。钢圆筒承受内侧土压力、内外水位差和波浪作用下的稳定性为控制工况。

3.2.1 变形稳定性分析

本次对钢圆筒稳定性和渗流稳定的计算采用有限元法。选取XDZK110（西小岛）、XDZK05（西小岛）和XDZK57（西大岛）三个钻孔处的地层信息进行了单圆筒三维变形和渗流计算分析。 其中XDZK110孔主要对应于西小岛的X1～2 号钢圆筒，XDZK05 主要对应于西小岛的X6～7 号钢圆筒， 而XDZK57 则主要对应于西大岛的X41～42 号钢圆筒。 由于西小岛基坑开挖深度较大，且钢圆筒距离基坑较近，无论从变形还是渗流的角度都比西大岛危险， 是本次分析的控制工况， 特此选择了两个西小岛所在位置钻孔和一个西大岛所在位置钻孔进行分析。

为了充分考虑地层起伏的整体效应和钢圆筒之间的相互作用，研究西小岛各钢圆筒变形分布和总体渗流流量与渗流稳定性，对于西小岛进行整体三维变形分析。 各工况具体数据如表1 所示。

表1 变形分析结果单位：cm

计算分析了XDZK110、XDZK05 以及XDZK57钻孔在控制工况下的钢圆筒变形稳定性。计算结果显示，西人工岛最不利地层条件下单圆筒模型得到的变形最大值为53.9 cm， 正常使用极限状态安全系数为1.10，承载能力极限状态为2.32，满足变形稳定性要求。西小岛整岛模型变形分析显示由于钢圆筒之间的相互作用，钢圆筒的变形要小于单圆筒模型计算结果，最大位移为38.1 cm。

3.2.2 渗流稳定分析结果

有限元分析工作针对典型工况下的钢圆筒渗流稳定性进行了分析。通过对孔压和上覆土压力以及土体内有效应力分析表明，对于所有工况，基坑的突涌稳定性和土体流土稳定性均能够得到满足。通过分析渗流过程中各层土体的水力坡降进一步显示，在圆筒和副格内设置降水井进行降水，能够有效保证渗流稳定性，且抽水量在合理范围内[1]。

下面以XDZK110 钻孔在控制工况下为例，给出相关孔压图及流速矢量图。

对于XDZK110 孔控制工况， 单圆筒有旋喷筒内抽水工况的计算采用岛外25 y 一遇高水位，同时考虑岩体内的承压水水头。 在计算中认为筒内降水与岛内平齐至-14 m，圆筒和副隔下设高压旋喷。

利用流速计算成果， 结合各土层渗透系数可以计算各土层内的水力坡降，从而分析渗流稳定性。经计算， 在该工况下岛内单宽渗流量为0.535 m3/d，筒内渗流量为36.70 m3/d。 表2 为各个土层的最大坡降、 允许坡降和渗流稳定安全系数。 从表2 可以看到，各层土内渗流均满足稳定性要求，最小安全系数出现在2-2-2 淤泥质粉质黏土中，为11.29。

表2 各土层渗流稳定安全系数

对于西小岛整岛有旋喷筒内抽水工况的计算采用岛外25 y 一遇高水位， 同时考虑岩体内的承压水水头。 在计算中认为筒内降水与岛内平齐至-14 m，圆筒和副格下设高压旋喷。

利用流速计算成果，结合各土层渗透系数可以计算各土层内的水力坡降，从而分析渗流稳定性。经过计算， 在该工况下岛内渗流量为131.04 m3/d，筒和副隔内渗流量为207.19 m3/d。 表3 为各个土层的最大坡降、允许坡降和渗流稳定安全系数。从表3可以看出，各层土内渗流均满足稳定性要求，最小安全系数出现在3-2 粉质黏土中，为3.97。

突涌稳定分析：经过有限元计算，若钢圆筒内进行降水至-14 m，并设置旋喷，岛内高渗透性岩层顶部孔压最大值为244.2 kPa，安全系数为1.43，满足设计要求。

3.2.3 止水效果验证

根据设计要求，二次止水帷幕止水试验以岛内和周边圆筒内停泵状态下的渗流量及承压水层孔隙水压力两项指标作为止水效果评价标准：

（1）小岛内渗流水量小于300 m3/d。

（2）岛内承压水位标高小于-11 m。

2019年1月15日至2019年1月21日进行了为期一周的西小岛止水帷幕止水性能试验,试验时将小岛分为东侧、西侧两个基坑分别计算。

表4 显示在二次止水帷幕验证期间，最大日渗流量为104.37 m3/d，小于设计给定的控制值300 m3/d。

表4 止水效果验证期间小岛渗流量统计

表5 显示在二次止水帷幕验证期间，通过孔隙水压力计算的承压水水位最大标高为-11.290 m，小于规定的-11.0 m。

高压旋喷技术实际止水效果满足设计要求，且渗流量低于理论计算值131.04 m3/d，提高了止水效果。

3.2.4 工程建设后局部水域流态

西人工岛建设后，岛体对局部水域涨、落潮流动起着显著的分流作用，在岛体的背水面形成尺度较大的环流。 大潮落潮时，人工岛南侧影响距离岛轴线约6 km，人工岛北侧影响距离岛轴线1.6 km。大潮涨潮时，人工岛北侧影响距离岛轴线4.4 km。环流的形状和大小随潮流过程变化。

3.3 陆域形成和地基处理方案

该设计主要由岛壁结构内侧回填、 地基处理、挤密砂桩和钢圆筒内地基处理等几部分组成。

岛壁结构内侧回填和地基处理以钢圆筒和副格仓岛内侧钢板为边界，面积为10.1 万m2，岛壁结构挤密砂桩面积10.8 万m2， 钢圆筒内地基处理面积4.1 万m2。

表5 止水效果验证期间小岛孔压统计

（1）内侧回填：回填范围为基槽换填顶标高-13.0 m至交工标高为+4.3 m，包含地基沉降（预压和振冲）补填砂；地基处理范围为海积淤泥层和回填砂层。

（2）岛壁结构挤密砂桩：水下挤密砂桩施工主要在钢圆筒外侧3.5～58.5 m 范围进行， 顶高程到隆起淤泥顶部， 底高程位于淤泥质粘土和粉质粘土底部。

（3）钢圆筒内地基处理：回填范围为基槽换填顶标高-13.0 m 至筒顶标高为+3.5 m， 包含地基沉降（预压和振冲）补填砂；地基处理范围为海积淤泥层和回填砂层。

（4）岛体主要采用中粗砂进行回填，当堆载预压能够达到工后沉降要求且考虑到固结沉降和中粗砂的镇冲密实后， 西人工岛需回填中粗砂约224.9 万m3（包含岛内回填量及沉降量、基槽回填量筒内回填量）。

4 结论

（1）结合精细化勘察成果，对钢圆筒在振沉和使用过程中的受力状态进行了全面精细分析， 对可能出现的风险提出预案，确保设计方案的合理可靠。

（2）应用有限元分析软件，对钢圆筒结构在施工及使用全过程进行应力、变形、稳定及止水的实时分析，根据分析结果对设计方案进行优化。

（3）应用BIM 技术，对设计方案进行精细化调整，实现BIM 对设计、施工和管理全过程的指导。

（4）西岛围护采用直径28 m 的钢圆筒，使人工岛的稳定性增强，挖泥量少，减轻对海洋生态环境影响；采用12 台振动锤联动振沉系统，提高了振沉能力；采用DSM 船对水下致密砂层进行预处理；高压旋喷技术提高了止水效果。