万 猛，刘建波，杨苏海，吴启和

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430014； 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430014； 3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430014)

1 工程概况

深中通道北距虎门大桥约30km，南距港珠澳大桥约38km，东起机荷高速，跨越珠江口，西至中山马鞍岛，工程全长24.03km，其中跨海段长22.39km，采用100km/h设计速度、双向8车道高速公路技术标准，是集“桥、岛、隧、地下互通”为一体的系统集群工程。伶仃洋大桥作为控制性工程，为(580+1 666+580)m三跨全漂浮钢箱梁悬索桥(见图1)。伶仃洋大桥东锚碇基础为重力式锚碇，采用“∞”形地下连续墙基础作为基坑开挖施工阶段的支护结构，锚碇基础顶标高+3.000m，底标高-39.000m。地下连续墙直径2×65m，厚1.5m，嵌入中风化花岗岩层5m，内衬厚度1.5m/2.5m/3m，地下连续墙底标高-44.600～-63.000m。

图1 伶仃洋大桥总体布置(单位：m)

伶仃洋大桥跨越珠江口航运繁忙的10万吨级伶仃航道，属热带海洋性季风气候区及华南沿海台风区，降水量多且强度大。东锚碇区平均水深约5m，平均潮差0.85～1.70m，常水位高程+0.520m。

工程地勘揭示，东锚碇区上部②大层分布连续稳定，层厚18.8～23.2m，厚度分布不均匀，力学性质差，多分布有②2淤泥、②4粉砂、②22粉质黏土；中部③大层分布较为连续，以③6中砂层为主，夹③5细砂层，③大层层厚变化较小，但土质不均匀，差异明显，力学性质一般；下伏基岩为花岗岩，埋深起伏较大，全强风化层厚度为3.8～22.9m，中风化岩面起伏较大，顶面标高在-38.840～-59.460m，下伏中风化基岩物理性质较好。

2 围堰筑岛总体设计

伶仃洋大桥东锚碇基础为离岸海中重力式锚碇，东锚碇区域距海岸约10km，全海上施工难度较大。为保证东锚碇基础施工安全、便捷，东锚碇区域采用围堰筑岛方案，将水上施工环境转换为陆上施工环境。

为减少围堰筑岛施工对桥位处水动力的影响，东锚碇基础选用直立式圆形围堰筑岛结构形式。为实现快速稳定成岛，东锚碇围堰采用锁扣钢管桩/工字形板桩组合圆形围堰结构形式，围堰直径150m，围堰施工完成后回填砂筑岛快速形成陆域施工环境，筑岛回填高度8m(见图2)。

图2 东锚碇围堰筑岛总体布置(单位：m)

围堰钢管桩采用φ2 000×18无缝钢管，共计158根，桩长38m，桩顶标高+6.500m、桩底标高-31.500m，钢管桩中心间距2.95m。工字形板桩规格为H770×80，腹板和翼缘板厚度14mm。钢管桩和工字形板桩通过锁扣连接，锁扣采用C形钢管，与钢管桩焊接连接，C形钢管规格为φ180×14(见图3)。

图3 钢管桩+板桩+钢箱围箍连接

围堰合龙施工完成后，沿钢管桩外侧设置平行钢丝索环向围箍结构，平行钢丝索由187根φ5mm平行钢丝组成，共设置7层，顶标高+5.000m、底标高+3.500m，竖向间距25cm。围堰内侧分层回填砂后做硬化混凝土路面，最终路面顶标高+3.500m。围堰外侧冲刷防护采用水下模袋砂/模袋混凝土组合防护结构，模袋混凝土厚度0.6m，宽度39.15m，采用分级放坡，设两级斜坡、两级反压护道(见图4)。

图4 围箍与冲刷防护结构

3 围堰筑岛设计关键技术

3.1 地下连续墙施工平台方案选择

截至目前，国内外大多数悬索桥锚碇基础均位于陆地，对于离岸海中桥梁，选择合适的施工平台方案，变水上施工为陆上施工是锚碇基础地下连续墙支护结构施工的关键。经调研，深中通道东锚碇地下连续墙施工可采用钢平台+钢导墙方案、钢围堰+筑岛方案、模袋砂筑岛方案等。

1)钢平台+钢导墙方案 采用搭设钢平台作为地下连续墙施工作业平台，由于锚碇区存在深厚软土覆盖层，为保证地下连续墙成槽质量，需设置钢导墙作为地下连续墙成槽护壁结构，钢导墙沿地下连续墙内外侧分别布置1排锁扣钢管桩，平面结构形式为“∞”形。钢导墙施工前，采用深层DCM桩对地下连续墙两侧软土覆盖层进行加固处理。

2)钢围堰+筑岛方案 采用搭设钢管(板)桩围堰将水上施工环境转换为陆上施工环境。围堰搭设完成后，在围堰外侧设置围箍结构，岛内回填砂至指定标高。地下连续墙两侧采用2排直径85cm、搭接长度25cm的三轴搅拌桩加固以满足地下连续墙成槽阶段稳定性，岛内剩余区域采用直径80cm、间距2m的搅拌桩加固以加速回填砂固结沉降。由于筑岛尺寸较大，为保证锚碇地下连续墙施工安全，围堰合龙后需在外侧设置冲刷防护结构，兼顾平衡岛内回填砂荷载。

3)模袋砂筑岛方案 采用分层铺设模袋砂将水上施工环境转换为陆上施工环境。模袋砂分层铺设完成后，在岛内回填砂至指定标高。地基处理方法同钢围堰+筑岛方案，不再赘述。

结合本工程特点，对比分析不同方案的适用性，如表1所示。

表1 地下连续墙施工平台方案比选

综合考虑地下连续墙施工工期、建造成本、施工质量、施工期安全等因素，最终选用钢围堰+筑岛方案，总体施工工艺流程为：围堰区域软基处理→围堰钢管桩施工→围堰围箍施工→回填筑岛施工→外围防护施工→搅拌桩施工→导墙施工→地下连续墙施工。

3.2 锁扣钢管(板)桩组合围堰筑岛结构设计

根据设计方案，伶仃洋大桥东锚碇围堰采用锁扣钢管桩/工字形板桩组合圆形围堰结构形式，钢管桩作为主要承力结构，工字形板桩兼顾挡土、传力，围堰结构整体刚度适中、受力清晰、导流性好，CT形锁扣容错率较大，施工快速、方便。

考虑到围堰筑岛施工期较长，施工期面临离岸、台风影响频发、深厚软土地基等不利环境因素，需对围堰筑岛施工不同阶段开展结构计算复核，以保证围堰筑岛施工安全。根据不同施工阶段，共考虑3种计算工况，根据规范要求采用不同荷载组合形式，计算结果如表2所示。

表2 围堰筑岛结构计算结果汇总

经计算，3种计算工况下，围堰钢管桩最大变形值在允许范围之内，钢管桩、工字形板桩、锁扣和平行钢丝索围箍最大应力值均在结构允许范围之内，满足安全施工及规范要求。此外，通过对软弱淤泥层采用塑料排水板加固处理，并在围堰外侧设置模袋混凝土反压护道，会进一步减小钢管桩结构变形及桩身应力，进而提升围堰结构的安全性。

3.3 筑岛地基处理

地勘结果显示，伶仃洋大桥东锚碇区存在厚度不等的淤泥、淤泥质粉质黏土层，平均厚度8～13m，属欠固结土，呈流塑状，具有含水量高、孔隙比大、高压缩性、强度低等特点。目前针对软土地基处理方案主要包括置换法、排水固结法、复合地基法等，通过地基处理改善地基土的抗剪强度、压缩性、渗透性、动力特性和特殊土的不良地质特性，提高地基的稳定性和承载能力，以保证围堰筑岛结构施工期安全和锚碇基础地下连续墙成槽施工质量。

本工程软基处理异于常规软基加固，既考虑筑岛回填土体固结，还需考虑后续地下连续墙及锚碇基础施工安全。基于此，结合工程特点，针对离岸、深厚淤泥软弱土层，提出了水下开挖清淤+水下塑料排水板+砂石垫层排水固结方案(见图5)，借助筑岛围堰回填土体，加快软土地基承载力增长，缩短软基固结等待时间，提高施工工效。相比复合地基方案，具有适用性好、施工快捷、成本较低等优点。

图5 东锚碇筑岛围堰地基处理

为加快深厚、软弱淤泥土层固结，保证水下塑料排水板沿竖向形成顺畅的排水通道，塑料排水板施工前，对锚碇区220m范围水下开挖清淤至-7.0m，为保证基坑稳定性，开挖坡比设计为1∶8。砂垫层、碎石垫层抛填直径240.0m，砂垫层抛填厚度3.0m，碎石垫层抛填厚度0.5m。塑料排水板采用C形排水板(宽度100mm，厚度≥4.5mm)，施工直径200m，间距80cm，设计插设深度25m，排水板底部进入中砂层，地下连续墙局部区域不进行塑料排水板施工。

3.4 柔性围箍结构设计

结合工程特点，圆形组合围堰结构不同于传统的挡水围堰结构，既要考虑围堰外侧水流力、波浪力等外部荷载，还需考虑围堰内侧筑岛完成后回填土体的侧向土压力荷载，不同施工阶段筑岛结构受力较为复杂。基于此，为有效平衡围堰外部荷载与内部荷载，本工程借鉴“环箍效应”，研发了一种自适应组合圆形筑岛围堰变位的平行钢丝索柔性“自平衡”约束装置，通过在围堰上部外侧设置平行钢丝索对组合围堰结构进行环向约束，围堰向外变形越大，“环箍效应”越明显，最终达到管桩与索股的协调变形，并可通过二次调索释放平行钢丝索应力，进一步改善组合围堰受力。

考虑到东锚碇筑岛围堰直径较大，单根平行钢丝索长度达480m，与围堰钢管桩共158个接触点。为减少平行钢丝索在钢管桩表面的摩擦阻力，同时考虑施工便利性，采用分段安装、分层张拉工艺，单根平行钢丝索共分6段安装，单段长度约80m，与钢管桩接触位置设置四氟滑板，保证受力均匀。分段平行钢丝索之间连接位置设置张拉及锚固系统，由锚具异形螺母、2根φ40mm精轧螺纹钢和4个φ40mm精轧螺纹钢套筒组成，直径φ40mm精轧螺纹钢筋的破断力不小于1 500kN。

考虑到围堰回填土体高度较大，围箍结构分层设置数量、高度需综合考虑锁扣钢管桩连接位置结构应力、平行钢丝拉力、张拉及锚固系统拉杆受力等。经结构计算分析，最终确定采用7根φ7×91平行钢丝索，平行钢丝索围箍顶标高+5.000m，底标高+3.500m，竖向间距25cm，平行钢丝设计抗拉强度1 760MPa。考虑到平行钢丝处于海洋环境，采用PE防护套+镀锌防腐体系，以保证围箍结构长期使用安全(见图6)。

图6 平行钢丝索柔性约束装置

3.5 围堰外围组合防护结构设计

考虑到锚碇基础施工期长，受台风影响频繁，河床冲刷将直接影响组合围堰结构安全。相比传统的围堰外侧抛石防护，水下模袋混凝土结构具有整体性好、施工便捷、抗冲刷能力强等优点。结合工程特点，为兼顾筑岛围堰冲刷防护和回填土体造成软土挤淤的影响，在围堰外侧设置水下模袋砂和水下模袋混凝土冲刷防护结构。

为保证围堰结构长期渡台稳定，设置水下模袋混凝土厚60cm，宽39.15m，模袋砂设在模袋混凝土下部。为减少回填土对围堰结构的不利影响，改善结构受力，设两级斜坡、两级反压护道。上层反压护道顶标高+2.000m，宽6.0m，上层斜坡坡度1∶2，宽6.0m；下层反压护道顶标高-1.000m，宽15.0m，下层斜坡坡度1∶3，宽12.15m。

4 结语

伶仃洋大桥东锚碇基础处于离岸海洋环境，采用水中“∞”字形地下连续墙作为锚碇基础施工支护结构。综合考虑地下连续墙施工工期、建造成本、工程质量、施工安全等因素，提出锁扣钢管桩/工字形板桩组合圆形围堰筑岛方案，将水上施工环境转为陆上施工环境。针对离岸、深厚淤泥软弱土层，采用水下开挖清淤+塑料排水板+砂石垫层排水固结软基处理方案，借助围堰筑岛回填土体，加快软基承载力增长，缩短固结等待时间。借鉴“环箍效应”，提出一种适应组合圆形筑岛围堰变位的平行钢丝索柔性“自平衡”约束装置，实现钢管桩与平行钢丝索围箍的协调变形。围堰外侧冲刷防护采用水下模袋砂/模袋混凝土组合防护结构，设两级斜坡、两级反压护道，兼顾筑岛围堰冲刷防护和回填土体造成软土挤淤的影响。相比常规围堰筑岛方法，伶仃洋大桥东锚碇围堰筑岛工艺可缩短工期、降低工程成本，可为后续类似工程的设计施工提供参考。