港珠澳大桥西人工岛钢圆筒及岛内回填砂成岛技术

港珠澳大桥西人工岛钢圆筒及岛内回填砂成岛技术

孔令磊;孙竹;杨润来;马云杰

【摘 要】港珠澳大桥西人工岛钢圆筒及副格围护结构振沉完成后,为确保其整体稳

定性,采用定点、 接力、 分层抛填的方案对钢圆筒及副格内回填砂施工,有效控制

了钢圆筒围护结构在回填砂施工期间的结构稳定性,防止了不利工况的出现.人工岛

围闭前,采取设置龙口直接抛填以及泵送等方式进行水下回填;人工岛围闭后,采取水

上抛填加陆上倒运的方案快速实现了人工岛陆域形成,为外海人工岛快速成岛积累

了经验.

【期刊名称】《水运工程》

【年(卷),期】2019(000)0z1

【总页数】6页(P62-66,76)

【关键词】钢圆筒;陆域;变形位移;回填

【作 者】孔令磊;孙竹;杨润来;马云杰

【作者单位】中交第一航务工程局有限公司, 天津300461;中交第一航务工程局有

限公司, 天津300461;中交一航局第一工程有限公司, 天津300456;中交一航局第

五工程有限公司, 河北 秦皇岛066002

【正文语种】中 文

【中图分类】U655.54

1 工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、珠海及澳门的大型跨海通道[1]。

大桥全长约35.0 km，采用桥隧组合方案，桥隧通过东、西两座约10万m2的人

工岛进行转换。为加快人工岛建设，东、西人工岛均创新采用直径22 m深插式钢

圆筒及副格弧形钢板插入地基不透水层形成岛壁围护结构。其中，东人工岛钢圆筒

数量59个，西人工岛61个，圆筒间插入2片弧形钢板通过宽榫槽与钢圆筒连接

形成止水副格仓。人工岛钢圆筒及副格振沉完成后，为确保结构整体稳定，在圆筒

及副格仓内及时采用中粗砂进行回填。在钢圆筒结构围闭过程中，持续向岛内抛填

中粗砂形成陆域。人工岛岛上设置明挖现浇隧道，分别与沉管隧道及桥梁连接实现

桥隧转换，并建设岛上建筑以发挥运营期管理控制及观光旅游作用。

西人工岛靠近珠海侧，东侧与首节沉管E1管节连接，西侧与青州航道桥连接，东

西向轴线长度625 m，横向最宽处约183 m，面积约为9.8万m2(图1、2)。

图1 西人工岛钢圆筒平面布置

图2 钢圆筒弧形钢板连接

人工岛围护结构施工区域海床面开挖至-16 m，钢圆筒及副格振沉顶高程为3.5 m。

其中圆筒及副格内回填至2.5 m高程，岛内回填至5.0 m高程进行降水联合堆载

预压地基处理。岛内回填砂主要分3部分，即钢圆筒内及副格、西小岛内、西大

岛内回填砂。工程量见表1。

表1 主要工程量工程名称 回填量∕万m3钢圆筒内及副格52.94西小岛 60.90

西大岛 68.15

2 回填砂施工

2.1 施工流程

西人工岛设置钢圆筒分隔围堰将岛体分为小岛及大岛2部分。为尽快提供首节沉

管E1管节安装对接条件，西小岛优先成岛并开展地基处理作业，以开展对接端岛

上现浇隧道结构施工。

人工岛钢圆筒及副格围护结构施工过程中，首先进行圆筒内及副格仓内回填，并在

结构振沉完成后尽快回填形成稳定结构。岛内回填总体分为岛体围闭前抛填及围闭

后陆上回填2部分，其中岛内回填至-5 m高程时，场内整平后进行排水板打设及

降水井埋设施工。其后，按照分层回填施工顺序，回填至5 m高程并开展降水联

合堆载预压处理(图3)。

施工顺序为：钢圆筒振沉→圆筒及副格内回填→岛体围闭前回填→岛体围闭后抛填

→陆上回填至-5 m高程→施打塑料排水板及降水井→岛内分层回填至5 m高程。

图3 人工岛陆域形成剖面(高程：m)

2.2 技术要求

1)岛内回填中粗砂。西小岛钢圆筒合拢后采用皮带船送砂工艺；西大岛在钢圆筒形

成一定的掩护后先采用开底驳抛填中粗砂的工艺，待钢圆筒合拢后再采用皮带船送

砂工艺；圆筒区采用皮带船送砂的工艺，回填时尽量从圆筒中心和副格仓的中心位

置开始回填。

2)回填砂的规格和质量应满足设计要求。

3)回填砂覆盖范围不得小于设计要求范围，且覆盖均匀，并不得出现基层裸露造成

挤淤现象。

4)所用砂料为中粗砂，其中砂料含泥量(公称粒径不大于0.075 mm的颗粒质量占

砂料总质量的百分比)≤10%；西大岛和圆筒内回填高程-5.0 m以下砂的渗透系数

不小于5×10-3 cms。砂的试验、定名执行JTS 133-1—2010《港口岩土工程勘

察规范》和GBT 50123—1999《土工试验方法标准》。砂土中粒径大于2 mm

的颗粒含量不超过50%，粒径大于0.25 mm的颗粒超过50%[2]。

5)采用分层抛填的施工方法，分层抛砂厚度不宜大于3.0 m，前后两级间的平台至

少20.0 m；采用皮带船送砂的方法，分层回填砂厚度局部不宜大于5.0 m。

6)场地填砂兼做场地软基处理的堆载砂。根据加固设计断面图的加载计划图分级施

加堆载砂，分级加载强度不得超过设计分级要求，分级堆载厚度不宜超过2.0 m，

回填过程中应观测整个回填区填砂高程的变化，指导施工调整和管理工作。

7)设计回填区域竣工后的平面位置和尺度均应符合设计要求，不允许出现欠填。

2.3 施工方法

2.3.1 钢圆筒及副格内中粗砂抛填

2.3.1.1 施工流程

1)在钢圆筒或副格振沉至设计高程后，皮带运砂船在结构外侧驻位并向筒内及副格

仓内直接抛填。填充料落点应在钢圆筒及副格的中心，以防钢圆筒及副格因填充料

压力不均匀造成侧倾和变形。根据皮带船的抛砂效率和人工打水砣实时测定抛砂顶

面高程，确保筒内及副格内抛砂高程达到设计要求，且预留一定的沉降量。

2)抛填施工前，在已振沉完成的钢圆筒及副格顶上，用4根柔性标尺标定筒体中

心(5 m×5 m正方形方格)位置，并在皮带船输送带前端安装1块挡板，确保抛填

砂以自由落体形式按照预定轨迹抛至圆筒及副格中(图4)。

图4 钢圆筒内回填砂

3)为减少船舶重复定位造成抛填点位变化及碰撞风险，第1船驻位后不再移锚，

其余运砂船直接向第1艘皮带船内补给中粗砂，以此避免皮带船多次重复抛锚定

位，减少船舶碰撞筒体的风险，同时增加抛砂施工效率(图5)。

图5 钢圆筒接力抛填

4)抛填中粗砂过程中，按照每10～15 min打1次水坨对不同时间段的砂面高程进

行测量，确保抛填中粗砂在整个钢圆筒横向断面上的均匀性。

5)中粗砂抛填至设计高程以后，用挖掘机进行表面细部整平。

2.3.1.2 操作要点

1)钢圆筒及副格振沉完成前，抛填作业船舶即在施工现场待命，确保钢圆筒副格振

沉验收完成后及时回填。抛填作业需保证在3 h之内完成。在抛填过程中，始终保

持砂均匀散落在筒体及副格中心位置，避免筒体受海浪及抛填冲击移位。

2)皮带船抛填中粗砂过程中勤打水坨，检查抛填中粗砂过程中钢圆筒及副格断面均

匀性，防止回填面局部高差太大，导致筒体的变形或一侧挤淤。如果发现局部高差

过大，及时调整回填砂散落位置并修正断面的平整度。调整完成后，立刻恢复到中

心位置。打水坨时，皮带船抛填中止作业，待数据分析完成后，方可继续施工。

3)抛填中粗砂的过程中，测量人员对钢圆筒及副格进行变形监测，一旦发现变形较

大，立即停止中粗砂抛填。

4)皮带船向抛填船舶补给的过程中，须保证两船之间的安全距离，避免船舶碰撞，

影响抛填的均匀性。同时，现场安排监护人员全程监控，避免船舶对筒体直接碰撞

而导致筒体及副格变形。

2.3.2 岛内回填

人工岛岛内回填按照时间先后顺序总体分为岛体围闭前回填及围闭后回填2部分。

按照高程划分，总体分为-16～-5 m回填及-5～5 m回填2部分。其中西小岛围

闭前，在南侧X05～X08号钢圆筒之间设置合龙口；西大岛在X30～X31号钢圆

筒区域设置合龙口(图6)。

图6 合龙口设置(单位：m)

2.3.2.1 回填方法

1)合拢前回填。由于西小岛面积较小，为使放坡坡度不至过大，在合龙前，皮带船

开至岛内由X15号圆筒倒退式回填至合龙口，并与合龙口预留足够距离，防止回

填砂倾泻至龙口造成该区域钢圆筒及副格无法下沉。回填高程按照-8 m控制。回

填过程中，船舶依靠钢圆筒上焊接的带缆点驻位及绞锚机往复抛填，确保抛填均匀。

西大岛合龙前，沿南北向在钢圆筒上按照抛填断面画设标识，抛填船舶按照标识及

抛填效率，参照西小岛回填方案，由四周向合龙口收缩式回填。回填面按照平均高

程-5 m进行控制，并确保各层抛填均匀，覆盖全面。防止抛填过程中因回填高差

过大或覆盖不匀而造成挤淤，影响钢圆筒后期稳定性。

2)合龙后回填。岛体结构合龙后，采用皮带船直接向岛内进行抛填，并在钢圆筒或

副格顶部开设排水口。岛内海水在回填过程中通过排水口自然外溢，防止淹没钢圆

筒围护结构造成筒内回填砂流失。抛填至-5 m后，采用水泵排除岛内积水，并下

放挖掘机及推土机对岛内土体进行整平。

-5 m工作面排水板及降水井打设完成后，采用皮带船向岛内抛填砂，并采用挖掘

机、推土机按照分层厚度要求整平(图7)。

图7 西人工岛岛内回填砂-5 m至堆载高程施工

2.3.2.2 操作要点

1)岛壁围护结构合龙前，龙口周边应预留足够距离，防止回填砂流失影响龙口处钢

圆筒振沉作业。

2)回填过程中，兼顾抛填及场内整平施工效率，防止一次性抛填过厚或局部集中堆

载造成钢圆筒倾斜。

3)水面以下回填过程中，安排专人进行监护防止抛填船舶碰撞钢圆筒及副格，并确

保回填作业过程中设备与钢圆筒围护结构具有一定的安全距离。此外，采用勤打水

坨或超声波扫测等方式，及时掌握抛填高程及分层回填厚度可控。

4)回填至-5 m高程，确保副格与钢圆筒连接宽榫槽止水材料填充饱满后，采用水

泵抽水方式及时排除岛内海水，并动态观测钢圆筒围护结构沉降位移情况。遇到异

常情况，应中止降水并对数据进行整理分析。

5)-5 m以上回填过程中，按照分层回填厚度接高降水井，并加强对降水井的保护。

3 施工监测

3.1 钢圆筒沉降位移观测

钢圆筒围护结构在筒内及岛内回填过程中，受力工况较为复杂，结构稳定性对人工

岛安全起到至关重要的作用。为此，在回填全过程中，需采取技术措施对结构沉降

位移、倾斜及深层位移进行全过程观测。

其中，钢圆筒及副格振沉完成后，即在圆筒顶部设置沉降位移观测点，并在施工过

程中按照二等水管观测进度要求进行全过程加密观测[3]。对于位移或倾斜超限等

情况，应中止作业，按照结构受力工况进行演示分析，并采取相应的处理措施。

3.2 岛内沉降监测

人工岛回填厚度达21 m。为准确反映地基处理情况，回填至-5 m高程时，在岛

内埋设深层位移观测仪或水下探摸等方式，对-5 m以下回填、排水板打设期及堆

载期进行连续观测。岛内沉降数据可作为地基加固的判断指标，并对应分析钢圆筒

位移工况受力状态，确保回填过程中钢圆筒及副格安全。

4 结语

1)在钢圆筒及副格回填过程中，通过采取皮带船接力、设置抛填网格、皮带机端部

设置挡板控制抛填路径、勤打水坨等方式实现回填过程中钢圆筒及副格结构稳定并

确保其受力安全的控制要点。

2)人工岛岛内回填过程总体分为合龙前回填及合龙后回填，兼顾总体施工效率并分

层回填的技术要求。特别是分断面收缩式回填方案，可较好地控制岛内回填覆盖面

积及均匀度，防止局部抛填过厚造成异常拱淤对钢圆筒围护结构及地基处理的不利

影响。

3)钢圆筒围护结构及岛内回填过程中，通过筒顶沉降位移观测、筒体测斜及岛内深

层沉降等过程监测措施，整体评估钢圆筒围护结构的受力安全是重要的过程控制手

【相关文献】

[1] 尹海卿.港珠澳大桥岛隧工程设计施工关键技术[J].隧道建设，2014(1)：60-66.

[2] 中交第一航务工程局有限公司.水运工程质量检验标:JTS 257—2008[S].北京：人民交通出版

社,2009.

[3] 中交天津航道局有限公司.水运工程测量规范:JTS 131—2012[S].北京：人民交通出版社,2012.