大直径钢圆筒技术在港珠澳大桥人工岛工程中的应用

插入式大直径钢圆筒技术让世界更畅通在港珠澳大桥人工岛工程中的应用Contents目录推广及应用前景插入式大直径圆筒技术应用历史概述插入式大直径圆筒结构在港珠澳大桥隧道人工岛工程中的成功应用插入式大直径圆筒技术应用历史概述大圆筒结构通常是指直径在6～7米以上的无底、无内隔墙的薄壁圆柱壳结构，多由钢筋混凝土材料或钢质材料制成。（最大直径32米）对深厚软土地基、水深浪大的恶劣环境具有良好的适应性。该结构始建于二十世纪四十年代法国。前苏联与乌克兰在六十年代开始研究和推广。在日本护岸、防波堤工程中有较为广泛的应用，典型案例是1994年投入使用的关西海上机场围海造陆工程，该工程岸壁主体结构就是建在复合地基上的插入式大圆筒结构。插入式大直径圆筒技术应用历史概述国内从上世纪80年代初开始引进该技术。我院多年来联合有关院校、科研机构和施工单位，在结构设计及施工工艺方面不断探索，使圆筒结构在多个项目中获得应用。工程名称时间圆筒结构下沉技术工程评价或经验广州番禺南沙联合码头工程1995年钢筋混凝土圆筒，直径15m，壁厚28cm抽真空联合压载法建成至今结构使用情况良好长江口深水航道治理二期堤头段试验工程2002年钢筋混凝土圆筒，直径12m，壁厚21~25cm4台APE400液压锤联动振动圆筒在施工期台风作用下倾倒。行业内对稳定计算方法存在不同意见。但充分验证振沉工艺是成功的广州南沙蒲洲海堤护岸工程2003年钢圆筒，直径13.5m，壁厚12mm（采用类似钢管桩防腐的技术）4台APE400液压锤联动振动只要有良好持力层，结构稳定、位移都非常理想，插入式大直径圆筒技术应用历史概述蒲洲海堤护岸全貌图海堤护岸工程断面图4台APE液压振动锤联动下沉Contents目录插入式大直径圆筒技术应用历史概述插入式大直径圆筒结构在港珠澳大桥隧道人工岛工程中的应用（1）人工岛的项目概况（2）总体设计方案介绍（3）人工岛筑岛关键技术东人工岛沉管隧道西人工岛澳门珠海香港香港机场澳门机场跨海大桥港珠澳大桥工程地理位置图港珠澳大桥是世界上迄今为止规模最大的跨海大桥，6km长隧道和两个隧道人工岛是当今世界同类工程中综合技术难度最大的工程。1、项目概况人工岛呈椭圆蚝贝形，长625m，横向最宽处约183m（东岛218m）1、项目概况隧道人工岛的功能要求隧道人工岛的基本功能是实现海上桥梁和隧道的顺利衔接，满足岛上建筑物布置需要，并提供基本掩护功能，保障主体建筑物（岛上隧道）的顺利建设和正常运营，其中：施工期间人工岛需至少满足以下功能要求：（1）为岛上隧道提供高保障度的干施工条件；（2）配合隧道施工，按期提供沉管隧道对接条件。（3）及时提供沉管施工水平运输通道。运营期间人工岛要稳定、耐久，为岛上建筑物提供防浪、防冲、防船撞等保护条件。1、项目概况人工岛工程具有4个重要特点（1）工程所在水域为珠江口航运咽喉区段，是世界上水上交通最繁忙，通航环境最复杂的海域，且工程区穿越中华白海豚保护区，环保要求很高。工程地点东莞港1、项目概况人工岛工程具有4个重要特点（2）外海软土厚达40m，隧道人工岛岸壁要提供4-5年施工期内高保障度止水环境，外海筑岛止水深基坑建设难度极高。（3）需要满足120年的耐久性要求和高标准越浪要求（极端工况0.015m3/m.s）。（4）东、西人工岛是隧道工期的关键环节，尤其西小岛必须尽早为隧道沉管提供对接条件，工期紧。1、项目概况波向水位（m）波浪重现期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设计高水位1.65100年5.383.9010.250年4.883.59.85年2.741.907.82年2.171.497.2设计低水位-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华南理工于2007年4月-2008年3月在桥址偏东现场临时观测一年波浪玫瑰图年最大波高2.58m，年最大有效波高1.43m，均出现在8月。1、项目概况★工程地质：具有软土厚、含水量高、抗剪强度低、压缩性高、渗透性差，土体不稳定，沉降大等特点。圆筒落在三大层（粉质粘土、粉质粘土夹砂层）-37.0m～-47.0m，平均标贯约为10击1-2淤泥N11-3淤泥质粘土N=1～53-3粉质粘土N=8～10.53-2粉质粘土夹砂N=13中粗砂N30厚约37~46m-8.0m～-10.0m1、项目概况针对以上工程特点，项目组进行了为期一年的前期调研和方案设计，广泛收集了国内外技术资料和研究成果，在交通部、中交集团领导和各工程局的大力支持下，攻克了筑岛方案的6大难题：（1）钢圆筒的稳定计算理论（2）振沉技术及振沉工艺(不但提供足够激振力而且要具备对不均匀土层纠偏能力)（3）钢圆筒筒体结构设计（4）可靠止水方案（5）120年使用寿命（6）钢圆筒施工专项验收标准形成了以插入式钢圆筒形成岛壁为核心和深井降水联合堆载预压软基处理的技术方案1、项目概况2、人工岛筑岛方案介绍西人工岛钢圆筒布置平面图东人工岛钢圆筒布置平面图钢圆筒沿人工岛前沿线布置：西人工岛61个钢圆筒（西小岛17个）东人工岛59个钢圆筒（1）基坑围护：采用大型起重船将预制的钢圆筒沿人工岛振沉至不透水层，构筑安全、可靠的隧道施工期止水围护结构，实现快速整岛止水，人工岛内外两侧可以同步施工。钢圆筒钢圆筒2、人工岛筑岛方案介绍（2）岛壁结构：将永久的抛石斜坡堤和临时钢圆筒结构相结合，海侧护坡结构基础采用局部开挖换填+挤密砂桩复合地基。2、人工岛筑岛方案介绍（3）地基处理：利用整岛止水条件，采用“局部开挖换填、插打塑料排水板、井点降水联合堆载”的方案，实现了大超载比（1.4~2.1）预压，加速固结，减少工后残余沉降。2、人工岛筑岛方案介绍（1）整岛基槽挖泥至-16.0m；（2）下沉钢圆筒及副格仓；下沉最大深度为29.0m。（3）钢圆筒直径22.0m，壁厚16mm，筒顶标高+3.5m，重约540t，圆筒之间净距为2.0m，采用副格仓相连。-16.0m钢圆筒钢圆筒典型施工过程2、人工岛筑岛方案介绍（1）岛外侧需在施打挤密砂桩前回填2.0m碎石垫层。（2）圆筒内回填、插板处理，井点降水预压；-16.0m碎石垫层碎石垫层2、人工岛筑岛方案介绍（1）西小岛合龙后，岛内回填砂至-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）满载预压120天；(西大岛满载预压150天)（4）软基处理期间，海侧可同步施工挤密砂桩（置换率为25.6%）和护坡结构；-16.0m中粗砂-5.0m+5.0m挤密砂桩挤密砂桩2、人工岛筑岛方案介绍（1）软基处理结束后，基坑开挖至-5.0m；（2）施打隧道桩基结构、简易支护结构；-16.0m-5.0m挤密砂桩挤密砂桩2、人工岛筑岛方案介绍（1）基坑开挖至-12.5m；（2）现浇隧道结构；-16.0m现浇隧道结构挤密砂桩挤密砂桩2、人工岛筑岛方案介绍（1）回填，拔支护结构桩，周转使用；（2）回填，振沉密实中粗砂；-16.0m现浇隧道结构挤密砂桩挤密砂桩2、人工岛筑岛方案介绍目录人工岛钢圆筒结构设计关键技术（1）钢圆筒结构稳定分析（2）钢圆筒结构设计（3）钢圆筒结构振沉分析及施工振沉技术（4）钢圆筒结构止水效果分析（5）耐久性设计（6）钢圆筒振沉施工验收标准1、钢圆筒稳定分析钢圆筒稳定分析采用日本的OCDI和插入式圆筒的施工工法同时采用Plaxis3DFoundation岩土有限元软件复核。对东、西人工岛六种工况组合分析，结果表明位移、地基承载力安全系数、滑动安全系数、剪切变形安全系数等都满足要求。在此重点介绍三种工况。1、钢圆筒稳定分析工况一：岛内堆高至+5.0m，岛内、外水位+1.5m，岛外原泥面标高-16.0m，未进行挤密砂桩处理。这种工况结构体受力类似于10万吨级码头。目前，现场施工已进行至该工况状态，监测表明，结构位移小于15cm，稳定情况理想。（码头）回填中粗砂21.0m工况A示意图+5.0m-16.0m1、钢圆筒稳定分析工况2：西小岛岛内抽水至-14m，开挖隧道基坑至-12.5m，岛外回填至-8m。是整个工程的控制工况，需承受高达17.0m静水压力，结构受力状态为外海深基坑，较码头结构更为复杂。计算结果表明：圆筒稳定安全系数满足规范要求，结构位移可控。17.0m工况2示意图-8.0m海侧深基坑1、钢圆筒稳定分析工况3：隧道人工岛护岸断面完全形成，分别采用重现期为100年的高潮位及相应设计波高和重现期为100年的低潮位及相应设计波高对稳定进行验算，结果满足要求。（护岸）2.钢圆筒结构设计（1）钢圆筒顶部1.0m范围内，采用壁厚25mm的钢板加强。（2）沿环向间隔100，焊接T型钢作为纵向加强肋共36条。（3）在钢圆筒下沉面以上，焊接横向加强钢板间距3.2m～3.5m。（4）钢圆筒底部0.5m高范围内，采用25mm壁厚钢板加强。为了满足钢圆筒振沉期间的强度要求，分别对钢圆筒筒顶、筒底、横向和纵向进行了加强3、钢圆筒结构振沉分析及施工振沉技术钢圆筒的振沉采用8台大型APE600液压振连动振沉。主要项目单台8台激振力（kN）494839584功率(kW)671.45371.2偏心矩（kg.m）2301840重量（t）23184根据西岛和东岛的地质资料，选取最不利钻孔的数据采用多种方法对液压锤的激振力进行了校核，各种计算方法激振力富裕系数均接近1.4，振幅4.34mm，振沉系统能力满足要求。★采用电同步、液压同步和机械同步实现8台液压振联动⑴电同步：通过电脑控制，确保8台液压振动锤同步启动。⑵液压同步：8台液压振动锤的通过环形管路使液压系统相互贯通，以保证确保8台液压振动锤同步工作。⑶机械同步：同步轴通过双马达专利技术，做到无负荷、无功率损耗地达到振动锤偏心块在起动前和结束后位于同步相位。3、钢圆筒结构振沉分析及施工振沉技术★纠偏措施：通过持力振沉控制下沉速度、左右勾升降（必要时反复上拔），来调整钢圆筒的垂直度。（东人工岛表层存在分布极不均匀的3~5的硬夹层，通过上述措施，钢圆筒垂直度得到有效控制）33一航局研发打设精度管理系统原理：1、定位驳上安装2台GPS接收机，获得定位驳实时三维数据；2、定位驳上2台自动跟踪全站仪和振动梁上4个反射棱镜实时测量钢圆筒的平面位置、高程、扭转角；3、振动梁上4个液位计实时测量钢圆筒纵横方向倾斜率。所有测量数据实时传输至计算机处理系统，从而实现钢圆筒打设的测量定位和精度管理。3、钢圆筒结构振沉分析及施工振沉技术3、钢圆筒结构振沉分析及施工振沉技术钢圆筒振沉过程3、钢圆筒结构振沉分析及施工振沉技术5.157.259.112011年5月15号振沉第一个钢圆筒，西岛61个钢圆筒于9月11号合拢（相当于1450m岸线），历时115天，平均一天振沉1~2个钢圆筒，高峰期一天3个筒；东岛于9月22号振第一个钢圆筒，59个钢圆筒合龙在即。基坑围护结构止水设计周边止水:基坑四周通过钢圆筒、副格仓插入至不透水层，实现整岛止水。5m底部止水：1）基槽挖泥至-16.0m，保留≥15m的淤泥质土不透水层；2）塑料排水板不穿透粘土层，保持距离下卧砂层≥5m；钢圆筒与副格仓的连接止水：副格仓端部焊接T型锁口与钢圆筒宽榫槽相连连接处填充止水材料，内侧采用高压旋喷作为备用止水措施4、钢圆筒结构止水效果分析4、钢圆筒结构止水效果分析岛内插打塑料排水板岛外施打挤密砂桩西小岛基坑陆域形成：回填料为中粗砂，陆域形成回填与软基处理堆载相结合，以不弃方、倒载平衡为原则，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,需回填中粗砂约205万m3。基础