港珠澳大桥岛隧工程大圆筒结构边坡稳定分析

张丽珍，刘海欣

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

港珠澳大桥岛隧工程人工岛工程要为岛上隧道作业提供高保障度的干地施工条件，并且要满足120 a的耐久性要求，同时要尽可能缩短工期，快速成岛，具有设计标准高、施工工期短的特点。人工岛地处外海，施工条件恶劣，工程中创新地采用了插入式大圆筒作为岸壁围护结构，大圆筒结构及其之间副格均插入不透水层，同时外侧辅以抛石斜坡堤进行防护。岸壁结构在施工和使用过程中受力状态多变，荷载分布在不同阶段具有不同特点，控制工况的确定尤为重要。

1 工程概况

港珠澳大桥岛隧工程人工岛工程包括东、西两座人工岛，用于连接港珠澳项目海底隧道和跨海大桥。西岛为沉管隧道安放施工的起点。为了快速完成西岛隧道施工，为沉管的安放提供接入点，将西岛分为完全独立的西大岛和西小岛两部分。西小岛可以独立施工，快速成岛，从而保证整个岛隧工程的进度要求。东岛结构方案与西岛相同。东西人工岛通过沉管隧道连通，形成港珠澳大桥海上通道的一部分。

图1 西人工岛平面图Fig.1 Plan of west island

西岛平面图见图1，东西人工岛典型断面图见图2。

图2 东西人工岛典型断面图Fig.2 Typical section of west and east islands

2 施工工序

图3 人工岛施工工序图Fig.3 Construction process of west and east islands

西岛和东岛的施工工序类似，仅由于地质差异，结构设计高程略有不同。西岛（括号内为东岛结构参数）的施工工序如图3所示。

岛内施工的同时，岛外可同步进行挤密砂桩和抛石斜坡堤的施工。

挤密砂桩主要对包括淤泥、黏土、粉质黏土等土层在内的表层软土进行地基加固。挤密砂桩置换率为25.6%，距离钢圆筒边界3.5 m。

海侧挤密砂桩施工完后，抛石护坡需分阶段施工。为保证大圆筒外侧斜坡堤稳定，提高土体固结度，施工至-4 m（东岛为-6 m）平台时静载时间不少于2个月。

在海侧进行挤密砂桩施工时，圆筒内采用插排水板和井点降水组合措施，同步进行软土预压处理。

3 工况分析

3.1 工况选取原则

1） 施工期

由于施工过程中大圆筒内外侧回填料高度不断变化，需根据结构方案，选择内外高差最大的最不利工况进行验算。在施工期，可以认为大圆筒与内部回填料是一个高强度的整体结构。

2） 使用期

岸壁结构形成后的使用初期大圆筒的强度可以充分发挥。由于大圆筒结构未进行防腐蚀处理，而人工岛设计寿命为120 a，随着使用年限增加，大圆筒将被海水腐蚀，此时应完全不考虑大圆筒的强度作用，岛壁结构本质上是抛石斜坡堤。

3.2 计算工况

通过对施工工序的分析，岛壁结构施工期比较危险的工况有四个：岛内第一次回填；岛内第二次回填；岛内基坑开挖；岛外抛石堤施工完成。值得注意的是，对于西大岛，隧道基础较浅，基坑开挖后岛内外高程差别很小，可不考虑“岛内基坑开挖”工况。

西小岛、西大岛和东岛岸壁结构施工期和使用期设计工况选取见表1。

4 设计条件

4.1 堆货荷载

施工期堆载：10 kPa；使用期堆载：20 kPa；地震工况堆载：10 kPa。

4.2 水位

稳定计算选取水位见表2。

4.3 波浪

对于直立式建筑物，当验算其稳定性时，应计入波浪力的作用，透水式斜坡堤可不考虑波浪力的作用，因此需考虑大圆筒结构施工期波浪力作用。稳定计算选取20 a一遇低水位条件下20 a一遇波浪。

依据《港珠澳大桥主体工程初步设计设计波要素和水流分析计算专题研究报告》[1]，最不利波向的波浪要素见表3。

表3 设计波浪条件Table 3 Design wave condition

4.4 地震荷载及强度指标

地震动峰值加速度0.10g。

设计均采用直剪试验指标。直剪试验不考虑排水，试验指标属于总应力指标。不同设计工况下的指标选取如下：

施工期：采用快剪指标，不考虑海侧护岸结构施工过程中的地基土强度增长。海侧挤密砂桩处理区域采用砂与原状土快剪指标的加权值。

使用工况一：岛内排水板处理部分的土体采用固快指标，海侧挤密砂桩处理区域采用砂与原状土固快指标的加权值；其余区域采用快剪指标。

使用工况二：各土层均采用固快指标。地震工况：各土层均采用固快指标。

4.5 地质资料

依据《港珠澳大桥主体工程人工岛施工图设计阶段工程地质勘察报告》[2]以及补充勘查[3]，整体稳定分析中采用的地层参数如表4所示。

表4 各土层主要物理、力学性质指标统计表Table 4 Statistics list of physical and mechanical indexesfor each soil layer

4.6 计算结果判定标准

本工程分别采用简单条分法（港口工程地基计算系统）和BISHOP法（GeoStudio-Slope/W）进行设计，参考《港口工程地基规范》[4]的相关规定，整体稳定判断标准如下：

施工期安全系数：简单条分法≥1.0。使用期安全系数：BISHOP法≥1.3；简单条分法≥1.2。地震工况安全系数：简单条分法≥1.1。

5 结果分析

针对不同工况，分别采用港口工程地基计算系统中的简单条分法和GEO-SLOPE中的BISHOP法进行边坡稳定计算，计算结果汇总如表5所示。

表5 边坡稳定计算结果统计表Table 5 Statisticslist of analysis results of slope stability

根据计算结果统计表，可知施工期工况三、四以及使用期工况一为控制工况，地震工况不是控制工况。

6 结语

1）港珠澳大桥岛隧工程人工岛工程采用插入式大圆筒方案快速形成岸壁结构，为岛上隧道提供高保障度的干施工条件，岸壁结构的稳定性是该方案是否可行的关键。通过分析施工方案，找出施工过程中可能存在的最危险的四种工况，分别进行计算，从而保证了在整个施工过程中岸壁结构的稳定性，为整个项目的顺利开展提供了基本保障。

2）由于大圆筒钢结构的耐腐蚀性较差，防腐蚀成本较高，且防腐效果很难保证，因此设计考虑将大圆筒作为非永久结构设计，使用前期土体未固结时，利用深插式钢圆筒截断深层滑动面，确保岛壁稳定性；使用后期，认为大圆筒已经完全腐蚀，岛壁下的土体已经完全固结，通过稳定性验算，斜坡式岛壁的圆弧滑动稳定性仍符合相关规范要求且有较大富余，满足使用要求。

3）插入式钢圆筒结构在国内应用较少，本工程的成功应用为类似工程的方案设计提供思路，也为施工工序较为复杂的工程边坡稳定设计提供借鉴。